大功率变流装置的光纤通信系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种大功率变流装置的光纤通信系统。变流装置由多层串联含IGBT逆变器若干功率单元组成。每功率单元内故障检测直接或通过单元STM32与单元FPGA连接。主控系统有中央数据控制器CDC和层控制器MASTER,两者用高速同步串口SPI连接,均放在主板上。层控制器与单元FPGA间用两根光纤双向传输,均有专用通信串口,且均设有独立实时监测通信状态,防通信中断,IGBT损坏。用纯硬件通信,可靠性高。CDC?MASTER架构支持级联结构,成本低。故障信息添加到单元专用串口通信的每个数据帧,与其通信的层控制器可以实时控制旁路该层所有功率单元，保证故障及时排除。测试结果:通信可靠、速度高、同步性好。用于大功率高压变频器、光伏逆变器、无功功率补偿器等。
【专利说明】
大功率变流装置的光纤通信系统
技术领域
[0001 ] 一种变流装置光纤通信系统，属于电子功率器件IGBT控制系统中光传输驱动IGBT逆变器的系统，属基本电子电路脉冲技术类(H03K)。
【背景技术】
[0002 ]变流装置是由含有电子功率器件IGBT (绝缘栅双极性晶体管)的功率单元的装置。这里变流装置包括变频器、逆变器、无功补偿器等。功率单元包括主回路和控制系统。通过控制系统控制主回路中IGBT实现功率单元的各种功能。现有主控制系统与功能单元间的信号传输方式有:I)输出输入接口直接连接的直接数据传输，对于高压大功率变频器，此种方式易受干扰，导致变频器工作不正常。2)用光纤隔离传输，此种方式抗干扰能力强。
[0003]对大功率变流装置，为了减小高压变频器输出谐波，避免采用昂贵的滤波器，高电压变频器采用级联结构，即每相由多个功率单元串联形成高压。
[0004]现有的多层级联结构大功率变流装置光纤通信的可靠性是保证正常运行的重大问题。例如:当通信中断，驱动信号丢失，对光伏逆变器，并网电流骤增，甚至烧毁功率单元；对高压变频器，输出电压波形不平衡，严重时因功率单元直流母线电压过压烧毁IGBT。
[0005]如何满足大功率变流装置在信息传输中同步控制、故障检测处理等不受干扰、可靠运行，显然则必须开发新的可靠的传送系统。
【发明内容】
[0006]本实用新型提供的大功率变流装置的光纤通信系统，其目的就是解决现有变流装置控制系统与功率单元或IGBT间的信号传输不能满足大功率、长距离的可靠性要求。
[0007]技术方案如下:
[0008]大功率变流装置的光纤通信系统，包括:变流装置每个功率单元内含IGBT逆变器的主回路;每个功率单元控制部分包括:故障检测电路、脉宽测量电路、驱动电路;并有控制全部功率单元的主控系统;其特征是
[0009]在每个功率单元控制部分设一片单元FPGA5(FPGA为芯片现场可编逻辑阵列)、一片单元STM32 6(STM32为单片机规格)，两者间用高速同步串口6.1直接连接。所述故障检测电路中:母线过压检测电路4.1首端接主回路直流母线电压D端，输出端一路接单元STM32
6、另一路接单元FPGA 5。温度检测电路4.3输出端直接接单元STM32 6。桥臂状态检测电路4.2首端接主回路桥臂中点，输出端接单元FPGA 5。
[0010]主控系统9内包括中央数据控制器9A和变流装置每一层的层控制器9B;中央数据控制器由一片第一单片机STM32 9Ai和一片第一FPGA 9A2组成;层控制器9B由一片第二FPGA组成。中央数据控制器和各层控制器之间均通过高速同步串口 9C直接连接。且中央数据控制器、各层层控制器及相连的层光纤发送器9.2和层光纤接收器9.1均设在同一主板上。
[0011]单元FPGA5与层控制器间信息传输的光纤线路7采用两根光纤:第一根光纤7.1—端连接与单元FPGA5相接的光纤发送器5.1，另一端连接与层控制器相连的层光纤接收器9.1。第二根光纤7.2—端连接与层控制器连接的层光纤发送器9.2，另一端连接与单元FPGA5相连接的光纤接收器5.2。单元FPGA5内有单元专用通信串口层控制器内有专用通信串口 9D。
[0012]上述单元FPGA5和层控制器均独立设有如下通信状态检测:通信状态检测采用硬件描述语言HDL编写，当层控制器在每一个PWM周期中没有收到单元FPGA5的通信数据，设置相应存储器为0，并通知同层其他功率单元旁路；当单元FPGA5在每一个PWM周期没有收到层控制器的数据，则该单元FPGA5直接控制驱动电路8对桥臂进行停机保护。
[0013]上述单元FPGA5内的单元专用通信串口5D，它可将故障信息添加到串口通信数据帧的每一字节中。
