專利名稱：檢測高壓變頻器電網(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)，對電網(wǎng)的諧波污染小，對電機(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)電感值相同且己知，降低控制程序的難度，如圖1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)開關(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，其特征在于它是通過變頻器主控制系統(tǒng)直接對變頻器高 壓側(cè)輸入電壓進(jìn)行檢測并處理；然后，將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號通過光纖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)電壓相位信息，進(jìn)行控制算法的計(jì)算。艮卩，本發(fā)明采用軟件鎖相方法對電網(wǎng)電壓相位進(jìn)行檢測與處理的，具體方法如下1、 首先，由變頻器主控制系統(tǒng)檢測并采樣變頻器高壓輸入側(cè)電壓即電網(wǎng)電 壓，經(jīng)過軟件鎖相環(huán)鎖相后，得到電網(wǎng)電壓的相位；2、 然后，將電網(wǎng)電壓相位的數(shù)值轉(zhuǎn)換成串行信號，通過光纖發(fā)送至各個(gè)功 率單元；3、 各功率單元收到上述串行信號后，將其轉(zhuǎn)換為并行信號，傳送給功率單 元內(nèi)的控制芯片，進(jìn)行控制算法計(jì)算。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。


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)明主控制系統(tǒng)采用軟件鎖相環(huán)鎖相電網(wǎng)電壓相位的原理框圖； 圖4為本發(fā)明主控制系統(tǒng)采用的軟件鎖相環(huán)算法框圖；圖5為本發(fā)明主控制系統(tǒng)采用軟件鎖相環(huán)鎖相功率單元解碼光纖信號的原理框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，并非對本發(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 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通過光纖5傳輸給各功率單元1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)采用軟件鎖相方法對電網(wǎng)電壓相位進(jìn)行檢測與處理，具 體方法如下1、 首先，由變頻器主控制系統(tǒng)檢測并采樣變頻器高壓輸入側(cè)電壓即電網(wǎng)電 壓，經(jīng)過軟件鎖相環(huán)鎖相后，得到電網(wǎng)電壓的相位；2、 然后，將電網(wǎng)電壓相位的數(shù)值轉(zhuǎn)換成串行信號，通過光纖發(fā)送至各個(gè)功 率單元；3、 各功率單元收到上述串行信號后，將其轉(zhuǎn)換為并行信號，傳送給功率單 元內(nèi)的控制芯片，進(jìn)行控制算法(如矢量控制)計(jì)算。由于對于某些控制算法，精確知道電網(wǎng)電壓的幅值有助于提高控制的動(dòng)態(tài)性 能，因此可以通過軟件算法計(jì)算出電網(wǎng)電壓的幅值，與相位信號一同進(jìn)行并行-串行轉(zhuǎn)換，通過光纖發(fā)送至各個(gè)功率單元。圖3為本發(fā)明主控制系統(tǒng)采用軟件鎖相方法檢測和處理電網(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)三相電壓(即電網(wǎng)電壓) 經(jīng)過電阻分壓后，得到與之相位相同、大小成正比的三相低壓信號，經(jīng)過隔離 運(yùn)放芯片(例如IS0124芯片)的隔離和放大，得到可供A/D采樣器采樣的三 相電壓信號；A/D采樣器對這組信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，交由主控制系統(tǒng)中的微 處理器迸行軟件鎖相環(huán)計(jì)算，得到較為平穩(wěn)的電網(wǎng)電壓的幅值和相位，再通過 并行-串行轉(zhuǎn)換器，將電網(wǎng)電壓的相位數(shù)值轉(zhuǎn)換成為串行信號，通過光纖驅(qū)動(dòng)器 最終轉(zhuǎn)換成為光信號后，通過光纖傳輸給各個(gè)功率單元。圖4為本發(fā)明軟件鎖相環(huán)的一種實(shí)現(xiàn)方式。如圖所示，首先，主控制系統(tǒng)微 處理器將A/D采樣器模數(shù)轉(zhuǎn)換后的三相電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值經(jīng)過直角坐標(biāo)系—極 坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)變換，得到極坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值，即電網(wǎng)電壓的幅值和 相位的瞬時(shí)值；然后，將電網(wǎng)電壓的幅值瞬時(shí)值通過低通濾波器濾波后，得到相對穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓幅值，發(fā)送至并行-串行轉(zhuǎn)換器；將電網(wǎng)電壓的相位瞬時(shí)值與軟件鎖相環(huán)相位輸出瞬時(shí)值之差，作為鎖相環(huán)的相位控制誤差，傳輸給比例-積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)；再將調(diào)節(jié)器的輸出與預(yù) 先設(shè)定的電網(wǎng)頻率基準(zhǔn)值(在中國為50Hz)相加，得到當(dāng)前鎖相環(huán)的頻率；將 鎖相環(huán)頻率進(jìn)行積分即得到鎖相后的電網(wǎng)電壓相位，然后將此相位的數(shù)值發(fā)送 至并行-串行轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而與濾波后的電網(wǎng)電壓幅值一起通過光纖發(fā)送至各個(gè)功 率單元。圖5為各個(gè)功率單元對接收到的光纖信號進(jìn)行解碼的原理框圖。