專利名稱：：一種單元串聯(lián)高壓變頻器的單元旁路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型屬于電力電子
技術(shù)領(lǐng)域：
。更具體是一種單元串聯(lián)式高壓變頻器的單元旁路裝置，適用于任何類似單元串聯(lián)裝置。
背景技術(shù)：
：隨^:高壓變頻器在電力、冶金、石油、化工等關(guān)系重大場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用，對(duì)高壓變頻器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提出了更高的要求?，F(xiàn)階段高壓變頻器主電路普遍采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，有著諧波小、單元可互換、可批量生產(chǎn)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，然而某一個(gè)或幾個(gè)功率單元在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)變頻器不能正常運(yùn)行，甚至跳機(jī)，使得高壓變頻器的工作可靠性大大降低，不僅給生產(chǎn)安全帶來(lái)了極大的隱患，同時(shí)也會(huì)給用戶帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。采用功率單元旁路裝置，當(dāng)單元發(fā)生故障時(shí)，有效地將故障單元切除，調(diào)整無(wú)故障單元工作狀態(tài)，使得高壓變頻器能夠繼續(xù)運(yùn)行，大大提高了高壓變頻器的運(yùn)行可靠性和安全性?，F(xiàn)在大多數(shù)高壓變頻器采用的旁路電路由設(shè)置在單元輸出旁邊的二極管整流橋和晶閘管或其他類似的電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成(此處整流橋并非傳統(tǒng)意義上的整流作用，而是給電流提供雙向?qū)ㄍǖ?，該整流橋的交流輸入兩端與單元輸出相連，直流輸出兩端與晶閘管相連。當(dāng)單元發(fā)生故障時(shí)，封鎖逆變橋的驅(qū)動(dòng)脈沖，同時(shí)觸發(fā)晶閘管，使得單元所在相的相電流經(jīng)二極管整流橋和晶閘管所組成的旁路流過(guò)，此時(shí)故障單元被旁路切除，該旁路裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，維護(hù)方便，然而存在以下問(wèn)題一，當(dāng)單元功率開(kāi)關(guān)器件IGBT控制脈沖被封鎖或功率單元輸出電壓為零電平時(shí)，旁路裝置中的晶閘管兩端電壓為零，此時(shí)若控制IGBT使得功率單元輸出有電平，功率單元的直流電壓會(huì)直接加在晶閘管的陰陽(yáng)兩極，使得晶閘管承受了超過(guò)其耐受能力的，^，易導(dǎo)致其誤導(dǎo)通，引發(fā)功率單元的短路故障。二，由于旁路裝置和功率單元裝置均由電子式開(kāi)關(guān)器件組成，具有同類型產(chǎn)品共同的缺陷，如當(dāng)過(guò)電壓時(shí)某一裝置的燒損而另一裝置也極有可能在同一環(huán)境中燒損，使得整個(gè)系統(tǒng)可靠性降低。三，當(dāng)前旁路大多由單元控制板控制，當(dāng)單元控制板發(fā)生故障時(shí)，該單元即不能正常工作，也無(wú)法被單元控制板控制旁路。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型目的是在于提供一種單元串聯(lián)高壓變頻器的單元旁路裝置，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠安全可靠地旁路切除故障單元，消除其他類型的旁路系統(tǒng)誤導(dǎo)通和拒導(dǎo)通的隱患。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是旁路裝置主要包括主電路控制板、旁路集中控制板、旁路接觸器、隔離變壓器以及旁路控制程序。所述的旁路集中控制板分別與主電路控制板、隔離變壓器一次側(cè)相連；隔離變壓器二次測(cè)與旁路接觸器相連，旁路接觸器同時(shí)與相對(duì)應(yīng)的功率單元相連。