大功率变流装置的智能功率单元及控制方法制造方法及图纸

大功率变流装置的智能功率单元及控制方法。用于高压变频器和光优逆变器。变频器为每相布置在多层的多功率单元串联而成。功率单元设单元现场可编逻辑阵列FPGA,单片机单元STM32,两者间用串口SPI连接。母线过压检测、温度测量、有闪烁灯指示的桥臂开路短路状态检测和脉宽测量等接FPGA入口,出口接驱动电路。主控系统为在同一主板上的中央数据控制器和层控制器。它与单元FPGA间用两根光纤实现双向传输。且均有通信状态检测,并按规定时序发射实现抗干扰性强、保证故障响应的实时性。脉宽测量死区补偿按真实波形进行,补偿精度最高,变频电机波形不变、扭矩稳定。测试结果表明:通信速度快、同步性好、可靠性高。性能全面优化智能化时成本低。用于变频电机的驱动电源和光伏逆变器电源。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 (一）
：本专利技术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）
技术介绍
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。 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。 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)
技术实现思路
： 阳〇化]本专利技术提供的，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。 技术方案如下： 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： 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。 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。 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。 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。 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) 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。 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。 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。 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：电流流入桥臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
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三相交流市电(1n)经过移相变压器向各功率单元提供移相后的三相交流电(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(1m)、电容滤波电路(2m)、IGBT三相逆变器(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：1)每个功率单元控制部分设一片现场可编逻辑阵列单元FPGA(5),一片单片机单元STM32(6),两者间用单元高速同步串口SPI(6.1)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；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R1、R2、R3、R4组成母线电压分压电路(4.11),顺次连接运放U1、线性光耦隔离电路(4.12)；然后再分两路连接:一路经截止频率1kHz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；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U2、高速光耦6N137隔离电路(4.22)、有电阻R11和R12的分压电路(4.23)、再接10MHz低通滤波器(4.24),最后接单元FPGA的输入IO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；4)所述故障检测电路设如下的散热器温度测量电路(4.3):顺次连接并联有电容C14的负温度系数热敏电阻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1kHz的低通滤波器(4.34)；最后接单元STM32的输入IO口；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输出接口G1、G2；⑤设上述R42＝R41；R44＝R47；R43＝R46﹤﹤(R43+R45+R46)；C41﹥﹥C42；  (A)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(5D、9D)。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋小春，
申请(专利权)人：蒋小春，
类型：发明
国别省市：四川;51