一种气体离心机中频电源同步装置的制作方法

本发明属于铀同位素离心法分离领域，应用于离心机大功率igbt-pwm整流逆变型中频电源技术，其中也包括了中频电源的相关功率变换、变流、电力电子等领域的先进技术。

背景技术：

气体离心机供电采用一台中频电源带若干台离心机负载的方式，该技术的溯源是由俄罗斯引进的离心工程而来，从俄方引进的离心工程配套俄产中频电源，该类中频电源由于采用相控整流、逆变技术，谐波高、效率比较低，并且功率小，所带的离心机数量少(≯2000台)。随着国产离心工程的建设需要，离心机专用中频电源也研制成功并得到实际应用，目前应用于工程的离心机中频电源采用igbt-pwm整流逆变技术，该电源单位功率因数高、谐波污染很小、效率高。

以上种类的中频电源在运行过程中都是以独立方式运行，没有实现同步并机功能(同步并机功能定义：多台中频电源通过一种独立于电源本身之外的同步信号发生装置，能输出同频率1550hz、同相位的三相交流电380v，实现电源输出端直接连接、共同带负载、自动均流等功能的统称，以下简称同步功能)。

随着离心级联设计规模的增大，要求单台中频电源所带的离心机数量也要增加，如果还采用独立运行方式，当发生一台中频电源故障时，另一台中频电源需要带增加一倍的负载，一方面要求电源容量增大，另一方面负载切换产生扰动，会发生低频振荡，对离心机安全运行产生影响。若实现同步功能，则能有效解决以上诸多问题，也能适应更大规模的离心工程对离心机中频电源的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种气体离心机中频电源同步装置，一方面，提出了离心机大功率中频电源同步运行的方式；另一方面解决单台中频电源相互备用时负载切换扰动大、产生低频振荡的技术难题，提高离心机中频供电的可靠性，为以后设计更大规模的离心工程提供技术条件。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种气体离心机中频电源同步装置，应用于离心机大功率igbt-pwm整流逆变型中频电源技术，包括单台同步信号发生装置和同步冗余控制装置：

(1)单台同步信号发生装置

该装置包括外部光纤板、外部光电转换电路、n路光纤、n个变频器；每个变频器包括主控板、内部光电转换电路、主控制器dsp、功率开关器件；

外部光纤板定时产生同步脉冲，经过外部光电转换电路将同步脉冲的电信号转换为光信号，作为公共同步信号经过n路光纤到达n个变频器的主控板；n个变频器的主控板上的内部光电转换电路将光信号变为电信号后，由主控制器dsp接收，dsp的内部epwm模块产生pwm电压信号，作为统一的pwm脉冲时间基准来控制功率开关器件的开通和关断；

epwm模块内部计数器始终从初始值计数至周期设定值，生成相应的pwm方波；在外部同步信号synci未到来之前epwm模块内部计数器始终保持正常计数；当检测到有效synci信号后，epwm模块内部计数器计数值重新从初始值开始计数，改变当前pwm脉冲的占空比，使下一个pwm信号从同一时间基准上重新同步；