[0014]本实用新型有益效果:
[0015]I)本实用新型光纤通信系统从整体上看是采用纯硬件实现。首先，避免用软件程序跑飞，通信可靠性高。且采用了芯片现场可编逻辑阵列FPGA，无法破解。
[0016]2)采用中央数据控制器9A(CDC)和多个层控制器9B(MASTER)连接的结构(即CDC-MASTER架构)。该架构通过增加层控制器可以非常容易地扩展系统容量。层控制器采用普通易于购买的FPGA芯片，使高压变频器成本低。
[0017]3)中央数据控制器与层控制器间用高速同步串口 9C(SPI)，保证数据帧同步，通信可靠性高。
[0018]4)层控制器与单元FPGA5有独立实时通信状态监测，在通信中断的条件下，立即启动保护措施，避免通信中断IGBT损坏或者输出波形畸变。
[0019]5)单元FPGA5采用单元专用通信串口 5D，专用通信串口 5D可以将故障信息添加到与层控制器9B通信数据帧的每一字节中。为此，方便层控制器9B实时查看功率单元状态，当功率单元发生故障，层控制器可以立即控制旁路该层所有功率单元，保证高压变频器还可以正常输出。另一方面，也在一定程度上防止非原厂的山寨配件使用。
[0020]6)测试结果表明:系统通信速度高，同步性好。从⑶C(中央数据控制器9A)到SLAVE(单元FPGA5)数据传输时间20uS (层控制器帧长度为9字节)。⑶C和SLAVE定时器误差最大为2个时钟周期(时钟频率40MHz，两边各一个时钟共0.05uS)，当载波周期10uS时，误差为万分之5，下行数据延迟为O个PffM,上行数据延迟为I个PWM。
【附图说明】
[0021 ]图1本实施例级联高压变频器系统总示意图。说明:I)图1中线上三条斜短线表示3根线。线上两条斜短线表示2根线。2)图1中每相仅画出了两个串联功率单元。
[0022]图2本实施例级联高压变频器一个功率单元电路及框图(主回路为电路图，控制部分为框图)。
[0023]图3本实施例级联高压变频器主控系统9、单元FPGA5及两者间光纤通信系统及组成框图。
【具体实施方式】
[0024]大功率变流装置光纤通信系统。
[0025]本实施例变流装置为级联高压变频器。用于驱动变频电机M，如火电厂风机的驱动变频电机。
[0026]见图1，在级联高压变频器中每相均串接多个〈功率单元〉而形成高压。图1中仅画出两个串联〈功率单元〉。见图1、图2通过W^W2两端头串联。三相中每相最大电压端A2、B2、C2为负载变频电机M的电源端。三相交流市电In经过移相变压器向各〈功率单元〉提供移相后三相交流电I。见图2，每个功率单元内主回路包括:移相后三相交流电1、整流电路2、全桥IGBT逆变器3 ο每个功率单元控制部分包括:故障检测电路、脉宽测量电路4、驱动电路8、在远处的主控系统9。见图1，主控系统9设在功率单元外的主控板上。
[0027]本实施例级联高压变频器的光纤通信系统特征是:
[0028]I)见图2，在每个功率单元控制部分设一片单元FPGA 5(FPGA为芯片现场可编逻辑阵列)、一片单元STM32 6，两者间用高速同步串口 6.1( SPI)直接连接。所述故障检测电路中:母线过压检测电路4.1首端接主回路直流母线电压D端，输出端一路接单元STM32、另一路接单元FPGA 5。温度检测电路4.3输出端直接接单元STM32 6。桥臂状态检测电路4.2首端接主回路桥臂中点Aa、Ab，输出端接单元FPGA 5。
[0029]见图3，主控系统9内包括中央数据控制器9A和每一层的层控制器9B。图3中画出了两层层控制器9B。中央数据控制器由一片第一单片机STM32 9Ai和一片第一FPGA 9A2组成。每一层的层控制器9B由一片第二 FPGA组成。中央数据控制器和各层控制器之间均通过高速同步串口 9C(SPI)直接连接。且中央数据控制器9A、各层层控制器9B及相连的各层层光纤发送器9.2和层光纤接收器9.1均设在同一主板9上。SPI的通信传输速度为33.3Mbit/s。层控制器9B分两种型号:0: 3HB、1: 3FB。其中，3HB是指三相半桥。3FB是指三相全桥。
[0030]图3中画出了两层层控制器9B。每层层控制器9B与三个单元FPGA55通信连接。见图3，每个单元FPGA 5与层控制器9B间信息传输的光纤线路7采用两根光纤:第一根光纤7.1一端连接光纤发送器5.1，通过光纤发送器5.1与单元FPGA 5连接；另一端与主板上的层光纤接收器9.1连接;通过层光纤接收器9.1与层控制器9B连接。第二根光纤7.2—端连接主板上的层光纤发送器9.2，通过层光纤发送器9.2与层控制器9B连接；另一端连接光纤接收器5.2，通过光纤接收器5.2与单元FPGA 5连接。单元FPGA5内有单元专用通信串口 5D，层控制器内有专用通信串口 9D。
