[发明专利]大功率变流装置的智能功率单元及控制方法

摘要

大功率变流装置的智能功率单元及控制方法。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。功率单元设单元现场可编逻辑阵列FPGA,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,并按规定时序发射实现抗干扰性强、保证故障响应的实时性。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。

主权项

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(7)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输出接口G1、G2；⑤设上述R42＝R41；R44＝R47；R43＝R46﹤﹤(R43+R45+R46)；C41﹥﹥C42；  (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)。