一种高压变频调速系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压变频调速系统及其控制方法，系统包括：移相变压器、含3n个相同功率单元的变频器、光纤接口和控制单元，n≥2且n为整数，每n个功率单元依次串联构成一相，三相星型相连后连接电动机；移相变压器包括3n个副边绕组，每个副边绕组接一个功率单元；控制单元通过所述光纤接口连接各个功率单元。方法包括：初始化步骤；更新中断向量表步骤；开启看门狗步骤；PWM中断重复步骤。本发明通过多电平PWM控制方式，提供正弦波电流输出，实现对电动机的优质控制，配备的控制方法使得高压变频调速系统高效、准确、有序地运行，从而实现高效率、高功率因素和高可靠性。
【专利说明】一种高压变频调速系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压变频调速系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着国家节能减排政策的推动和我国高压电动机容量快速增长，高压变频器市场迎来了快速发展期。变频器安装于电源与电动机之间，通过改变频率和输出电压自动调节电动机的运行速度，从而达到提高用户电动机系统的运行效率和节约用电的目的，是目前最理想、最有前途的电机节能设备。高压变频器属于重大电气装备，是变频器中的高、精、尖产品，主要用于关键设备的驱动、高压电机的节能运行和工艺性能的改善，广泛应用于电力、冶金、石油化工、机车牵引等。
[0003]拓扑结构和控制方法的多样化是高压变频器的特点；在众多拓扑结构中，诸如交一交变频器、GTO电流源型变频器、三电平电压源型变频器、功率器件串联直接高压二电平电压源型变频器等等都存在输入侧谐波大、输出谐波大及输出电压变化率高等不足。与这些拓扑结构逆变器相比，单元串联多电平逆变器具有谐波小、共模电压小、电压变化率小、电磁干扰小、开关频率低、系统效率高、适合中高压大容量变频器应用等特点。因此，开发单元串联多电平高压交流电机变频调速系统并推广应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义，也是本 申请人:一直致力于研究的方向。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种单元串联多电平型的高压变频调速系统，通过多电平PWM (脉冲宽度调制)控制方式，提供正弦波电流输出，实现对电动机的优质控制，大幅节约电能，并且具有的实时监测功能保证了它的正常运行，从而实现高效率、高功率因素和高可靠性。
[0005]本发明的目的还在于提供了该高压变频调速系统的控制方法。
[0006]实现上述目的的技术方案是:
[0007]本发明之一的高压变频调速系统，接在三相电源和电动机之间，该高压变频调速系统包括移相变压器、变频器、光纤接口以及控制单元，其中:
[0008]变频器，包括3η个相同的功率单元，η≥2且η为整数；每11个功率单元依次串联构成一相，三相星型相连后连接所述电动机；
[0009]移相变压器，包括原边绕组以及3η个副边绕组，原边绕组连接所述三相电源，每个副边绕组均按照延边三角形接法连接一个功率单元；
[0010]控制单元，通过所述光纤接口连接各个功率单元，并行地控制各个功率单元，并且实时监视变频器以及各个功率单元的运行状态。
[0011]上述的高压变频调速系统，其中，所述控制单元包括相互连接的DSP (数字信号处理)芯片和FPGA (现场可编程门阵列)芯片，FPGA芯片通过所述光纤接口连接各个功率单
J Li ο[0012]上述的高压变频调速系统，其中，所述功率单元包括一个保护旁路，用于将发生故障时的该功率单元旁路。
[0013]上述的高压变频调速系统，其中，所述高压变频调速系统还包括一连接所述控制单元的触摸屏，用于实现人机交互。
[0014]上述的高压变频调速系统，其中，所述η为6。
[0015]本发明之二的基于上述高压变频调速系统的控制方法，包括下列步骤:
[0016]步骤SI,初始化所述控制单元；
[0017]步骤S2，更新中断向量表；
[0018]步骤S3,开启看门狗；
[0019]步骤S4，开启PWM中断进程，根据中断向量表所示，所述控制单元采集一个功率单元的信息和变频器的输入输出信息，分析并处理报警状态和故障状态，在无报警、故障时或者在消除报警、故障后，计算PWM占空比并发送给当前被控制单元采集信息的功率单元，然后给看门狗喂狗，重复步骤S4。
[0020]上述的控制方法，其中，所述步骤S4包括下列步骤:
[0021]步骤S401，检测报警、故障复位标志位是否有效，如有效，进入步骤S402 ;如无效，进入步骤S403 ；
[0022]步骤S402，报警、故障复位标志位进行复位；
[0023]步骤S403，根据中断向量表，确定所要采集信息的功率单元；
[0024]步骤S404，采集步骤S403所确定的功率单元的母线电压、输出电压和通讯状态，分析该功率单元的报警状态和故障状态；
[0025]步骤S405，采集变频器的输入电流、输出电流和输出电压，进行数字滤波，得到各数字信号；
[0026]步骤S406，读取步骤S405中得到的各数字信号，分析变频器的报警状态和故障状态；
[0027]步骤S407，针对步骤S404中功率单元的报警状态和故障状态以及步骤S406中变频器的报警状态和故障状态，如果存在报警或故障，运行相应的处理指令，并进入步骤S408 ;如果不存在报警或故障，进入步骤S409 ；
[0028]步骤S408，检测运行的处理指令是否有效，如果有效，进入步骤S409 ;如果无效，进入步骤S410 ；
[0029]步骤S409，计算出用于控制步骤S403所确定的功率单元的PWM占空比并传输给该功率单元；
[0030]步骤S410，看门狗喂狗，然后进入步骤S401。
[0031]本发明的有益效果是:本发明之一的高压变频调速系统采用多个功率单元构成多重化串联的拓扑结构，每个功率单元分别由移相变压器的一组副边供电，副边绕组采用延边三角形接法，从而达到降低输入电流谐波的目的；并且，高压变频调速系统采用多电平PWM控制方式，提供正弦波电流输出，降低了输出谐波，使得由谐波引起的电动机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，从而实现对电动机的优质控制，大幅节约电能；并且，高压变频调速系统具有实时监测变频器和各功率单元的运行状况的功能，加上每个功率单元都配备的保护旁路，保证了它的正常有效运行，从而实现高效率、高功率因素和高可靠性。本发明之二的控制方法，实现了高压变频调速系统的具体控制方式，各具体步骤(尤其具有的报警、故障检测、处理等步骤)使得高压变频调速系统高效、准确、有序地运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本发明之一的高压变频调速系统的结构示意图；
[0033]图2是本发明之一的高压变频调速系统中功率单元的主电路图；
[0034]图3是本发明之二的控制方法的流程图；
[0035]图4是本发明之二的控制方法中PWM中断进程的流程图。
【具体实施方式】
[0036]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0037]请参阅图1，本发明之一的一种高压变频调速系统，接在三相电源100和电动机300之间，高压变频调速系统包括移相变压器1、变频器2、光纤接口 3以及控制单元4，其中:
[0038]变频器2包括3n个相同的功率单元21，n≥2且n为整数(本实施例中，η为6);每η个功率单元21依次串联构成一相，三相星型相连后连接(输出供给)电动机300 ;以本实施例为例，n为6，共18个功率单元21，分别为分成三相的单元Al~Α6、单元BI~Β6以及单元Cl~C6 ;单元Al~Α6依次串联成的串联支路、单元BI~Β6依次串联成的串联支路以及单元Cl~C6依次串联成的串联支路各自的一端星型连接，各自的另一端接电动机300，形成多重化串联的拓扑结构，每个单元输出固定的低压电平，再由多个单元串联叠加为所需的高压；