所述主電路控制板為基于一種芯片(如FPGA、DSP、ARM或單片機(jī))的嵌入式系統(tǒng)，或同等運(yùn)算處理能力的控制系統(tǒng)，它與其他輔助設(shè)備通訊，負(fù)責(zé)整個(gè)變頻器控制信號(hào)的處理和輸出，其中包括旁路信號(hào)的處理和輸出。主電路控制板從故障單元接受到故障信號(hào)，判斷是否需要旁路，需要時(shí)將旁路控制信號(hào)以通訊方式發(fā)送到旁路集中控制板，另外旁路集中控制板反饋接觸器狀態(tài)信號(hào)到主電路控制板，主電路控制板和旁路集中控制板采用光纖串口通訊方式，但實(shí)際不局限于光纖通訊，光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)是將旁路集中控制板和主電路控制板實(shí)施電氣隔離，減小了兩板之間電氣干擾。傳統(tǒng)的旁路是由單元控制板實(shí)施旁路控制動(dòng)作，而本實(shí)用新型采用獨(dú)立的旁路集中控制板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，且解決了因功率器件故障導(dǎo)致的單元控制板失電或單元控制板本身故障而不能有效切除的問(wèn)題。旁路集中控制板主要由光電轉(zhuǎn)換芯片，控制芯片，驅(qū)動(dòng)芯片，繼電器構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換芯片一端通過(guò)光纖與主電路控制板相連，另一端與控制芯片相連。使用兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換芯片，一個(gè)接受主電路控制板的光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送至控制芯片，另一個(gè)將控制芯片的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)傳輸至主電路控制板?？刂菩酒鶕?jù)主控發(fā)送來(lái)的信號(hào)負(fù)責(zé)判斷所需旁路單元的名稱，然后將旁路控制信號(hào)輸出到與所需旁路單元相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片信號(hào)輸出端與本身相對(duì)應(yīng)的繼電器控制端相連，旁路集中控制板上的繼電器輸出作為旁路集中控制板的控制輸出與相應(yīng)的隔離變壓器一次側(cè)相連，隔離變壓器二次側(cè)與相應(yīng)的旁路接觸器的控制線圈相連。旁路接觸器有兩個(gè)通道，常閉接點(diǎn)通道和常開(kāi)接點(diǎn)通道，常閉接點(diǎn)通道與相應(yīng)的單元輸出串聯(lián)，常開(kāi)接點(diǎn)通道與相應(yīng)的單元輸出并聯(lián)。旁路集中控制板與接觸器通過(guò)隔離變壓器相連，不僅可以調(diào)整電壓使得控制電壓與接觸器的控制線圈所需電壓相匹配，而且使得旁路集中控制板與接觸器等高壓器件有電氣隔離，保證了旁路集中控制板的安全工作。整個(gè)旁路裝置采用行之有效的控制程序，確保故障單元安全可靠地被旁路切除。步驟如下A:單元故障信號(hào)傳遞到主電路控制板，主電路控制板判斷是否需要切除故障單元，當(dāng)需要切除時(shí)，先保存當(dāng)前變頻器輸出電壓幅值f/。和頻率F。，以備故障單元成功切除后變頻器恢復(fù)正常輸出時(shí)使用。B:根據(jù)"=丄，^^，為防止接觸器動(dòng)作過(guò)程中的操作過(guò)電壓，切斷主回路電流，主電路控制板立即封鎖全部單元的功率開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，然后再發(fā)送故障單元的旁路信號(hào)到旁路集中控制板，使得故障單元對(duì)應(yīng)的接觸器動(dòng)作。C:等待一定時(shí)間(具體時(shí)間由所選的接觸器而定，一般可選為200ms400ms)，旁路接觸器動(dòng)作完成，旁路集中控制板發(fā)送相應(yīng)的接觸器動(dòng)作完成狀態(tài)信號(hào)至主電路控制板。之后主電路控制板立即進(jìn)入準(zhǔn)備重新發(fā)送各個(gè)單元功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的狀態(tài)。