大功率变流装置的智能功率单元及控制方法

文档序号:9633416阅读:537来源:国知局
大功率变流装置的智能功率单元及控制方法
【专利说明】大功率变流装置的智能功率单元及控制方法
[0001] (一)技术领域:本发明设及的变流装置主要包括高压变频器和光优逆变器。高压 变频器一般用于大型高压变频电动机的驱动电源,如火力发电厂、冶炼厂、水泥厂等高压 大型风机的驱动电源。光优逆变器作为供电电源。属交流间或交直流间的变换类(册2M)。 (二)【背景技术】
[0002] 高压变频器用作高压变频电机的调频驱动电源,是一种大功率高电压设备,其结 构见图1、图2。见图1,=相交流市电In经移相变压器获得移相=相交流电1,输入到每 相每个功率单元,每相多个功率单元串联(经桥臂中端W1W2端头串联),形成高压。高压 端接变频电机M。图1中仅画2个串联功率单元示意。设一个放在外部总控制柜的主控系 统9。见图2,每个功率单元主回路由移相S相交流电1、整流滤波电路2和IGBT全桥逆变 器3组成。
[0003] 见图1,高压变频器每相串联的若干功率单元形成 < 级联层数〉。按电压和功率的 需要确定,典型的级联层数为16。采用 < 级联结构〉目的是提高输出波形中基波含量,避 免使用体积大,价格昂贵的滤波器。但是随着功率和电圧的增大,级联结构的采用,在故 障检测能力、死区补偿精度、信息传输的可靠性、同步控制、成本等方面,现有的控制系统 及方法均难W满足需求。
[0004] 见图9,光伏逆变器虽然主回路由光伏电池Im、电容滤波电路2m、IGBT S相逆变 器3m组成;但同样,对大功率光伏逆变器的控制部分中,故障检测能力、死区补偿精度、信 息传输的可靠性、成本等方面,也需性能全面优化及智能化W满足发电和并网要求。 (H)
【发明内容】
: 阳〇化]本发明提供的大功率变流装置的智能功率单元及控制方法,其目的就是解决现有 高压变频器和光优逆变器等故障检测和处理能力不足、死区补偿精度低;同时需保证信息 传输的可靠性、同步控制;在性能全面优化智能化同时需要产品成本低廉。
[0006] 技术方案如下:
[0007] 大功率变流装置的智能功率单元,包括:1)用于高压变频器,每相均串接多个功 率单元形成高压电源;每个功率单元主回路由=相交流市电In经过移相变压器向各功率 单元提供移相后的S相交流电1、整流滤波电路2、IGBT全桥逆变器3组成;或者2)用于光 伏逆变器;每相主回路由光伏电池Im、电容滤波电路2m、IGBT S相逆变器3m组成;3)每个 IGBT并联有用于排除故障的旁路二极管;4)每个功率单元内有脉宽测量电路、故障检测电 路、驱动电路;外部设有控制所有功率单元的主控系统;其特征是:
[0008] 1)每个功率单元控制部分设一片现场可编逻辑阵列单元FPGA5,一片单片机单 元STM32 6,两者间用单元高速同步串口SPI6.1直接连接。脉宽测量电路接单元FPGA输 入口;驱动电路接单元FPGA的输出口;单元FPGA与主控系统间用光纤通信系统7传输信 息。
[0009] 2)所述故障检测电路设如下的母线过压检测电路4. 1:首端接主回路直流母线电 压D端的由电阻31、1?2、1?3、1?4组成母线电压分压电路4.11,顺次连接运放1]1、线性光禪隔 离电路4. 12 ;然后再分两路连接:一路经截止频率1曲Z的低通滤波器4. 14接单元STM32 输入IO 口;另一路经滞环比较电路4. 13接单元FPGA的输入IO 口。
[0010] 3)所述故障检测电路设如下的桥臂状态检测电路4. 2:首端接主回路桥臂中点的 由电阻R6、R7、R8、R9组成的IGBT桥臂输出电压的分压电路4. 21,顺次连接与3V参考电 压进行比较的运放&、高速光禪6N137隔离电路4. 22、有电阻Rll和R12的分压电路4. 23、 再接IOMHz低通滤波器4. 24,最后接单元FPGA的输入I。口;单元FPGA的输出口连接多个 LED灯5. 1,每个IGBT配置一个LED灯,且按不同故障状态设不同闪烁信号。
[0011] 4)所述故障检测电路设如下的散热器溫度测量电路4. 3:顺次连接并联有电容 C14的负溫度系数热敏电阻R15、普通电阻R16、R20、R22构成的桥式电路4. 31 ;由R17、R19、 R14、R21、运放U3组成的差分放大电路4. 32 ;线性隔离电路4. 33 ;截止频率为1曲Z的低通 滤波器4. 34 ;最后接单元STM32的输入I。口。