[0039]移相变压器I包括原边绕组以及3η个副边绕组，原边绕组连接三相电源100，每个副边绕组均按照延边三角形接法连接一个功率单元21，给功率单元21供电，从而达到降低输入电流谐波的目的；
[0040]控制单元4通过光纤接口 3连接各个功率单元21，以多电平PWM控制方式并行地控制各个功率单元21，使得变频器2输出正弦波电流，从而实现对电动机300的优质控制；并且控制单元4实时监视变频器2以及各个功率单元21的运行状态，即采集变频器2的信息(输入电流、输出电流和输出电压)以及各个功率单元21的信息(母线电压、输出电压和通讯状况)，并依据这些信息确定报警状态和故障状态，如果存在报警或者故障，由人工排除，运行相应处理指令；本实施例中，控制单元4由相互连接的DSP芯片(图中未示)和FPGA(图中未示)芯片构成实现，FPGA芯片通过光纤接口 3连接各个功率单元21 ；DSP芯片选用型号为 TMS320F28335。
[0041]本实施例中，高压变频调速系统还包括一连接控制单元4的触摸屏5，用于实现人机交互，实现变频器2以及各个功率单元21的运行状态的显示，以及用于人工操控；同时，本发明也可通过远程通讯协议来实现远程操控。
[0042]如图2所示,本实施例中，功率单元21包括:
[0043]三相整流桥211，由六个二极管Dl至D6构成，用于将移相变压器I的一个副边绕组提供的交流输入整流为直流；
[0044]电容组212 (本实施例中为单个电容)，用于存储由三相整流桥211整流得到的直流电；
[0045]逆变桥213，由四个绝缘栅双极晶体管Ql至Q4以及两个电容Cl至C2构成，接受控制单元4的控制，将经由三相整流桥211得到的直流电或者电容组212存储的直流电逆变为交流电输出(输出端为LI和L2);以及
[0046]保护旁路214，由四个二极管D7至DlO以及一个可控硅S构成，用于将发生故障时的该功率单元21旁路，使该功率单元21进入旁通状态，而整个变频器2可以继续工作。
[0047]请参阅图3，本发明之二的基于本发明之一高压变频调速系统的控制方法，包括下列步骤:
[0048]步骤SI,初始化控制单元4，使得控制单元4的各参数初始化；
[0049]步骤S2，更新中断向量表；
[0050]步骤S3,开启看门狗；
[0051]步骤S4,开启PWM中断进程,根据中断向量表所示,控制单元4采集一个功率单元21的信息和变频器2的输入输出信息，分析并处理报警状态和故障状态，在无报警、故障时或者在消除报警、故障后，计算PWM占空比并发送给当前被控制单元采集信息的功率单元21，然后给看门狗喂狗，重复步骤S4 ；
[0052]请参阅图4，步骤S4的具体步骤如下:
[0053]步骤S401，检测报警、故障复位标志位是否有效，如有效，进入步骤S402 ;如无效，进入步骤S403 ；
[0054]步骤S402，报警、故障复位标志位进行复位；
[0055]步骤S403，根据中断向量表，确定当前所要采集信息的功率单元21 ；
[0056]步骤S404，采集步骤S403所确定的功率单元21的母线电压、输出电压和通讯状态，分析该功率单元21的报警状态和故障状态；
[0057]步骤S405，采集变频器2的输入电流、输出电流和输出电压，进行数字滤波，得到各数字信号，进行电参数安全保护控制，即在各参数超出阈值时采取相应保护控制，防止事故；
[0058]步骤S406，读取步骤S405中得到的各数字信号，分析变频器2的报警状态和故障状态；
[0059]步骤S407，针对步骤S404中功率单元21的报警状态和故障状态，以及步骤S406中变频器2的报警状态和故障状态，如果存在报警或故障，运行相应的处理指令(人工操作、排除、输入)，并进入步骤S408 ;如果不存在报警或故障，进入步骤S409 ；
[0060]步骤S408，检测运行的处理指令是否有效，如果有效，进入步骤S409 ;如果无效，进入步骤S410 ；
[0061]步骤S409，计算出用于控制步骤S403所确定的功率单元21的PWM占空比并传输给该功率单元21，实现对其的控制；