D:為消除重新發(fā)送脈沖后高壓變頻器輸出電壓與電機(jī)負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)不一致引起的沖擊電流，主電路控制板必須先采集電機(jī)定子端由于電機(jī)剩磁和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，包括頻率F和幅值U，根據(jù)所采集的電機(jī)反電勢(shì)重新發(fā)送IGBT控制信號(hào)，并使變頻器逐漸恢復(fù)到單元旁路前時(shí)的輸出工作狀態(tài)，即輸出電壓幅值"。和頻率F0。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)以接觸器作為旁路裝置，提高了旁路設(shè)備的耐壓水平，避免其他旁路裝置存在的誤導(dǎo)通和拒導(dǎo)通的隱患。采用獨(dú)立的旁路集中控制板集中控制，維護(hù)方便，控制簡(jiǎn)單，提高了旁路的安全性和可靠性。圖h—種單元串聯(lián)高壓變頻器的單元旁路裝置示意圖圖2:旁路集中控制板示意圖圖3:高壓變頻器單元旁路控制流程圖圖4:高壓變頻器驅(qū)動(dòng)負(fù)載示意圖具體實(shí)施方式如圖l所示，功率單元9主要由熔斷器8A，8B，8C,整流二極管7A，7B，7C，7D，7E，7F，濾波電容6，功率開(kāi)關(guān)器件5A，5B，5C，5D構(gòu)成。六個(gè)整流二極管構(gòu)成三相全波整流橋，三相交流電源經(jīng)過(guò)熔斷器與整流橋的輸入端連接。整流橋的輸出端與濾波電容6組成的電容器組并聯(lián)。4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件(如IGBT)構(gòu)成H型逆變橋，逆變橋的輸入端與濾波電容器6組成的電容器組相連，輸出端與旁路接觸器4相連。功率單元9作為單元串聯(lián)式高壓變頻器基本單元，其結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段已被廣泛采用，技術(shù)亦相當(dāng)成熟。本實(shí)用新型所述旁路裝置l由旁路集中控制板2，隔離變壓器3，旁路接觸器4以及主電路控制板10組成。主電路控制板10為基于一種控制芯片(如FPGA、DSP、ARM或單片機(jī))的嵌入式系統(tǒng)，或具有同等運(yùn)算處理能力的控制系統(tǒng)，它與其他輔助設(shè)備通訊，負(fù)責(zé)整個(gè)變頻器控制信號(hào)的處理和輸出，其中包括旁路信號(hào)的處理和輸出。主電路控制板10從故障單元接受到故障信號(hào)，判斷是否需要旁路，需要時(shí)將旁路控制信號(hào)以通訊方式發(fā)送到旁路集中控制板2，另外旁路集中控制板2反饋接觸器狀態(tài)信號(hào)到主電路控制板，主電路控制板10和旁路集中控制板2可采用光纖串口通訊方式或其他通訊方式，本實(shí)用新型采用光纖通訊，但實(shí)際不局限于光纖通訊，光纖通訊的優(yōu)點(diǎn)是將旁路集中控制板2和主電路控制板10實(shí)施電氣隔離，減小了兩板之間電氣千擾。傳統(tǒng)的旁路電路是由單元控制板實(shí)施旁路控制動(dòng)作，而本系統(tǒng)采用獨(dú)立的旁路集中控制板2，如圖2所示，旁路集中控制板2由光電轉(zhuǎn)換芯片12A、12B，控制芯片13(如FPGA)，驅(qū)動(dòng)芯片14A、14B、14C、14D，繼電器15A、15B、15C、15D構(gòu)成。光電轉(zhuǎn)換芯片12A、12B的一端通過(guò)與之相對(duì)應(yīng)的光纖IIA、11B與主電路控制板10相連，光電轉(zhuǎn)換芯片12A、12B的另一端與控制芯片13相連。使用兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換芯片12A、12B，光電轉(zhuǎn)換芯片12A接受主電路控制板10的光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送至控制芯片13,光電轉(zhuǎn)換芯片12B將控制芯片13的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)傳輸至主電路控制板10?？