一种级联型高压变频器的控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种级联型逆变器的控制系统，包括级联型电压源逆变器，级联型电压源逆变器内设置多个功率单元，其特征在于：所述各功率单元分别通过控制光纤与现场可编程门阵列相连，所述现场可编程门阵列与主控ＣＰＵ相连。本实用新型专利技术采用一片现场可编程门阵列作为ＰＷＭ控制脉冲发生器，采用软件编程方式设计，比常用的方法成本低、开发周期短、硬件可靠性高。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种级联型逆变器控制系统，尤其涉及一种具有记忆输出功能和 后备故障处理功能的级联型逆变器控制系统，属于中高压电动机变频调速装置领域。
技术介绍
级联型高压变频器已经成为高压变频器领域的一类重要产品，由于其输入、输出 波形谐波含量少，以及其模块化设计，已经在高压大功率调速场合获得了广泛的应用。但 是，一方面由于其功率模块众多，其控制系统比较复杂；另一方面，级联型高压变频器大多 用在重要设备的驱动场合，对其控制系统的可靠性要求较高。级联型高压变频器采用功率单元串联的方式获得高压输出，每个功率单元采用模 块化设计，可以互相替换，区别在于控制每个功率单元的PWM信号不同，即载波移相控制。 由于功率单元数量较多，因而需要主控系统提供较多的PWM控制信号。以6级/6kV级联变 频器为例，每一相包含有6个功率单元，三相共18个功率单元，需要主控系统提供18路PWM 控制信号，而DSP —般最多只能提供12路PWM信号，因而级联型变频器需要解决功率单元 控制信号的产生问题。级联型高压变频器的控制系统产生PWM信号的方式主要有基于计时芯片方式和 基于复杂可编程逻辑器件(CPLD或FPGA)方式。采用计时芯片方式，由DSP完成正弦调制波和三角载波的比较，产生PWM控制波 形，利用计时芯片实现PWM信号的移相，需要较多的计时芯片，以10级级联变频器控制系统 为例，主控系统需要20片计时芯片，增加了控制系统成本和电路板面积，同时当DSP故障 时，系统必须停机，可靠性不高。基于复杂可编程逻辑器件(CPLD或FPGA)方式，有两种控制方式1)DSP完成正弦调制波和三角载波的比较，输出高低电平的持续时间给可编程逻 辑器件，利用可编程逻辑器件的计时功能实现PWM信号的移相；2)DSP输出调制正弦波信号给可编程逻辑器件，利用可编程逻辑器件的计时功能 产生经过移相的各路三角载波，并与正弦调制波比较，输出各路PWM控制信号。相对于采用 计时芯片的方式，这两种方式都实现了减少芯片数量和电路板面积的目标，但仍然无法解 决DSP故障时系统停机的问题。并且采用CPLD时，受逻辑单元数量的限制，一般也需要三 片甚至更多CPLD芯片。本技术对于以上的问题，进行了有益的改进。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种简单、可靠、 实用、灵活的级联型变频器控制系统。本技术所要解决的另一个技术问题在于提供一种具有记忆输出功能和后备 故障处理功能的级联型变频器控制系统。 3为了解决上述存在的问题，本技术采用以下技术方案一种级联型逆变器的控制系统，包括级联型电压源逆变器，级联型电压源逆变器 内设置多个功率单元，其特征在于所述各功率单元分别通过控制光纤与现场可编程门阵 列(FPGA)相连，所述现场可编程门阵列与主控CPU相连。前述的级联型高压变频器控制系统，其特征在于所述主控CPU为数字信号处理 器(DSP)。如上所述的级联型逆变器的控制系统，其特征在于所述的级联型电压源逆变器， 采用功率单元移相串联的电路拓扑，所述功率单元为绝缘栅双极型晶体管的电压源型逆变 器单元。