如圖所示， 各個(gè)功率單元接收到光纖信號后，通過光電轉(zhuǎn)換器將其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到串行 的電信號，該信號包含電網(wǎng)電壓的幅值信息和相位信息；再將該信號經(jīng)過串行-并行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，得到并行的電網(wǎng)電壓幅值信號和相位信號；功率單元上的 微處理器芯片(即功率單元的控制芯片)從串行-并行轉(zhuǎn)換器上取出這兩個(gè)信號 后，將其帶入可控整流器控制算法的計(jì)算程序，進(jìn)行精確的計(jì)算。還有一種等效的方法是主控制系統(tǒng)直接將采樣到的三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值通過并行-串行轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成串行信號，再通過光纖發(fā)送至每個(gè)功率單元上。上 述軟件鎖相環(huán)程序由各個(gè)功率單元上的微處理器芯片負(fù)責(zé)執(zhí)行。上述軟件鎖相環(huán)的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算精確，當(dāng)檢測到的電網(wǎng)電壓信號受到干擾 時(shí)，其輸出的電網(wǎng)電壓幅值與電網(wǎng)電壓相位相對平穩(wěn)，最終使得各個(gè)功率單元 的可控整流橋工作平穩(wěn)。此外，還有一些其他的方法，如主控制系統(tǒng)根據(jù)采樣到的電網(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，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通過光纖發(fā)送至各個(gè)功 率單元。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、一種檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特征在于它是通過變頻器主控制系統(tǒng)直接對變頻器高壓側(cè)輸入電壓進(jìn)行檢測并處理；然后，將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號通過光纖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)電壓相位信息，進(jìn)行控制算法的計(jì)算。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特征在于所述變頻器主控制系統(tǒng)檢測并采樣變頻器高壓輸入側(cè)電壓，經(jīng)過軟件鎖相環(huán)鎖相后，得到包含電網(wǎng)電壓相位的信息。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特征在 于.-所述軟件鎖相是指主控制系統(tǒng)微處理器將采樣到的三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值經(jīng) 過直角坐標(biāo)系》極坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)變換，得到極坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值，即 電網(wǎng)電壓的幅值和相位的瞬時(shí)值；然后，將電網(wǎng)電壓的幅值瞬時(shí)值通過低通濾波器濾波后，得到相對穩(wěn)定的電 網(wǎng)電壓幅值，發(fā)送至并行-串行轉(zhuǎn)換器；將電網(wǎng)電壓的相位瞬時(shí)值與軟件鎖相環(huán)相位輸出瞬時(shí)值之差，作為鎖相環(huán)的 相位控制誤差，傳輸給比例-積分調(diào)節(jié)器；再將調(diào)節(jié)器的輸出與預(yù)先設(shè)定的電網(wǎng) 頻率基準(zhǔn)值相加，得到當(dāng)前鎖相環(huán)的頻率；將鎖相環(huán)頻率進(jìn)行積分即得到鎖相 后的電網(wǎng)電壓相位，然后將此相位的數(shù)值發(fā)送至并行-串行轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而與濾波 后的電網(wǎng)電壓幅值一起通過光纖發(fā)送至各功率單元。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特 征在于所述變頻器主控制系統(tǒng)將包含電網(wǎng)電壓相位的數(shù)值轉(zhuǎn)換成串行信號， 再通過光纖驅(qū)動(dòng)器最終轉(zhuǎn)換成為光傳號后，通過光纖傳輸給各個(gè)功率單元。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特征在于所述各功率單元收到上述串行信號后，將其轉(zhuǎn)換為并行信號，傳送給功率單元內(nèi)的控制芯片，進(jìn)行控制算法計(jì)算。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，其特征在 于所述各功率單元接收到光纖信號后，通過光電轉(zhuǎn)換器將其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得 到串行的電信號，該信號包含電網(wǎng)電壓的相位信息；再將該信號經(jīng)過串行-并行 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，得到并行的包含電網(wǎng)電壓相位的信號；功率單元上的微處理器 芯片從—串行-并行轉(zhuǎn)換器上取出該信號后，將其帶入包含控制算法的計(jì)算程序， 進(jìn)行精確的計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測高壓變頻器電網(wǎng)電壓相位的方法，它是通過變頻器主控制系統(tǒng)直接對變頻器高壓側(cè)輸入電壓進(jìn)行檢測并處理；然后，將包含電網(wǎng)電壓相位信息的信號通過光纖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)電壓相位信息，進(jìn)行控制算法的計(jì)算。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。
文檔編號G01R25/00GK101266265SQ20071017973
公開日2008年9月17日 申請日期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 申請人:北京利德華福電氣技術(shù)有限公司