刂菩酒?3根據(jù)變頻器單元數(shù)目設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的控制輸出端，根據(jù)主電路控制板IO發(fā)送來(lái)的信號(hào)控制芯片13負(fù)責(zé)判斷所需旁路單元，然后將旁路控制信號(hào)從所需旁路單元相應(yīng)的輸出端輸出到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片14A、14B、14C、14D等，驅(qū)動(dòng)芯片14A、14B、14C、14D等的信號(hào)輸出端與本身相應(yīng)的繼電器15A、15B、15C、15D等控制端相連，旁路集中控制板2上的繼電器15A、15B、15C、15D輸出作為旁路集中控制板2的控制輸出與相應(yīng)的隔離變壓器3的一側(cè)相連(圖中旁路集中控制板可并行輸出控制36個(gè)隔離變壓器，其接線方式和控制方式均相同，圖中19指其他路控制輸出接線端子)。隔離變壓器3的另一側(cè)與相應(yīng)的旁路接觸器4的控制線圈相連。旁路接觸器4有兩個(gè)通道，常閉接點(diǎn)通道和常開(kāi)接點(diǎn)通道，常閉接點(diǎn)通道與相應(yīng)的單元輸出串聯(lián)，常開(kāi)接點(diǎn)通道與相應(yīng)的單元輸出并聯(lián)。旁路集中控制板2與旁路接觸器4通過(guò)隔離變壓器3相連，不僅可以調(diào)整電壓使得控制電壓與接觸器的控制線圈所需電壓相匹配，而且使得旁路集中控制板2與高壓器件旁路接觸器4有電氣隔離，保證了旁路集中控制板2的安全工作。當(dāng)功率單元工作狀態(tài)發(fā)生變化，如從脈沖封鎖或輸出零電平到輸出非零電平變化時(shí)，旁路裝置兩端施加的電壓，4較大，本實(shí)用新型采用旁路接觸器4作為旁路裝置，縱使^4再大，旁路裝置也不會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通，使得單元旁路安全可靠性得到提高。采用旁路集中控制板，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，而且解決了單元因單元控制板故障而不能有效切除的問(wèn)題。同時(shí)給旁路集中控制板配備獨(dú)立的電源供電，避免了單元掉電故障時(shí)，單元不能給旁路控制正常供電工作的情形，從而避免旁路失敗。當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，采用與之相適應(yīng)的控制程序，保證故障單元安全可靠地被旁路切除，旁路控制流程圖如圖3，其控制流程步驟如下A:單元故障信號(hào)傳遞到主電路控制板10，判斷是否需要切除故障單元，當(dāng)需要切除時(shí)，先保存當(dāng)前變頻器輸出電壓幅值C/。和頻率F。，以備故障單元成功切除后變頻器恢復(fù)正常輸出時(shí)使用。B:根據(jù)"=丄，^^,為防止接觸器動(dòng)作過(guò)程中的操作過(guò)電壓，切斷主回路電流，主電路控制板10應(yīng)立即封鎖全部單元的開(kāi)關(guān)器件IGBT的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，然后再發(fā)送故障單元的旁路信號(hào)到旁路集中控制板2，使得故障單元的接觸器4動(dòng)作。C:等待一定時(shí)間(具體時(shí)間由所選的接觸器而定，一般可選為200ms400ms)，旁路接觸器4動(dòng)作完成，旁路集中控制板2發(fā)送相應(yīng)的接觸器3動(dòng)作完成狀態(tài)信號(hào)至主電路控制板7。之后主電路控制板10立即進(jìn)入準(zhǔn)備重新發(fā)送IGBT驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)狀態(tài)。D:如圖4，高壓變頻器16正常工作時(shí)，高壓變頻器16通過(guò)動(dòng)力電纜18與電機(jī)負(fù)載17相連，為消除重新發(fā)送脈沖后高壓變頻器16輸出電壓與電機(jī)負(fù)載17的反電動(dòng)勢(shì)不一致引起的沖擊電流，主電路控制板IO必須先采集電機(jī)定子端由于電機(jī)剩磁和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，包括頻率F和幅值U，根據(jù)所采集的電機(jī)反電勢(shì)重新發(fā)送IGBT控制信號(hào)，并使變頻器逐漸恢復(fù)到單元旁路前時(shí)的輸出工作狀態(tài)，即輸出電壓幅值f/。