专利名称：检测无网侧电抗器高压变频器电网电压相位的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测电网电压相位的方法，具体地说，本发明涉及一种 用于检测与无网侧电抗器、具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压 变频器相连的三相电网电压相位的方法。
技术背景随着电力电子技术的发展，高压变频器作为节能降耗的主要手段，在国 民经济的各个领域，如冶金、石化、供水、电力等行业得到广泛的应用，并 发挥着越来越重要的作用。在诸多拓扑结构的高压变频器中，图1所示的功率单元串联多电平型高 压变频器，由于其电压输出能力强，对电网的谐波污染小，对电机输出电压 的dv/dt小，成为高压变频器的最主流和最优的形式之一。在功率单元串联多电平型高压变频器的实际应用中，对于需要电气制动 的负载，如大惯量风机、矿井提升机、轧钢机等，在被控电机制动时需要将 其制动能量从负载侧反馈至电网侧。为了使功率单元串联多电平型高压变频 器具有能量回馈功能，每个功率单元的控制芯片必须要能够精确地检测其网 侧电压的相位，控制其网侧电流。为了使每个功率单元能够精确地检测其网侧电压的相位，以便控制功率单元内的可控整流桥逆变，将制动能量回馈至电网；也为了使每个功率单元 的网侧电感值相同且已知，降低控制程序的难度，如图l所示，在现有技术 中，通常在每个功率单元1的网侧与三相多副边绕组变压器2的副边绕组之 间增设一个三相低压网侧电抗器3。在具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器内安装如此多 的低压网侧电抗器将显著地增加变频器的体积、重量和成本。为了减小上述高压变频器的体积和重量，降低其制造成本，本发明人经 过潜心研究开发了一种无网侧电抗器的、具有能量回馈功能的功率单元串联 多电平型高压变频器，如图2所示。在研制的过程中，本发明人发现当取 消了每个功率单元1网侧与变压器2副边绕组之间的网侧电抗器后，各功率 单元的电网侧即为其可控整流桥部分的电源输出侧，该处电压为功率单元可 控整流桥部分的输出电压而非电网电压，各功率单元的控制部分无法测量电网电压的相位和幅值，因此，各控制单元的控制部分无法进行控制算法的计 算，也就无法控制构成整流桥的各个幵关元件的导通与关断，无法实现能量 的回馈。 发明内容鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种用于检测与无网侧电抗器、具有 能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器相连的三相电网电压相 位的方法。为实现上述的目的，本发明采用以下的设计方案 一种检测高压变频器电 网电压相位的方法，它包括以下步骤A、 变频器主控制系统直接对变频器高压侧输入电压进行检测并处理；B、 将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给各功率单元的控制芯片；C、 各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网相位信息，进行控制算法 的计算，对其直流母线电压和网侧电流进行独立的控制。具体步骤如下首先，由变频器主控制系统将检测到的变频器高压输入侧电压即电网电压， 通过模拟比较器进行过零比较，得到一个与电网电压同相的方波；然后，通过锁相环芯片进行锁相，得到一个稳定的方波输出，这个方波与电 网电压的相位对应；再将这个方波通过光纤发送至各个功率单元；最后，各个功率单元收到这个光纤信号后，各功率单元的控制芯片通过计算 方波的频率和相位得到电网电压的相位，利用该值对各自的直流母线电压和网 侧电流进行独立的精确控制。
图1为带有网侧电抗器的具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器的主电路拓扑结构；图2为无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器主电路拓扑结构图； 图3为本发明采用硬件锁相环锁相电网电压相位的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明，并非对本发明的限定。为了检测与无网侧电抗器具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压200710179730. 2说明书第3/4页变频器相连的电网电压相位，本发明通过变频器主控制系统4直接对变频器高压侧输入电压进行检测，然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤5传 输给各功率单元的控制芯片；各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网相 位信息，进行控制算法的计算，对其直流母线电压和网侧电流进行独立的控制。