[0062]步骤S410，看门狗喂狗，然后进入步骤S401。
[0063]综上所述，本发明的高压变频调速系统能实现对电动机的优质控制，大幅节约电能，并且提供的控制方法能保证系统高效、有序地安全运行，从而实现高效率、高功率因素和高可靠性。
[0064]以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关【技术领域】的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
【权利要求】
1.一种高压变频调速系统，接在三相电源和电动机之间，其特征在于，该高压变频调速系统包括移相变压器、变频器、光纤接口以及控制单元，其中: 变频器，包括3η个相同的功率单元，η > 2且η为整数；每η个功率单元依次串联构成一相，三相星型相连后连接所述电动机； 移相变压器，包括原边绕组以及3η个副边绕组，原边绕组连接所述三相电源，每个副边绕组均按照延边三角形接法连接一个功率单元； 控制单元，通过所述光纤接口连接各个功率单元，并行地控制各个功率单元，并且实时监视变频器以及各个功率单元的运行状态。
2.根据权利要求1所述的高压变频调速系统，其特征在于，所述控制单元包括相互连接的DSP芯片和FPGA芯片，FPGA芯片通过所述光纤接口连接各个功率单元。
3.根据权利要求1或2所述的高压变频调速系统，其特征在于，所述功率单元包括一个保护旁路，用于将发生故障时的该功率单元旁路。
4.根据权利要求3所述的高压变频调速系统，其特征在于，所述高压变频调速系统还包括一连接所述控制单元的触摸屏，用于实现人机交互。
5.根据权利要求3所述的高压变频调速系统，其特征在于，所述η为6。
6.一种基于权利要求1所述高压变频调速系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤: 步骤SI,初始化所述控制单元； 步骤S2，更新中断向量表； 步骤S3,开启看门狗； 步骤S4，开启PWM中断进程，根据中断向量表所示，所述控制单元采集一个功率单元的信息和变频器的输入输出信息，分析并处理报警状态和故障状态，在无报警、故障时或者在消除报警、故障后，计算PWM占空比并发送给当前被控制单元采集信息的功率单元，然后给看门狗喂狗，重复步骤S4。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括下列步骤: 步骤S401，检测报警、故障复位标志位是否有效，如有效，进入步骤S402 ;如无效，进入步骤S403 ； 步骤S402，报警、故障复位标志位进行复位； 步骤S403，根据中断向量表，确定所要采集信息的功率单元； 步骤S404，采集步骤S403所确定的功率单元的母线电压、输出电压和通讯状态，分析该功率单元的报警状态和故障状态； 步骤S405，采集变频器的输入电流、输出电流和输出电压，进行数字滤波，得到各数字信号; 步骤S406，读取步骤S405中得到的各数字信号，分析变频器的报警状态和故障状态；步骤S407，针对步骤S404中功率单元的报警状态和故障状态以及步骤S406中变频器的报警状态和故障状态，如果存在报警或故障，运行相应的处理指令，并进入步骤S408 ;如果不存在报警或故障，进入步骤S409 ； 步骤S408，检测运行的处理指令是否有效，如果有效，进入步骤S409 ;如果无效，进入步骤S410 ；步骤S409，计算出用于控制步骤S403所确定的功率单元的PWM占空比并传输给该功率单元； 步骤S410，看门狗喂狗， 然后进入步骤S401。
【文档编号】H02P27/04GK103795323SQ201210435122
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2012年11月2日
【发明者】陈江洪, 张海燕, 齐亮, 汤雪华, 唐丽婵, 周吉, 许伟 申请人:上海电气集团股份有限公司, 上海电机学院