專利名稱：檢測無網(wǎng)側(cè)電抗器高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測電網(wǎng)電壓相位的方法，具體地說，本發(fā)明涉及一種 用于檢測與無網(wǎng)側(cè)電抗器、具有能量回饋功能的功率單元串聯(lián)多電平型高壓 變頻器相連的三相電網(wǎng)電壓相位的方法。
技術(shù)背景隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻器作為節(jié)能降耗的主要手段，在國 民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如冶金、石化、供水、電力等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并 發(fā)揮著越來越重要的作用。在諸多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器中，圖1所示的功率單元串聯(lián)多電平型高 壓變頻器，由于其電壓輸出能力強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小，對(duì)電機(jī)輸出電壓 的dv/dt小，成為高壓變頻器的最主流和最優(yōu)的形式之一。在功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于需要電氣制動(dòng) 的負(fù)載，如大慣量風(fēng)機(jī)、礦井提升機(jī)、軋鋼機(jī)等，在被控電機(jī)制動(dòng)時(shí)需要將 其制動(dòng)能量從負(fù)載側(cè)反饋至電網(wǎng)側(cè)。為了使功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻 器具有能量回饋功能，每個(gè)功率單元的控制芯片必須要能夠精確地檢測其網(wǎng) 側(cè)電壓的相位，控制其網(wǎng)側(cè)電流。為了使每個(gè)功率單元能夠精確地檢測其網(wǎng)側(cè)電壓的相位，以便控制功率單元內(nèi)的可控整流橋逆變，將制動(dòng)能量回饋至電網(wǎng)；也為了使每個(gè)功率單元 的網(wǎng)側(cè)電感值相同且已知，降低控制程序的難度，如圖l所示，在現(xiàn)有技術(shù) 中，通常在每個(gè)功率單元1的網(wǎng)側(cè)與三相多副邊繞組變壓器2的副邊繞組之 間增設(shè)一個(gè)三相低壓網(wǎng)側(cè)電抗器3。在具有能量回饋功能的功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器內(nèi)安裝如此多 的低壓網(wǎng)側(cè)電抗器將顯著地增加變頻器的體積、重量和成本。為了減小上述高壓變頻器的體積和重量，降低其制造成本，本發(fā)明人經(jīng) 過潛心研究開發(fā)了一種無網(wǎng)側(cè)電抗器的、具有能量回饋功能的功率單元串聯(lián) 多電平型高壓變頻器，如圖2所示。在研制的過程中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)取 消了每個(gè)功率單元1網(wǎng)側(cè)與變壓器2副邊繞組之間的網(wǎng)側(cè)電抗器后，各功率 單元的電網(wǎng)側(cè)即為其可控整流橋部分的電源輸出側(cè)，該處電壓為功率單元可 控整流橋部分的輸出電壓而非電網(wǎng)電壓，各功率單元的控制部分無法測量電網(wǎng)電壓的相位和幅值，因此，各控制單元的控制部分無法進(jìn)行控制算法的計(jì) 算，也就無法控制構(gòu)成整流橋的各個(gè)幵關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷，無法實(shí)現(xiàn)能量 的回饋。 發(fā)明內(nèi)容鑒于上述原因，本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測與無網(wǎng)側(cè)電抗器、具有 能量回饋功能的功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器相連的三相電網(wǎng)電壓相 位的方法。為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下的設(shè)計(jì)方案 一種檢測高壓變頻器電 網(wǎng)電壓相位的方法，它包括以下步驟A、 變頻器主控制系統(tǒng)直接對(duì)變頻器高壓側(cè)輸入電壓進(jìn)行檢測并處理；B、 將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號(hào)通過光纖傳輸給各功率單元的控制芯片；C、 各功率單元控制芯片根據(jù)從光纖接收到的電網(wǎng)相位信息，進(jìn)行控制算法 的計(jì)算，對(duì)其直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行獨(dú)立的控制。具體步驟如下首先，由變頻器主控制系統(tǒng)將檢測到的變頻器高壓輸入側(cè)電壓即電網(wǎng)電壓， 通過模擬比較器進(jìn)行過零比較，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同相的方波；然后，通過鎖相環(huán)芯片進(jìn)行鎖相，得到一個(gè)穩(wěn)定的方波輸出，這個(gè)方波與電 網(wǎng)電壓的相位對(duì)應(yīng)；再將這個(gè)方波通過光纖發(fā)送至各個(gè)功率單元；最后，各個(gè)功率單元收到這個(gè)光纖信號(hào)后，各功率單元的控制芯片通過計(jì)算 方波的頻率和相位得到電網(wǎng)電壓的相位，利用該值對(duì)各自的直流母線電壓和網(wǎng) 側(cè)電流進(jìn)行獨(dú)立的精確控制。


