具有在线故障快速检测和旁路保护的高压变频调速系统的制作方法

本发明属于高压变频技术领域，具体涉及一种具有在线故障快速检测和旁路保护的高压变频调速系统。

背景技术：

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。

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—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。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种采用模块化设计，互换性好、维修简单，噪音低，谐波含量小，不会引起电机的转矩脉动，且有故障在线快速检测和旁路保护功能的具有在线故障快速检测和旁路保护的高压变频调速系统。

技术方案：本发明所述的一种具有在线故障快速检测和旁路保护的高压变频调速系统，该系统安装在三相电源与异步电机之间，该高压变频调速系统包括移相变压器、变频器以及控制单元，其中：

变频器，包括 3n 个相同的功率单元，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所述异步电机；所述功率单元包括依次连接的整流电路、逆变电路和旁路保护电路，所述整流电路是由多个二极管和电容构成的整流桥电路，所述逆变电路是由多个相同的IGBT单元构成的逆变器电路，所述旁路保护电路是由多个二极管、双向晶闸管和触发电路构成的电路，所述IGBT单元包括驱动电路、IGBT单元和快速检测电路；

移相变压器，包括原边绕组以及 3n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，包括双DSP控制器、PLC控制器和人机界面，所述双DSP控制器与每一个功率单元分别电连接，所述人机界面分别与双DSP控制器、PLC控制器电连接，所述双DSP控制器还与所述PLC控制器电连接。

进一步的，所述n为9。

进一步的，所述触发电路与所述双向晶闸管连接，所述触发电路采用MOC3061模块，MOC3061模块为光电耦合器件，其输入与输出采用光电隔离，实现DSP信号对双向晶闸管的触发控制，双DSP控制器的输出信号GPIOF0与MOC3061模块的输人相连，MOC3061模块的输出与双向晶闸管的输入相连。

进一步的，所述驱动电路与所述IGBT单元的基极连接，所述IGBT单元的集电极与发射极之间设有快速检测电路。

进一步的，所述驱动电路采用Si8286模块，实现DSP信号对IGBT的驱动控制，其内部采用容耦隔离，传输介质为SiO2，以电容形式传输高速数字信号，速率达150Mbps，双DSP控制器的输出信号GPIOA口与Si8286模块的输人相连，Si8286模块的输出与IGBT的输入相连。

进一步的，所述快速检测电路包括二极管VD1，二极管VD2，电阻R1，电阻R2和光耦合器件OC，所述光耦合器件内的二极管与电阻R1、二极管VD1串联后与所述二极管VD2并联连接，所述光耦合器件内的光敏三极管的集电极连接有电阻R2。

有益效果：本发明采用模块化设计，互换性好、维修简单，噪音低，谐波含量小，不会引起电机的转矩脉动，且有故障在线快速检测和旁路保护功能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的单个功率单元结构示意图；

图3为本发明的单个IGBT单元结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种具有在线故障快速检测和旁路保护的高压变频调速系统，该系统安装在三相电源与异步电机之间，该高压变频调速系统包括移相变压器、变频器以及控制单元，其中：

变频器，包括 27个相同的功率单元（A1-A9，B1-B9，C1-C9）；每9个功率单元依次串联构成一相，三相星型相连后连接所述异步电机。

如图2所示，所述功率单元包括依次连接的整流电路、逆变电路和旁路保护电路，所述整流电路是由六个二极管D1-D6和电容C构成的整流桥电路，所述逆变电路是由四个相同的IGBT单元构成的逆变器电路，所述旁路保护电路是由四个二极管D7-D10、双向晶闸管KS和触发电路构成的电路。

所述触发电路与所述双向晶闸管连接，所述触发电路采用MOC3061模块，MOC3061模块为光电耦合器件，其输入与输出采用光电隔离。实现DSP信号对双向晶闸管的触发控制。DSP的输出信号GPIOF0与MOC3061模块的输人相连，MOC3061模块的输出与双向晶闸管的输入相连。进一步的，所述驱动电路与所述IGBT单元的基极连接，所述IGBT单元的集电极与发射极之间设有快速检测电路。

