一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方法，系統(tǒng)包括：移相變壓器、含3n個相同功率單元的變頻器、光纖接口和控制單元，n≥2且n為整數(shù)，每n個功率單元依次串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型相連后連接電動機；移相變壓器包括3n個副邊繞組，每個副邊繞組接一個功率單元；控制單元通過所述光纖接口連接各個功率單元。方法包括：初始化步驟；更新中斷向量表步驟；開啟看門狗步驟；PWM中斷重復(fù)步驟。本發(fā)明通過多電平PWM控制方式，提供正弦波電流輸出，實現(xiàn)對電動機的優(yōu)質(zhì)控制，配備的控制方法使得高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)高效、準確、有序地運行，從而實現(xiàn)高效率、高功率因素和高可靠性。
【專利說明】一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國家節(jié)能減排政策的推動和我國高壓電動機容量快速增長，高壓變頻器市場迎來了快速發(fā)展期。變頻器安裝于電源與電動機之間，通過改變頻率和輸出電壓自動調(diào)節(jié)電動機的運行速度，從而達到提高用戶電動機系統(tǒng)的運行效率和節(jié)約用電的目的，是目前最理想、最有前途的電機節(jié)能設(shè)備。高壓變頻器屬于重大電氣裝備，是變頻器中的高、精、尖產(chǎn)品，主要用于關(guān)鍵設(shè)備的驅(qū)動、高壓電機的節(jié)能運行和工藝性能的改善，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油化工、機車牽引等。
[0003]拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法的多樣化是高壓變頻器的特點；在眾多拓撲結(jié)構(gòu)中，諸如交一交變頻器、GTO電流源型變頻器、三電平電壓源型變頻器、功率器件串聯(lián)直接高壓二電平電壓源型變頻器等等都存在輸入側(cè)諧波大、輸出諧波大及輸出電壓變化率高等不足。與這些拓撲結(jié)構(gòu)逆變器相比，單元串聯(lián)多電平逆變器具有諧波小、共模電壓小、電壓變化率小、電磁干擾小、開關(guān)頻率低、系統(tǒng)效率高、適合中高壓大容量變頻器應(yīng)用等特點。因此，開發(fā)單元串聯(lián)多電平高壓交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)并推廣應(yīng)用，對我國工業(yè)降低單產(chǎn)能耗具有重大意義，也是本 申請人:一直致力于研究的方向。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種單元串聯(lián)多電平型的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過多電平PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制方式，提供正弦波電流輸出，實現(xiàn)對電動機的優(yōu)質(zhì)控制，大幅節(jié)約電能，并且具有的實時監(jiān)測功能保證了它的正常運行，從而實現(xiàn)高效率、高功率因素和高可靠性。
[0005]本發(fā)明的目的還在于提供了該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法。
[0006]實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明之一的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，接在三相電源和電動機之間，該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)包括移相變壓器、變頻器、光纖接口以及控制單元，其中:
[0008]變頻器，包括3η個相同的功率單元，η≥2且η為整數(shù)；每11個功率單元依次串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型相連后連接所述電動機；
[0009]移相變壓器，包括原邊繞組以及3η個副邊繞組，原邊繞組連接所述三相電源，每個副邊繞組均按照延邊三角形接法連接一個功率單元；
[0010]控制單元，通過所述光纖接口連接各個功率單元，并行地控制各個功率單元，并且實時監(jiān)視變頻器以及各個功率單元的運行狀態(tài)。
[0011]上述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中，所述控制單元包括相互連接的DSP (數(shù)字信號處理)芯片和FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)芯片，F(xiàn)PGA芯片通過所述光纖接口連接各個功率單
J Li ο[0012]上述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中，所述功率單元包括一個保護旁路，用于將發(fā)生故障時的該功率單元旁路。
[0013]上述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中，所述高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)還包括一連接所述控制單元的觸摸屏，用于實現(xiàn)人機交互。