[0031 ] 一般，第一根光纤7.1是由单元FPGA 5发送状态数据;第二根光纤7.2是由层控制器9B向单元FPGA 5传输指令信号。光纤通信传输速度为12.5Mb i t/s。
[0032]2)见图3，单元FPGA 5和层控制器9B均独立设有如下通信状态检测:通信状态检测采用硬件描述语言HDL进行，当层控制器在每一个PffM周期中没有收到单元FPGA5的通信数据，设置相应存储器为0，并通知同层其他功率单元旁路；当单元FPGA5在每一个PWM周期没有收到层控制器的数据，则通过驱动电路8对桥臂进行停机保护。
[0033]3)见图2，见图3，故障发生，由故障检测电路将故障信息输入到单元FPGA5，单元FPGA5内单元专用通信串口将故障信息添加到串口通信数据帧的每一字节中。
[0034]工作过程:以故障处理为例描述控制和光纤通信系统工作过程。
[0035]I)见图2，当某功率单元发生故障时，故障检测4.1-4.3产生故障信息，母线过压检测4.1和温度检测4.3故障信息通过单元STM32 6最后传递到单元FPGA 5;桥臂状态检测4.2故障信息直接传递给单元FPGA 5。
[0036]3)见图3，单元FPGA 5—方面根据故障信息对功率单元采取相应的保护措施，另一方面将故障信息添加到单元FPGA 5的串口通信的每个数据帧中。
[0037]4)见图3，单元FPGA 5按以下时序将数据发送给光纤发送器5.1:①发送2字节无效数据。②发送帧头。③发串口数据。④发送帧尾。⑤发送无效数据。(按这种时序发送的效果:①专用的帧头、帧尾，没有帧头帧尾的数据丢弃，抗干扰性强。②通信同步速度快，层主控制器与单元FPGA 5之间通信同步时间小于3us。③可防止山寨配件使用。
[0038]5)见图3，光纤发送器5.1将接受到的电信号转换为光信号，由第一根光纤线7.1传输到主板上层光纤接收器9.1。层光纤接收器将光信号转换为电信号，发送给层控制器9B。
[0039]6)见图3，层控制器接受到故障信息后，一方面将此信息通过9C(SPI)传递给中央数字控制器9A发出排除故障步骤；另一方面通过主板上的同层中其它所有层光纤发送器
9.2将电信号转换为光信号发射，由第二根光纤线7.2传输到同层中其它所有光纤接收器
5.2。(层光纤发送器9.2发射时序与上述光纤发送器5.1时序相同)。
[0040]7)见图3，同层中其它所有光纤接收器5.2，将光信号转换为电信号，将故障信号传递给故障所在层的其他所有单元FPGA 5。
[0041]8)见图2，该层各单元FPGA5进行与上述某故障功率单元同样的故障排除步骤。
【主权项】
1.大功率变流装置的光纤通信系统，包括:变流装置中，每个功率单元内含IGBT逆变器的主回路;每个功率单元控制部分包括:故障检测电路、脉宽测量电路、驱动电路;并有控制全部功率单元的主控系统;其特征是: . 1)在每个功率单元控制部分设一片单元FPGA(5)、一片单元STM32(6)，两者间用高速同步串口(6.1)直接连接，所述故障检测电路中:母线过压检测电路(4.1)首端接主回路直流母线电压D端，输出端一路接单元STM32 (6)、另一路接单元FPGA(5);温度检测电路(4.3)输出端直接接单元STM32(6);桥臂状态检测电路(4.2)首端接主回路桥臂中点，输出端接单元FPGA(5)； .2)主控系统(9)内包括中央数据控制器(9A)和变流装置每一层的层控制器(9B);中央数据控制器由一片第一单片机STM32(9A1)和一片第一FPGA(9A2)组成;层控制器(9B)由一片第二FPGA组成；中央数据控制器和各层控制器之间均通过高速同步串口(9C)直接连接；且中央数据控制器、各层层控制器及相连的层光纤发送器(9.2)和层光纤接收器(9.1)均设在同一主板上； . 3)单元FPGA(5)与层控制器间信息传输的光纤线路(7)采用两根光纤:第一根光纤(7.1)—端连接与单元FPGA(5)相接的光纤发送器(5.1 )，另一端连接与层控制器相连的层光纤接收器(9.1);第二根光纤(7.2)—端连接与层控制器连接的层光纤发送器(9.2)，另一端连接与单元FPGA(5)相连接的光纤接收器(5.2);单元FPGA(5)内有单元专用通信串口GD)，层控制器内有专用通信串口(9D)。
【文档编号】H04B10/25GK205647244SQ201521066187
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年12月19日
【发明人】蒋小春
【申请人】蒋小春