[0012] 5)脉宽测量电路4如下组成:①由运放U41、电容C41、电阻R42、R44、R43、R45、 R46组成的基准电压产生电路;②由电容C42、电阻R41、R47组成的积分电路;③由比较器 U42和U43组成比较电路,比较器U42和U43输出端S1、S2接单元FPGA 5两个输入IO 口; ④由晶体管Q41、Q42组成的初始化电路:两晶体管基极分别接单元FPGA 5输出接口 G1、 G2 ;⑥设上述 R42 = R41 ;R44 = R47 ;R43 = R46 < < (R43+R45+R46) ;C41 > > C42。 式 (A)
[0013] 6)所述主控系统9内有在同一主板上的中央数据控制器9A和用高速同步串口 SPI 9C直接连接的每一层的层控制器9B ;而各层控制器与该层各个单元FPGA间信息传 输采用双向传输的两根光纤的如下光纤通信系统7 ;第一根光纤7. 1两端分别连接与单元 FPGA连接的光纤发射器5. 1和与层控制器连接在主板上的层光纤接收器9. 1 ;第二根光纤 7. 2两端分别连接与层控制器连接在主板上的层光纤发送器9. 2和与单元FPGA连接的光纤 接收器5. 2 ;且单元FPGA和层控制器内分别有专用通信串口抓、9D。
[0014] 上述大功率变流装置的智能功率单元的控制方法,其特征是
[001引 i )故障检测电路将故障信息输入单元FPGA,由专用通信串口抓将故障信息添 加到串口通信数据帖的每一字节中,每一帖数据中都增加一故障信号位;且单元FPGA和 层控制器均按专用通信协仪中的W下时序将数据分别发送到光纤发送器5. 1和层光纤发 送器9. 2 :①发送2字节无效数据;②发送帖头;③发串口数据;④发送帖尾;⑥发送无效数 据;串口空闲时保持发送无效数据。
[0016] ii )单元FPGA和层控制器均独立设有通信状态检测:通信状态检测采用硬件描述 语言皿L编写,层控制器在每一个PWM周期中没有收到某一个单元FPGA的通信数据,设 置相应存储器为0,同时向同层其他功率单元的单元FPGA发送旁路命令;某一个单元FPGA 在每一个PWM周期没有收到层控制器的数据,则通过该单元FPGA控制驱动电路8对桥臂 进行停机保护。
[0017] 化)在桥臂状态检测电路中,单元FPGA判断的桥臂各种故障类型、对应故障电路 状态、处理方法、旁路电流路径及灯闪烁信号如下:1)上臂开路故障:上臂驱动信号为高电 平时,驱动电路中驱动光禪返回低电平追制下臂旁路,IGBT Q2、Q4闭合;电流从桥臂中端 Wl或中端W2进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34或IGBTQ4、旁路二极管D32,从中 端W2或中端Wl流出;上臂故障指示灯闪烁对应信号。2)上臂短路故障:下臂驱动信号为 高电平时,桥臂状态检测电路输出高电平;控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3闭合;电流从桥臂中 端Wl或中端W2进入,依次流过旁路二极管D3UIGBT Q3或旁路二极管D33、IGBTQ1,从 中端W2或中端Wl流出;上臂故障指示灯闪烁对应信号。3)下臂开路故障:电流流入桥臂 时,下臂驱动信号为高电平时,桥臂状态检测电路输出高电平;控制上臂旁路,IGBT Q1、Q3 闭合;电流从桥臂中端Wl或中端W2进入,依次流过旁路二极管D31、IGBT Q3或旁路二极 管D33JGBTQ1,从中端W2或中端Wl流出;下臂故障指示灯闪烁对应信号。4)下臂短路故 障:上臂驱动信号为高电平时,驱动电路驱动光禪返回低电平追制下臂旁路,IGBT Q2、Q4 闭合;电流从桥臂中端Wl或中端W2进入,依次流过IGBT Q2、旁路二极管D34或IGBTQ4、 旁路二极管D32,从中端W2或中端Wl流出;下臂故障指示灯闪烁对应信号。单元FPGA将 上述故障信息发送给层控制器,由层控制器控制同层其他功率单元进行相同的故障处理。
[0018] iv)上述脉宽测量电路采用对应的硬件死区补偿方法如下:
[0019] ①主控系统向单元FPGA提供给定矩形脉冲波形U7:上升沿零时刻to,下降沿零 时刻t02。②在时刻to时,单元FPGA控制晶体管Q42断开,实际脉冲电压化经过R41、 R47分压给C42充电;此过程是对实际脉冲电压化上升沿积分的过程。③当C42两端电压 高于基准电压化efl时,比较器U42输出高电平,单元FPGA 5捕获此上升沿,并记录上升沿 积分结束时间为tl ;同时,单元FPGA 5控制晶体管Q41闭合,将电容C42两端电压初始化 为运放U42输出电压。
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