如图3所示，所述IGBT单元包括驱动电路、IGBT单元和快速检测电路；所述驱动电路与所述IGBT单元的基极连接，所述IGBT单元的集电极与发射极之间设有快速检测电路。所述快速检测电路包括二极管VD1二极管VD2，电阻R1，电阻R2和光耦合器件OC，所述光耦合器件内的二极管与电阻R1、二极管VD1串联后与所述二极管VD2并联连接，所述光耦合器件内的光敏三极管的集电极连接有电阻R2。

所述驱动电路采用Si8286模块，实现DSP信号对IGBT的驱动控制。这里选用Silicon Labs公司智能门极驱动Si8286模块，具有高耐压、低导通阻抗、高工作频率等特征。其内部采用容耦隔离，传输介质为SiO2，以电容形式传输高速数字信号，速率可达150Mbps。Si8286模块，内置IGBT检测和保护功能。DSP的输出信号（GPIOA口）与Si8286模块的输人相连，Si8286模块的输出与IGBT的输入相连。

移相变压器，包括原边绕组以及 27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，包括双DSP控制器、PLC控制器和人机界面，所述双DSP控制器与每一个功率单元分别电连接，所述人机界面分别与双DSP控制器、PLC控制器电连接，所述双DSP控制器还与所述PLC控制器电连接。

本发明的高压变频调速系统以高速DSP为控制核心，采用空间电压矢量控制技术、功率单元串联多电平技术；系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制，直接输出3KV、6KV、10KV的高压电源，适配各种通用三相交流电动机。

功率单元的逆变器输出采用SPWM控制的多电平载波移相技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，输出波形质量好，输出电压相对谐波含量小于1.8%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。

变频器每相采用低压功率单元串接组成，每相9个功率单元，三相共27个完全相同的功率单元。采用模块化设计，互换性好、维修简单，噪音低，谐波含量小，不会引起电机的转矩脉动，对电机没有特殊要求。

功率单元是高压变频器的重要核心部分。每个功率单元结构上完全一致，可以互换（功率单元原理图2所示），系统为基本的交-直-交单相逆变电路，功率单元采用三相交流输入，二极管三相全桥整流， 经IGBT逆变后输出单相的SPWM电压，并且有故障在线快速检测和旁路保护功能。

功率单元内IGBT器件承受的最高电压为单元内直流母线电压，可以直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题，而且功率单元中采用的低压IGBT/1700V功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠，器件工作在低压状态，不易发生故障。

本发明的工作原理如下：

三相交流电压经D1~D6整流桥成为直流电压，再经IGBT单元1~IGBT单元4逆变后成为SPWM单相交流电压，其SPWM信号的频率有IGBT单元的驱动电路（图3）的触发频率决定。功率单元故障主要发生在逆变部分的IGBT单元故障，一旦IGBT单元故障（IGBT器件坏或驱动电路故障）就不能实现逆变。

功率单元故障在线快速检测方法如下：

依据SPWM波形要求，给予IGBT驱动电路的触发信号，IGBT即时导通，并且为低管压降（IGBT的正向导通电压），DSP在发出驱动信号（GPTOA口）同时，通过DSP输入端（GPTOB口）检测相应的IGBT导通与否，若GPTOB口为高电平，属正常无故障。逆变输出单相交流电压，与其他串行单元的单相交流电压叠加形成高压SPWM波形电压。如果IGBT单元出了故障，给予IGBT驱动电路的触发信号，IGBT就不会导通，IGBT的管压降仍维持高电压，在DSP发出IGBT驱动电路触发信号时，在线实时检测电路GPTOB口的信号，此时因光耦导通GPTOB口为低电平，属故障。一旦IGBT单元故障，实时在线检测快速发现。只要有一只IGBT单元故障，功率单元就无法输出SPWM波。

旁路电路的保护方法如下：

一方面不再向4个IGBT单无发触发信号；同时，即刻触发双向晶闸管KS，使得与其串联的上下级功率单元的SPWM电压，能在此呈现短路通过。为了能异步电机三相电压对称工作，同时关闭同组另二相功率单元（也处理为旁路工作）。这一故障，快速检测与旁路处理，系统不关机。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。