[0014]上述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中，所述η為6。
[0015]本發(fā)明之二的基于上述高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，包括下列步驟:
[0016]步驟SI,初始化所述控制單元；
[0017]步驟S2，更新中斷向量表；
[0018]步驟S3,開啟看門狗；
[0019]步驟S4，開啟PWM中斷進程，根據(jù)中斷向量表所示，所述控制單元采集一個功率單元的信息和變頻器的輸入輸出信息，分析并處理報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，在無報警、故障時或者在消除報警、故障后，計算PWM占空比并發(fā)送給當(dāng)前被控制單元采集信息的功率單元，然后給看門狗喂狗，重復(fù)步驟S4。
[0020]上述的控制方法，其中，所述步驟S4包括下列步驟:
[0021]步驟S401，檢測報警、故障復(fù)位標志位是否有效，如有效，進入步驟S402 ;如無效，進入步驟S403 ；
[0022]步驟S402，報警、故障復(fù)位標志位進行復(fù)位；
[0023]步驟S403，根據(jù)中斷向量表，確定所要采集信息的功率單元；
[0024]步驟S404，采集步驟S403所確定的功率單元的母線電壓、輸出電壓和通訊狀態(tài)，分析該功率單元的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)；
[0025]步驟S405，采集變頻器的輸入電流、輸出電流和輸出電壓，進行數(shù)字濾波，得到各數(shù)字信號；
[0026]步驟S406，讀取步驟S405中得到的各數(shù)字信號，分析變頻器的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)；
[0027]步驟S407，針對步驟S404中功率單元的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)以及步驟S406中變頻器的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，如果存在報警或故障，運行相應(yīng)的處理指令，并進入步驟S408 ;如果不存在報警或故障，進入步驟S409 ；
[0028]步驟S408，檢測運行的處理指令是否有效，如果有效，進入步驟S409 ;如果無效，進入步驟S410 ；
[0029]步驟S409，計算出用于控制步驟S403所確定的功率單元的PWM占空比并傳輸給該功率單元；
[0030]步驟S410，看門狗喂狗，然后進入步驟S401。
[0031]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明之一的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多個功率單元構(gòu)成多重化串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，每個功率單元分別由移相變壓器的一組副邊供電，副邊繞組采用延邊三角形接法，從而達到降低輸入電流諧波的目的；并且，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多電平PWM控制方式，提供正弦波電流輸出，降低了輸出諧波，使得由諧波引起的電動機發(fā)熱、噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低，從而實現(xiàn)對電動機的優(yōu)質(zhì)控制，大幅節(jié)約電能；并且，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有實時監(jiān)測變頻器和各功率單元的運行狀況的功能，加上每個功率單元都配備的保護旁路，保證了它的正常有效運行，從而實現(xiàn)高效率、高功率因素和高可靠性。本發(fā)明之二的控制方法，實現(xiàn)了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的具體控制方式，各具體步驟(尤其具有的報警、故障檢測、處理等步驟)使得高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)高效、準確、有序地運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明之一的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2是本發(fā)明之一的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中功率單元的主電路圖；
[0034]圖3是本發(fā)明之二的控制方法的流程圖；
[0035]圖4是本發(fā)明之二的控制方法中PWM中斷進程的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0037]請參閱圖1，本發(fā)明之一的一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，接在三相電源100和電動機300之間，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)包括移相變壓器1、變頻器2、光纖接口 3以及控制單元4，其中:
[0038]變頻器2包括3n個相同的功率單元21，n≥2且n為整數(shù)(本實施例中，η為6);每η個功率單元21依次串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型相連后連接(輸出供給)電動機300 ;以本實施例為例，n為6，共18個功率單元21，分別為分成三相的單元Al~Α6、單元BI~Β6以及單元Cl~C6 ;單元Al~Α6依次串聯(lián)成的串聯(lián)支路、單元BI~Β6依次串聯(lián)成的串聯(lián)支路以及單元Cl~C6依次串聯(lián)成的串聯(lián)支路各自的一端星型連接，各自的另一端接電動機300，形成多重化串聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)，每個單元輸出固定的低壓電平，再由多個單元串聯(lián)疊加為所需的高壓；
[0039]移相變壓器I包括原邊繞組以及3η個副邊繞組，原邊繞組連接三相電源100，每個副邊繞組均按照延邊三角形接法連接一個功率單元21，給功率單元21供電，從而達到降低輸入電流諧波的目的；
[0040]控制單元4通過光纖接口 3連接各個功率單元21，以多電平PWM控制方式并行地控制各個功率單元21，使得變頻器2輸出正弦波電流，從而實現(xiàn)對電動機300的優(yōu)質(zhì)控制；并且控制單元4實時監(jiān)視變頻器2以及各個功率單元21的運行狀態(tài)，即采集變頻器2的信息(輸入電流、輸出電流和輸出電壓)以及各個功率單元21的信息(母線電壓、輸出電壓和通訊狀況)，并依據(jù)這些信息確定報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，如果存在報警或者故障，由人工排除，運行相應(yīng)處理指令；本實施例中，控制單元4由相互連接的DSP芯片(圖中未示)和FPGA(圖中未示)芯片構(gòu)成實現(xiàn)，F(xiàn)PGA芯片通過光纖接口 3連接各個功率單元21 ；DSP芯片選用型號為 TMS320F28335。
[0041]本實施例中，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)還包括一連接控制單元4的觸摸屏5，用于實現(xiàn)人機交互，實現(xiàn)變頻器2以及各個功率單元21的運行狀態(tài)的顯示，以及用于人工操控；同時，本發(fā)明也可通過遠程通訊協(xié)議來實現(xiàn)遠程操控。
[0042]如圖2所示,本實施例中，功率單元21包括:
[0043]三相整流橋211，由六個二極管Dl至D6構(gòu)成，用于將移相變壓器I的一個副邊繞組提供的交流輸入整流為直流；
[0044]電容組212 (本實施例中為單個電容)，用于存儲由三相整流橋211整流得到的直流電；
[0045]逆變橋213，由四個絕緣柵雙極晶體管Ql至Q4以及兩個電容Cl至C2構(gòu)成，接受控制單元4的控制，將經(jīng)由三相整流橋211得到的直流電或者電容組212存儲的直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵?輸出端為LI和L2);以及
[0046]保護旁路214，由四個二極管D7至DlO以及一個可控硅S構(gòu)成，用于將發(fā)生故障時的該功率單元21旁路，使該功率單元21進入旁通狀態(tài)，而整個變頻器2可以繼續(xù)工作。
[0047]請參閱圖3，本發(fā)明之二的基于本發(fā)明之一高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，包括下列步驟:
[0048]步驟SI,初始化控制單元4，使得控制單元4的各參數(shù)初始化；
[0049]步驟S2，更新中斷向量表；
[0050]步驟S3,開啟看門狗；
[0051]步驟S4,開啟PWM中斷進程,根據(jù)中斷向量表所示,控制單元4采集一個功率單元21的信息和變頻器2的輸入輸出信息，分析并處理報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，在無報警、故障時或者在消除報警、故障后，計算PWM占空比并發(fā)送給當(dāng)前被控制單元采集信息的功率單元21，然后給看門狗喂狗，重復(fù)步驟S4 ；
[0052]請參閱圖4，步驟S4的具體步驟如下:
[0053]步驟S401，檢測報警、故障復(fù)位標志位是否有效，如有效，進入步驟S402 ;如無效，進入步驟S403 ；
[0054]步驟S402，報警、故障復(fù)位標志位進行復(fù)位；
[0055]步驟S403，根據(jù)中斷向量表，確定當(dāng)前所要采集信息的功率單元21 ；
[0056]步驟S404，采集步驟S403所確定的功率單元21的母線電壓、輸出電壓和通訊狀態(tài)，分析該功率單元21的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)；
[0057]步驟S405，采集變頻器2的輸入電流、輸出電流和輸出電壓，進行數(shù)字濾波，得到各數(shù)字信號，進行電參數(shù)安全保護控制，即在各參數(shù)超出閾值時采取相應(yīng)保護控制，防止事故；
[0058]步驟S406，讀取步驟S405中得到的各數(shù)字信號，分析變頻器2的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)；