本发明主控制系统采用硬件锁相方式检测电网电压的相位，具体方法如下-首先，由变频器主控制系统将检测到的变频器高压输入侧电压即电网电压， 通过模拟比较器进行过零比较，得到一个与电网电压同相的方波；然后，通过锁相环芯片进行锁相，得到一个稳定的方波输出，这个方波与 电网电压的频率相同，相位相差固定的角度，如0度、15度等等；再将这个方波通过光纤发送至各个功率单元；最后，各个功率单元收到这个光纤信号后，各功率单元的控制芯片通过测 量方波的频率和相位得到电网电压的频率和相位，利用该值对各自的直流母线 电压和网侧电流进行独立的精确控制。具体方法是各功率单元的控制芯片通 过在方波信号的整周期内对基准时钟源信号进行计数得到方波信号的周期和频 率,这一频率在数值上等于电网电压的频率；通过在方波信号的上升沿或者下降沿对基准时钟源计数器的值迸行标定得到方波信号的相位，这一相位与电网电 压的相位在数值上相等或相差一个常数。控制芯片将通过这一方法检测到的电 网电压的频率和相位代入控制算法，对其直流母线电压和网侧电流进行独立的 精确控制。图3为本发明主控制系统采用硬件锁相方式检测与处理电网电压相位的原 理框图。如图所示，主控制系统将变频器高压输入侧的某一相电压经过电阻分 压后，得到与之相位相同、大小成正比的低压信号；将该低压信号通过施密特 触发器芯片进行硬件过零比较，得到与之相位相同的方波信号；将此方波信号 经光耦隔离后传输给锁相环芯片，例如CD4046芯片，得到硬件锁相后的方波 信号，该信号与电网电压相位对应，当检测到的电网电压受到干扰时，该信号 相对平稳；将该信号通过光纤驱动器转换成光信号后，通过光纤发送至各个功 率单元。各功率单元接收到该光纤信号后，先将其转换为电信号，输出给功率单元 内微处理器芯片，功率单元内的微处理器芯片对此电信号的周期进行计时即可 得到电网电压的周期和频率，对此电信号的边沿进行采样即可得到电网电压的 相位。此外，还有一些其他的方法，如主控制系统根据釆样到的电网电压数值，直接计算电网电压相位，通过光纤送至功率单元、主控制系统将采样到的电网 电压数值直接通过光纤发至功率单元，由功率单元自行计算其相位等等，由于 篇幅所限不能枚举。
这些方法的共同点是主控制系统对变频器高压侧输入电压(即三相电网 电压)进行检测，然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤发送至各个 功率单元。由于一般高压侧电网电压的波形和稳定性都是比较好的，与功率单
元的可控整流桥部分的输出电压的解耦特性也较好，因此这类方法有效的解决 了取消网侧电抗器后，电网电压相位测量的问题。
本发明的有益效果是使无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器 在取消了网侧电抗器后，仍可以高性能地可靠运行，从而大大地降低了变频器 的成本、体积和重量。
权利要求
1、一种检测无网侧电抗器高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于它包括以下步骤A、变频器主控制系统直接对变频器高压侧输入电压进行检测并处理；B、将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给各功率单元的控制芯片；C、各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网相位信息，进行控制算法的计算，对其直流母线电压和网侧电流进行独立的控制。
2、 根据权利要求1所述的检测无网侧电抗器高压变频器电网电压相位的方 法，其特征在于所述步骤A进一步包括以下步骤A、变频器主控制系统将检测到的变频器高压输入侧电压通过模拟比较器 进行过零比较，得到一个与电网电压同相的方波；A2、通过锁相环芯片进行锁相，得到一个稳定的方波输出，这个方波与电 网电压的相位对应。
3、 根据权利要求2所述的检测无网侧电抗器高压变频器电网电压相位的方 法，其特征在于所述步骤B是指将包含有电网电压相位信息的所述方波通过 光纤发送至各个功率单元。
4、 根据权利要求3所述的检测无网侧电抗器高压变频器电网电压相位的方 法，其特征在于所述步骤C中各功率单元的控制芯片通过计算方波的频率和 相位得到电网电压的相位；具体方法是各功率单元接收到该光纤信号后，先将其转换为电信号，输出给功率单元内微处理器芯片；功率单元内的微处理器芯片对此电信号的周期进行计时即可得到电网电压 的周期和频率，对此电信号的边沿进行采样即可得到电网电压的相位。
全文摘要
本发明公开了一种检测无网侧电抗器高压变频器电网电压相位的方法，具体方法如下首先，由变频器主控制系统将检测到的变频器高压输入侧电压即电网电压，通过模拟比较器进行过零比较，得到一个与电网电压同相的方波；然后，通过锁相环芯片进行锁相，得到一个稳定的方波输出；再将这个方波通过光纤发送至各个功率单元；各个功率单元收到这个光纤信号后，通过计算方波的频率和相位得到电网电压的相位。本发明使无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器在取消了网侧电抗器后，仍可以高性能地可靠运行，从而大大地降低了变频器的成本、体积和重量。
文档编号G08C23/06GK101266264SQ200710179730
公开日2008年9月17日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者马永健 申请人:北京利德华福电气技术有限公司