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大功率变流装置的智能功率单元制造方法及图纸

技术编号:13464456 阅读:92 留言:0更新日期:2016-08-04 18:37
大功率变流装置的智能功率单元。主要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。功率单元设一片现场可编逻辑阵列单元FPGA,一片单片机单元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直接连接的层控制器。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,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】
(一)
:本技术涉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(H02M)。(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1,三相交流市电1n经移相变压器获得移相三相交流电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三相交流电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以满足需求。见图9,光伏逆变器虽然主回路由光伏电池1m、电容滤波电路2m、IGBT三相逆变器3m组成;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以满足发电和并网要求。(三)
技术实现思路
:本技术提供的大功率变流装置的智能功率单元,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亷。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,一片单片机单元STM32,两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FPGA5两个输入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FPGA5输出接口G1、G2;⑤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SPI9C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。上述大功率变流装置的智能功率单元中单元FPGA和层控制器均独立设有通信状态检测,后面结合附图详述。本技术有益效果:1)功率单元集成直流母线电压测量、直流母线过压保护(见图3)、散热器温度测量(见图5),不需要单独的信号采集板,节省了成本。2)功率单元集成桥臂状态检测(见图4),可准确判断桥臂IGBT是否处于开路、短路故障状态。当桥臂IGBT出现开路或者短路时,通过板上的LED灯不同的闪烁状态显示,方便调试工程师快速判断故障并解决问题。3)选用芯片FPGA,计算速度快,适合智能功率单元全方位控制。4)设计的脉宽测量电路和对应死区补偿方法是按真实脉宽波形进行,死区补偿精度最高;保证变频电机波形不变、扭矩稳定。且测量效率高、测量电路电圧稳定。硬件死区补偿方法达世界先进水平。5)主控系统与单元FPGA之间采用的光纤通信系统7及通信方法有如下效果:①光纤通信系统基本是纯硬件实现,避免程序跑飞,通信可靠性高。采用的芯片FPGA,无法破解。②采用中央数据控制器9A和多个层控制器9B直接连接的结构(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。层控制器也采用普通易于购买的FPGA芯片,使高压变频器成本低。③中央数据控制器与层控制器间直接用高速同步串口9C(SPI),保证数据帧同步本文档来自技高网
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【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 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;⑤设上述R42=R41;R44=R47;R43=R46﹤﹤(R43+R45+R46);C41﹥﹥C42;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】
1.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...

【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:新型
国别省市:四川;51

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