圖1為帶有網(wǎng)側(cè)電抗器的具有能量回饋功能的功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖2為無網(wǎng)側(cè)電抗器的具有能量回饋功能的高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖； 圖3為本發(fā)明采用硬件鎖相環(huán)鎖相電網(wǎng)電壓相位的原理框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，并非對(duì)本發(fā)明的限定。為了檢測與無網(wǎng)側(cè)電抗器具有能量回饋功能的功率單元串聯(lián)多電平型高壓200710179730. 2說明書第3/4頁變頻器相連的電網(wǎng)電壓相位，本發(fā)明通過變頻器主控制系統(tǒng)4直接對(duì)變頻器高壓側(cè)輸入電壓進(jìn)行檢測，然后，將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號(hào)通過光纖5傳 輸給各功率單元的控制芯片；各功率單元控制芯片根據(jù)從光纖接收到的電網(wǎng)相 位信息，進(jìn)行控制算法的計(jì)算，對(duì)其直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行獨(dú)立的控制。本發(fā)明主控制系統(tǒng)采用硬件鎖相方式檢測電網(wǎng)電壓的相位，具體方法如下-首先，由變頻器主控制系統(tǒng)將檢測到的變頻器高壓輸入側(cè)電壓即電網(wǎng)電壓， 通過模擬比較器進(jìn)行過零比較，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同相的方波；然后，通過鎖相環(huán)芯片進(jìn)行鎖相，得到一個(gè)穩(wěn)定的方波輸出，這個(gè)方波與 電網(wǎng)電壓的頻率相同，相位相差固定的角度，如0度、15度等等；再將這個(gè)方波通過光纖發(fā)送至各個(gè)功率單元；最后，各個(gè)功率單元收到這個(gè)光纖信號(hào)后，各功率單元的控制芯片通過測 量方波的頻率和相位得到電網(wǎng)電壓的頻率和相位，利用該值對(duì)各自的直流母線 電壓和網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行獨(dú)立的精確控制。具體方法是各功率單元的控制芯片通 過在方波信號(hào)的整周期內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘源信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)得到方波信號(hào)的周期和頻 率,這一頻率在數(shù)值上等于電網(wǎng)電壓的頻率；通過在方波信號(hào)的上升沿或者下降沿對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘源計(jì)數(shù)器的值迸行標(biāo)定得到方波信號(hào)的相位，這一相位與電網(wǎng)電 壓的相位在數(shù)值上相等或相差一個(gè)常數(shù)。控制芯片將通過這一方法檢測到的電 網(wǎng)電壓的頻率和相位代入控制算法，對(duì)其直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行獨(dú)立的 精確控制。圖3為本發(fā)明主控制系統(tǒng)采用硬件鎖相方式檢測與處理電網(wǎng)電壓相位的原 理框圖。如圖所示，主控制系統(tǒng)將變頻器高壓輸入側(cè)的某一相電壓經(jīng)過電阻分 壓后，得到與之相位相同、大小成正比的低壓信號(hào)；將該低壓信號(hào)通過施密特 觸發(fā)器芯片進(jìn)行硬件過零比較，得到與之相位相同的方波信號(hào)；將此方波信號(hào) 經(jīng)光耦隔離后傳輸給鎖相環(huán)芯片，例如CD4046芯片，得到硬件鎖相后的方波 信號(hào)，該信號(hào)與電網(wǎng)電壓相位對(duì)應(yīng)，當(dāng)檢測到的電網(wǎng)電壓受到干擾時(shí)，該信號(hào) 相對(duì)平穩(wěn)；將該信號(hào)通過光纖驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，通過光纖發(fā)送至各個(gè)功 率單元。各功率單元接收到該光纖信號(hào)后，先將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出給功率單元 內(nèi)微處理器芯片，功率單元內(nèi)的微處理器芯片對(duì)此電信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)時(shí)即可 得到電網(wǎng)電壓的周期和頻率，對(duì)此電信號(hào)的邊沿進(jìn)行采樣即可得到電網(wǎng)電壓的 相位。此外，還有一些其他的方法，如主控制系統(tǒng)根據(jù)釆樣到的電網(wǎng)電壓數(shù)值，直接計(jì)算電網(wǎng)電壓相位，通過光纖送至功率單元、主控制系統(tǒng)將采樣到的電網(wǎng) 電壓數(shù)值直接通過光纖發(fā)至功率單元，由功率單元自行計(jì)算其相位等等，由于 篇幅所限不能枚舉。