[0059]步驟S407，針對步驟S404中功率單元21的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，以及步驟S406中變頻器2的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，如果存在報警或故障，運行相應(yīng)的處理指令(人工操作、排除、輸入)，并進入步驟S408 ;如果不存在報警或故障，進入步驟S409 ；
[0060]步驟S408，檢測運行的處理指令是否有效，如果有效，進入步驟S409 ;如果無效，進入步驟S410 ；
[0061]步驟S409，計算出用于控制步驟S403所確定的功率單元21的PWM占空比并傳輸給該功率單元21，實現(xiàn)對其的控制；
[0062]步驟S410，看門狗喂狗，然后進入步驟S401。
[0063]綜上所述，本發(fā)明的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能實現(xiàn)對電動機的優(yōu)質(zhì)控制，大幅節(jié)約電能，并且提供的控制方法能保證系統(tǒng)高效、有序地安全運行，從而實現(xiàn)高效率、高功率因素和高可靠性。
[0064]以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，接在三相電源和電動機之間，其特征在于，該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)包括移相變壓器、變頻器、光纖接口以及控制單元，其中: 變頻器，包括3η個相同的功率單元，η > 2且η為整數(shù)；每η個功率單元依次串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型相連后連接所述電動機； 移相變壓器，包括原邊繞組以及3η個副邊繞組，原邊繞組連接所述三相電源，每個副邊繞組均按照延邊三角形接法連接一個功率單元； 控制單元，通過所述光纖接口連接各個功率單元，并行地控制各個功率單元，并且實時監(jiān)視變頻器以及各個功率單元的運行狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元包括相互連接的DSP芯片和FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片通過所述光纖接口連接各個功率單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述功率單元包括一個保護旁路，用于將發(fā)生故障時的該功率單元旁路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)還包括一連接所述控制單元的觸摸屏，用于實現(xiàn)人機交互。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，所述η為6。
6.一種基于權(quán)利要求1所述高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟SI,初始化所述控制單元； 步驟S2，更新中斷向量表； 步驟S3,開啟看門狗； 步驟S4，開啟PWM中斷進程，根據(jù)中斷向量表所示，所述控制單元采集一個功率單元的信息和變頻器的輸入輸出信息，分析并處理報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，在無報警、故障時或者在消除報警、故障后，計算PWM占空比并發(fā)送給當(dāng)前被控制單元采集信息的功率單元，然后給看門狗喂狗，重復(fù)步驟S4。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步驟S4包括下列步驟: 步驟S401，檢測報警、故障復(fù)位標志位是否有效，如有效，進入步驟S402 ;如無效，進入步驟S403 ； 步驟S402，報警、故障復(fù)位標志位進行復(fù)位； 步驟S403，根據(jù)中斷向量表，確定所要采集信息的功率單元； 步驟S404，采集步驟S403所確定的功率單元的母線電壓、輸出電壓和通訊狀態(tài)，分析該功率單元的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)； 步驟S405，采集變頻器的輸入電流、輸出電流和輸出電壓，進行數(shù)字濾波，得到各數(shù)字信號; 步驟S406，讀取步驟S405中得到的各數(shù)字信號，分析變頻器的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)；步驟S407，針對步驟S404中功率單元的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)以及步驟S406中變頻器的報警狀態(tài)和故障狀態(tài)，如果存在報警或故障，運行相應(yīng)的處理指令，并進入步驟S408 ;如果不存在報警或故障，進入步驟S409 ； 步驟S408，檢測運行的處理指令是否有效，如果有效，進入步驟S409 ;如果無效，進入步驟S410 ；步驟S409，計算出用于控制步驟S403所確定的功率單元的PWM占空比并傳輸給該功率單元； 步驟S410，看門狗喂狗， 然后進入步驟S401。
【文檔編號】H02P27/04GK103795323SQ201210435122
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月2日
【發(fā)明者】陳江洪, 張海燕, 齊亮, 湯雪華, 唐麗嬋, 周吉, 許偉 申請人:上海電氣集團股份有限公司, 上海電機學(xué)院