和頻率F。。采用以上旁路控制程序流程，安全可靠的將故障單元旁路切除，并且電機(jī)負(fù)載所承受的沖擊電流最小，實(shí)現(xiàn)了高壓變頻器的高性能可靠安全運(yùn)行。附表本實(shí)用新型所用到各元器件型號(hào)及廠家:<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>綜上所述，本實(shí)用新型所提出新型單元旁路系統(tǒng)有著過(guò)往以及現(xiàn)在普遍采用方式所不能及的優(yōu)點(diǎn)，為高壓變頻器安全可靠工作打開(kāi)了一扇新的窗戶，開(kāi)拓了單元串聯(lián)高壓變頻器單元旁路新的發(fā)展方向。權(quán)利要求1.一種單元串聯(lián)高壓變頻器的單元旁路裝置，其特征在于旁路裝置(1)包括主電路控制板(10)、旁路集中控制板(2)、隔離變壓器(3)和旁路接觸器(4)，所述的旁路集中控制板(2)分別與主電路控制板(10)、隔離變壓器(3)相連；隔離變壓器(3)的與旁路接觸器(4)相連，旁路接觸器(4)與相對(duì)應(yīng)的功率單元(9)相連。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單元串聯(lián)高壓變頻器的單元旁路裝置，其特征在于旁路集中控制板(2)由光電轉(zhuǎn)換芯片(12A、12B)、控制芯片(13)、驅(qū)動(dòng)芯片(14A、14B、14C、14D)、繼電器(15A、15B、15C、15D)構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換芯片(12A、12B)—端通過(guò)光纖(IIA、11B)與主電路控制板(10)相連，光電轉(zhuǎn)換芯片(12A、12B)另一端與控制芯片(13)相連，光電轉(zhuǎn)換芯片(12A)接受主電路控制板(10)的光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送至控制芯片(13)，光電轉(zhuǎn)換芯片(12B)將控制芯片(13)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)傳輸至主電路控制板(10)，驅(qū)動(dòng)芯片(14A、14B、14C、14D)信號(hào)輸出端與繼電器(15A、15B、15C、15D)控制端相連，旁路集中控制板(2)上的繼電器(15A、15B、15C、15D)輸出為旁路集中控制板(2)的控制輸出與相應(yīng)的隔離變壓器(3)—側(cè)相連，隔離變壓器(3)的另一側(cè)與相應(yīng)的旁路接觸器(4)的控制線圈相連，旁路接觸器(4)有兩個(gè)通道，常閉接點(diǎn)通道和常開(kāi)接點(diǎn)通道，常閉接點(diǎn)通道與單元輸出串聯(lián)，常開(kāi)接點(diǎn)通道與相應(yīng)的單元輸出并聯(lián)，旁路集中控制板(2)與旁路接觸器(4)通過(guò)隔離變壓器(3)相連。專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種單元串聯(lián)高壓變頻器的單元旁路裝置，旁路集中控制板分別與主電路控制板、隔離變壓器相連；隔離變壓器另一端與旁路接觸器相連，旁路接觸器與單元輸出相連。旁路裝置由主電路控制板、旁路集中控制板、隔離變壓器、旁路接觸器構(gòu)成。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠安全可靠地旁路切除故障單元，消除其他類型的旁路系統(tǒng)誤導(dǎo)通和拒導(dǎo)通的隱患，保證了整個(gè)旁路方法安全可靠動(dòng)作。文檔編號(hào)H02M5/44GK201081848SQ20072008646公開(kāi)日2008年7月2日申請(qǐng)日期2007年8月14日優(yōu)先權(quán)日2007年8月14日發(fā)明者松王,王宏英,褚立峰申請(qǐng)人:湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司