這些方法的共同點(diǎn)是主控制系統(tǒng)對(duì)變頻器高壓側(cè)輸入電壓(即三相電網(wǎng) 電壓)進(jìn)行檢測，然后，將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號(hào)通過光纖發(fā)送至各個(gè) 功率單元。由于一般高壓側(cè)電網(wǎng)電壓的波形和穩(wěn)定性都是比較好的，與功率單
元的可控整流橋部分的輸出電壓的解耦特性也較好，因此這類方法有效的解決 了取消網(wǎng)側(cè)電抗器后，電網(wǎng)電壓相位測量的問題。
本發(fā)明的有益效果是使無網(wǎng)側(cè)電抗器的具有能量回饋功能的高壓變頻器 在取消了網(wǎng)側(cè)電抗器后，仍可以高性能地可靠運(yùn)行，從而大大地降低了變頻器 的成本、體積和重量。
權(quán)利要求
1、一種檢測無網(wǎng)側(cè)電抗器高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特征在于它包括以下步驟A、變頻器主控制系統(tǒng)直接對(duì)變頻器高壓側(cè)輸入電壓進(jìn)行檢測并處理；B、將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號(hào)通過光纖傳輸給各功率單元的控制芯片；C、各功率單元控制芯片根據(jù)從光纖接收到的電網(wǎng)相位信息，進(jìn)行控制算法的計(jì)算，對(duì)其直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行獨(dú)立的控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測無網(wǎng)側(cè)電抗器高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方 法，其特征在于所述步驟A進(jìn)一步包括以下步驟A、變頻器主控制系統(tǒng)將檢測到的變頻器高壓輸入側(cè)電壓通過模擬比較器 進(jìn)行過零比較，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同相的方波；A2、通過鎖相環(huán)芯片進(jìn)行鎖相，得到一個(gè)穩(wěn)定的方波輸出，這個(gè)方波與電 網(wǎng)電壓的相位對(duì)應(yīng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測無網(wǎng)側(cè)電抗器高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方 法，其特征在于所述步驟B是指將包含有電網(wǎng)電壓相位信息的所述方波通過 光纖發(fā)送至各個(gè)功率單元。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測無網(wǎng)側(cè)電抗器高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方 法，其特征在于所述步驟C中各功率單元的控制芯片通過計(jì)算方波的頻率和 相位得到電網(wǎng)電壓的相位；具體方法是各功率單元接收到該光纖信號(hào)后，先將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出給功率單元內(nèi)微處理器芯片；功率單元內(nèi)的微處理器芯片對(duì)此電信號(hào)的周期進(jìn)行計(jì)時(shí)即可得到電網(wǎng)電壓 的周期和頻率，對(duì)此電信號(hào)的邊沿進(jìn)行采樣即可得到電網(wǎng)電壓的相位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測無網(wǎng)側(cè)電抗器高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，具體方法如下首先，由變頻器主控制系統(tǒng)將檢測到的變頻器高壓輸入側(cè)電壓即電網(wǎng)電壓，通過模擬比較器進(jìn)行過零比較，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同相的方波；然后，通過鎖相環(huán)芯片進(jìn)行鎖相，得到一個(gè)穩(wěn)定的方波輸出；再將這個(gè)方波通過光纖發(fā)送至各個(gè)功率單元；各個(gè)功率單元收到這個(gè)光纖信號(hào)后，通過計(jì)算方波的頻率和相位得到電網(wǎng)電壓的相位。本發(fā)明使無網(wǎng)側(cè)電抗器的具有能量回饋功能的高壓變頻器在取消了網(wǎng)側(cè)電抗器后，仍可以高性能地可靠運(yùn)行，從而大大地降低了變頻器的成本、體積和重量。
文檔編號(hào)G08C23/06GK101266264SQ200710179730
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者馬永健 申請(qǐng)人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司