各个变频器的epwm模块在接收到公共同步信号后一起动作，从而保证系统中的所有变频器都从同一时间基准上重新同步，输出频率和相位均一致的pwm电压波形。

(2)同步冗余控制装置

该装置由三台同步信号发生器组成，互为冗余，每台同步信号发生器就是一个光纤电路板；

采用三块光纤电路板作为光纤信号冗余备份，光纤电路板1作为主模块，光纤电路板2和光纤电路板3作为从属模块，每一块光纤电路板均向n个变频器输出一致的光纤同步信号；

同时每块光纤电路板作为系统的一个通讯节点，通过can总线与并联系统中的其他节点通讯进行信息交互；

各模块产生的同步脉冲同时也通过光纤传给其他模块，将内部时间的校准，使三块同步板发出的同步信号随时保持一致，输出时序一致的同步脉冲。

进一步的，如上所述的一种气体离心机中频电源同步装置，单台同步信号发生装置中，变频器的主控制器dsp采用ti公司的数字信号处理器tms320f28335。

进一步的，如上所述的一种气体离心机中频电源同步装置，同步冗余控制装置中，每台同步信号发生器有外部电源采用冗余直流供电方式供电。

进一步的，如上所述的一种气体离心机中频电源同步装置，同步冗余控制装置中，三块同步板中光纤电路板1与光纤电路板2互为热备份，光纤电路板3作为检修备份。

进一步的，如上所述的一种气体离心机中频电源同步装置，同步冗余控制装置中，各变频器主控板自适应的选择相应端口的信号，保持同步信号始终不间断。

本发明技术方案的有益效果在于：

(1)该发明技术的应用，填补了国内同类技术的空白；

(2)采用分布式冗余并联控制技术，使中频电源可以冗余备份，带电接入和退出并联系统，采用分布式控制，各变频器在系统中的地位均等，无主从区分，当某一变频器产生故障或者停机时，不影响整个电源系统正常工作，真正实现冗余并联运行；

(3)运用负载电流反馈均流控制，当变频器投入到并联系统后，通过均流电流环作用，迅速产生对应控制指令，自适应地将负载功率重新分配，使输出电流迅速平衡，达到抑制变频器之间的交流环流，均分负载功率的目的；

(4)通过接入外部光纤同步信号，使各变频器接收同一同步信号，产生统一的同步相位基准，输出频率和相位一致的电压波形，避免变频器因相位不一致导致强烈的电流冲击及输出波形失真。同时采用多块光纤板冗余备份，保证同步信号始终存在和一致，增加系统运行的安全稳定性；

(5)通过构建先进的工业现场总线can，作为并联系统的内部信息交互通道，利用“控制通过网络”(controlthroughnetwork)的思想，采取分布式网络结构，将并联系统网络控制体系中控制环的各种信息，包括控制量采样，pwm控制信号输出等环节，通过网络在各节点之间传输和交换，实现对整个并联系统的监控、控制。

该项发明的经济效益包括两部分，第一部分节约了工程所需中频电源的数量，以1000吨分离功/年规模的生产线工程节约中频电源6套(6×150万元＝900万元)，第二部分节约了动力电缆和工程安装费等，具有良好的经济效益。。

附图说明

图1为同步信号发生原理图。

图2为epwm模块在外部同步信号作用下的pwm生成原理图。

图3为光纤同步信号冗余控制结构框图。

图中：1外部光纤板、2外部光电转换电路、3光纤、4变频器、5光纤电路板。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。

如图1和图3所示，本发明一种气体离心机中频电源同步装置，应用于离心机大功率igbt-pwm整流逆变型中频电源技术，包括单台同步信号发生装置和同步冗余控制装置：

(1)单台同步信号发生装置

该装置包括外部光纤板、外部光电转换电路、n路光纤、n个变频器；每个变频器包括主控板、内部光电转换电路、主控制器dsp、功率开关器件；

外部光纤板定时产生同步脉冲，经过外部光电转换电路将同步脉冲的电信号转换为光信号，作为公共同步信号经过n路光纤到达n个变频器的主控板；n个变频器的主控板上的内部光电转换电路将光信号变为电信号后，由主控制器dsp接收，dsp的内部epwm模块产生pwm电压信号，作为统一的pwm脉冲时间基准来控制功率开关器件的开通和关断；

在本实施例中，变频器的主控制器dsp采用ti公司的数字信号处理器tms320f28335。

epwm模块内部计数器始终从初始值计数至周期设定值，生成相应的pwm方波；在外部同步信号synci未到来之前epwm模块内部计数器始终保持正常计数；当检测到有效synci信号后，epwm模块内部计数器计数值重新从初始值开始计数，改变当前pwm脉冲的占空比，使下一个pwm信号从同一时间基准上重新同步；