前述的级联型高压变频器控制系统，其特征在于所述可编程门阵列包括以下各 功能单元CPU状态监视器用于接收主控CPU向FPGA定时发送的状态脉冲信号，判断主控 CPU的工作状态；状态存储器用于存储变频器的故障状态、旁路状态和运行频率信息；双口 RAM 用于接收并保存主控CPU发送的三相调制波信号数据，供FPGA读取并 进行比较以产生PWM控制脉冲；同时主控CPU可通过双口 RAM读取FPGA中的状态存储器的 fn息；正弦波地址发生器接收运行频率信息和主控CPU的状态信息；接收到CPU状态 异常信号后，根据运行频率信息产生地址，从双口 RAM中读取数据进入缓存；三角波发生器根据状态存储器内的故障信息和旁路信息，产生不同相位的多路 三角载波信号，并输入比较器；缓存用于从双口 RAM中读取数据；比较器比较缓存中的调制波信号与三角载波信号，产生控制功率单元功率开关 通断的SPWM信号；通讯信号转换器接收后备故障处理器的控制，将比较器产生的并行SPWM信号转 换为适合光纤发送的串行信号。一种级联型逆变器的控制方法，包括以下步骤数字信号处理器(DSP)发送用于 控制电压源逆变器的三相调制波信号数据；现场可编程门阵列(FPGA)接收数字信号处理 器(DSP)发送的调制波信号数据，并和不同相位的三角载波进行比较产生PWM控制脉冲；如上所述的一种级联型逆变器的控制方法，所述数字信号处理器(DSP)用于PWM 控制算法的实施和事务处理(控制逻辑、故障处理等)；现场可编程门阵列(FPGA)用于产 生多路三角载波信号，并通过调制波和三角载波的比较产生电压源逆变器的PWM控制信 号，记忆输出功能和后备故障处理功能也在FPGA中实现。如上所述的一种级联型逆变器的控制方法，所述记忆输出功能是当数字信号处 理器(DSP)短时退出运行时(如死机)，现场可编程门阵列(FPGA)锁存接收到的调制波信 号数据，继续将三角载波和锁存的调制波进行比较产生PWM控制脉冲，从而实现变频器在 DSP短时退出时变频器保持原状态继续稳定运行；当数字信号处理器(DSP)复位正常后，读 取现场可编程门阵列(FPGA)的状态寄存器，根据当前变频器运行状态由数字信号处理器 (DSP)继续产生三相调制波信号，保证数字信号处理器(DSP)的“无缝切换”；4如上所述的一种级联型逆变器的控制方法，后备故障处理功能是在DSP正常工 作状态下，故障处理由数字信号处理器(DSP)执行，现场可编程门阵列(FPGA)将变频器故 障状态存储在状态寄存器中；当数字信号处理器(DSP)短时退出运行时，由现场可编程门 阵列(FPGA)对变频器故障进行处理，从而保证在DSP短时退出时变频器系统的运行安全。本技术与现有技术相比具有如下优点1、本技术采用一片现场可编程门阵列(FPGA)作为PWM控制脉冲发生器，采用 软件编程方式设计，比常用的方法成本低、开发周期短、硬件可靠性高；2、采用记忆输出功能后，当DSP短时退出时，变频器系统可保持原状态继续运行 而不需停机，大大提高了系统的可靠性；3、采用后备故障处理功能后，保证了系统在DSP退出期间变频器的基本保护，提 高系统自身的安全性。附图说附图说明图1为级联型电压源逆变器主电路图；图2为现场可编程门阵列(FPGA)记忆输出功能与后备故障处理功能原理图；图3为后备故障处理功能原理图。具体实施方式以下结合附图与具体实施方式对本技术作进一步描述如图1所示的本技术的级联型高压变频器的控制系统，包含了数字信号处理 器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)，两者接口如图1所示。本技术中PWM控制脉冲的产生过程如下1)系统上电后首先初始化，数字信号处理器(DSP)获取目标频率、起始频率以及 升频、降频曲线；可编程门阵列(FPGA)初始化其三角波发生器，设置各路三角载波初始相 位和幅值。2)数字信号处理器(DSP)负责控制算法的实现，计算出所需的三相调制波信号 Mx (ρ代表不同相位a、b、c)，并通过总线送入现场可编程门阵列(FPGA)。由数字信号处理器 (DSP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联型逆变器的控制系统，包括级联型电压源逆变器，级联型电压源逆变器内设置多个功率单元，其特征在于：所述各功率单元分别通过控制光纤与现场可编程门阵列相连，所述现场可编程门阵列与主控ＣＰＵ相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：霍利杰，李冰，胡炫，张俊成，钱诗宝，
申请(专利权)人：国电南京自动化股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：84[中国|南京]