本实用新型专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
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)。
技术介绍
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:1)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。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。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。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。
技术实现思路
本技术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。技术方案如下: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。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。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7.1一端连接与单元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7.2一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5D,层控制器内有专用通信串口9D。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。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。本技术有益效果：1)本技术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。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。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。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。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。6)测试结果表明:系统通信速度高,同步性好。从CDC(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)。CDC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100uS时,误差为万分之5,下行数据延迟为0个PWM,上行数据延迟为1个PWM。附图说明图1本实施例级联高压变频器系统总示意图。说明:1)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。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)。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。具体实施方式大功率变流装置光纤通信系统。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。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W1、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1n经过移相变压器向各<功率单元>提供移相后三相交流电1。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。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。本实施例级联高压变频器的光纤通信系统特征是：1)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。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 9A1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的通信传输速本文档来自技高网...
【技术保护点】
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)一端连接与单元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)一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(5D),层控制器内有专用通信串口(9D)。...
【技术特征摘要】
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...
【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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