各个变频器的epwm模块在接收到公共同步信号后一起动作，从而保证系统中的所有变频器都从同一时间基准上重新同步，输出频率和相位均一致的pwm电压波形。

(2)同步冗余控制装置

该装置由三台同步信号发生器组成，互为冗余，每台同步信号发生器就是一个光纤电路板；

采用三块光纤电路板作为光纤信号冗余备份，光纤电路板1作为主模块，光纤电路板2和光纤电路板3作为从属模块，每一块光纤电路板均向n个变频器输出一致的光纤同步信号；

同时每块光纤电路板作为系统的一个通讯节点，通过can总线与并联系统中的其他节点通讯进行信息交互；

各模块产生的同步脉冲同时也通过光纤传给其他模块，将内部时间的校准，使三块同步板发出的同步信号随时保持一致，输出时序一致的同步脉冲。

在本实施例中，每台同步信号发生器有外部电源采用冗余直流供电方式供电。三块同步板中光纤电路板1与光纤电路板2互为热备份，光纤电路板3作为检修备份。各变频器主控板自适应的选择相应端口的信号，保持同步信号始终不间断。

本发明铀同位素分离领域气体离心机中频电源系统一种同步装置在504c-ⅰ工程中已经实施应用。

1.确定同步并联运行的中频电源数量

该实施方案中选择了5台400kw离心机中频电源为一组，其核心为400kwigbt-pwm整流逆变型离心机大功率变频器，构成中频电源子系统，各变频器通过输入变压器接入电网，将三相工频电压整流成直流后，由逆变输出中频电压，经过各自的输出断路器连接到公共负载，实现电源并联系统。公共光纤同步信号由外部光纤板发出，并通过冗余备用为各变频器提供一致且不间断的同步信号。每个电源子系统均可作为一个智能节点看待，运用先进的工业现场总线can将各子系统的控制量和开关量进行信息交互，can总线从各个节点接收的数据可汇总到上位机服务器，可以对整个电源系统进行智能调度和控制。采用分布式结构，使各电源子系统在整个系统中的地位均等，无主次之分。整个并联系统由各个子系统有机组成，避免了某个子系统过载或者轻载的情况，实现对负载功率的均分。

2.实施效果测试

2.1测试环境

1)中频电源：

2)负载：

3)测试内容：

4)测试记录工具：

泰克(tektronix)公司的tds3014b型和tds3012b型示波器，p5100型高压探头，a621型电流探头。

日本横河电机(yokogawa)公司的示波记录仪dl850v。主要用于数据测量和记录。

2.2信号同步测试

为了测试同步信号，变频器输出断路器始终保持断开处于空载状态。测试信号为变频器输出交流中频电压信号。

2.3两台中频电源并联均流测试

将两台中频电源并联，输出端接4800台离心机负载。第一台先启动后，等待输出稳定后，将第二台启动开始自动均流调节，最终达到电流平衡，实现功率均分。

2.4测试结论

通过以上实验可以总结出：

1)通过外部光纤板形成的公共同步信号，使并联变频器组获得统一的相位基准，从而使各自输出pwm信号达到完全同步，避免了并联系统因相位不一致导致的强烈的电流冲击及输出波形失真。

2)通过分布式网络控制算法和内部电流环均流控制算法，实现了变频器带电接入和退出并联系统的“即插即用”功能，完成了两组变频器和三组变频器并联均流实验，验证了中频电源并联系统的实际可行性。

3)通过电阻负载突变的实验，可以看出中频电源并联系统对负载具有较强适应性，可以很快跟随负载变化，满足实际变频器在带离心机负载时的实际工况要求。

该发明从根本上改变了气体离心机供电采用单台中频电源带若干台离心机负载的方式，具有创新性，填补了国内同类技术的空白，解决了当一台中频电源发生故障时，另一台中频电源需要带增加一倍的负载而产生的负载切换扰动、低频振荡等诸多技术难题。除此之外，随着以后生产规模的不断扩大，核燃料生产线建设项目的不断增多，该发明所创造的经济效益将更加可观，同时在该领域中建立了具有我国自主知识产权的行业标准,为后续的工程设计提供理论依据。