本發(fā)明屬于高壓變頻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的在線故障快速檢測和旁路保護方法。

背景技術(shù)：

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。

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—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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種采用模塊化設(shè)計，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會引起電機的轉(zhuǎn)矩脈動，且有故障在線快速檢測和旁路保護功能的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及其在線故障快速檢測和旁路保護方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的在線故障快速檢測和旁路保護方法，包括在線故障快速檢測方法和旁路保護方法：

在線故障快速檢測方法：

（1）根據(jù)SPWM波形要求，通過雙DSP控制器給予IGBT驅(qū)動電路觸發(fā)信號；

（2）IGBT驅(qū)動電路收到觸發(fā)信號后即時導(dǎo)通IGBT單元，此時IGBT單元為低管壓降即IGBT的正向?qū)妷海?/p>

（3）在DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號的同時，DSP控制器在線實時檢測IGBT單元的輸出信號GPIOB0，若輸出信號GPIOB0為高電平則為正常無故障，若輸出信號GPIOB0為低電平則為有故障；

旁路保護方法：

一旦DSP控制器在線檢測出GPIOB0為低電平，IGBT單元發(fā)生故障，一方面不再向IGBT單元發(fā)驅(qū)動觸發(fā)信號；同時即刻觸發(fā)雙向晶閘管KS，使得與其串聯(lián)的上下級功率單元的SPWM電壓能在此呈現(xiàn)短路通過；為了能異步電機三相電壓對稱工作，同時關(guān)閉同組另二相功率單元。本方法在快速檢測與旁路處理過程中，系統(tǒng)不關(guān)機；

正常工作中，依據(jù)設(shè)置的工作頻率，DSP輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動IGBT1、IGBT4與IGBT2、IGBT3交替工作，獲得交流信號；DSP在GPTOA口發(fā)出驅(qū)動信號同時，通過DSP輸入端GPTOB口檢測相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通與否，如果此時IGBT未導(dǎo)通，說明出了故障，DSP一方面封鎖4個IGBT的驅(qū)動信號，同時DSP GPTOF口輸出信號觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)旁路保護。

進一步的，所述的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在三相電源與異步電機之間，該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)包括移相變壓器、變頻器以及控制單元，其中：

變頻器，包括 3n 個相同的功率單元，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所述異步電機；所述功率單元包括依次連接的整流電路、逆變電路和旁路保護電路，所述整流電路是由多個二極管和電容構(gòu)成的整流橋電路，所述逆變電路是由多個相同的IGBT單元構(gòu)成的逆變器電路，所述旁路保護電路是由多個二極管、雙向晶閘管和觸發(fā)電路構(gòu)成的電路，所述IGBT單元包括驅(qū)動電路、IGBT單元和快速檢測電路；

移相變壓器，包括原邊繞組以及 3n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，包括雙DSP控制器、PLC控制器和人機界面，所述雙DSP控制器與每一個功率單元分別電連接，所述人機界面分別與雙DSP控制器、PLC控制器電連接，所述雙DSP控制器還與所述PLC控制器電連接。

進一步的，所述n為9。

進一步的，所述觸發(fā)電路與所述雙向晶閘管連接，所述觸發(fā)電路采用MOC3061模塊，MOC3061模塊為光電耦合器件，其輸入與輸出采用光電隔離，實現(xiàn)DSP信號對雙向晶閘管的觸發(fā)控制，雙DSP控制器的輸出信號GPIOF0與MOC3061模塊的輸人相連，MOC3061模塊的輸出與雙向晶閘管的輸入相連。

進一步的，所述驅(qū)動電路采用Si8286模塊，實現(xiàn)DSP信號對IGBT的驅(qū)動控制，其內(nèi)部采用容耦隔離，傳輸介質(zhì)為SiO2，以電容形式傳輸高速數(shù)字信號，速率達150Mbps，雙DSP控制器的輸出信號GPIOA口與Si8286模塊的輸人相連，Si8286模塊的輸出與IGBT的輸入相連。

進一步的，所述快速檢測電路包括二極管VD1，二極管VD2，電阻R1，電阻R2和光耦合器件OC，所述光耦合器件內(nèi)的二極管與電阻R1、二極管VD1串聯(lián)后與所述二極管VD2并聯(lián)連接，所述光耦合器件內(nèi)的光敏三極管的集電極連接有電阻R2。

有益效果：本發(fā)明采用模塊化設(shè)計，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會引起電機的轉(zhuǎn)矩脈動，且有故障在線快速檢測和旁路保護功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的單個功率單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的單個IGBT單元結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示的一種具有在線故障快速檢測和旁路保護的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在三相電源與異步電機之間，該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)包括移相變壓器、變頻器以及控制單元，其中：

變頻器，包括 27個相同的功率單元（A1-A9，B1-B9，C1-C9）；每9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異步電機。

如圖2所示，所述功率單元包括依次連接的整流電路、逆變電路和旁路保護電路，所述整流電路是由六個二極管D1-D6和電容C構(gòu)成的整流橋電路，所述逆變電路是由四個相同的IGBT單元構(gòu)成的逆變器電路，所述旁路保護電路是由四個二極管D7-D10、雙向晶閘管KS和觸發(fā)電路構(gòu)成的電路。

所述觸發(fā)電路與所述雙向晶閘管連接，所述觸發(fā)電路采用MOC3061模塊，MOC3061模塊為光電耦合器件，其輸入與輸出采用光電隔離。實現(xiàn)DSP信號對雙向晶閘管的觸發(fā)控制。DSP的輸出信號GPIOF0與MOC3061模塊的輸人相連，MOC3061模塊的輸出與雙向晶閘管的輸入相連。進一步的，所述驅(qū)動電路與所述IGBT單元的基極連接，所述IGBT單元的集電極與發(fā)射極之間設(shè)有快速檢測電路。

如圖3所示，所述IGBT單元包括驅(qū)動電路、IGBT單元和快速檢測電路；所述驅(qū)動電路與所述IGBT單元的基極連接，所述IGBT單元的集電極與發(fā)射極之間設(shè)有快速檢測電路。所述快速檢測電路包括二極管VD1，二極管VD2，電阻R1，電阻R2和光耦合器件OC，所述光耦合器件內(nèi)的二極管與電阻R1、二極管VD1串聯(lián)后與所述二極管VD2并聯(lián)連接，所述光耦合器件內(nèi)的光敏三極管的集電極連接有電阻R2。

所述驅(qū)動電路采用Si8286模塊，實現(xiàn)DSP信號對IGBT的驅(qū)動控制。這里選用Silicon Labs公司智能門極驅(qū)動Si8286模塊，具有高耐壓、低導(dǎo)通阻抗、高工作頻率等特征。其內(nèi)部采用容耦隔離，傳輸介質(zhì)為SiO2，以電容形式傳輸高速數(shù)字信號，速率可達150Mbps。Si8286模塊，內(nèi)置IGBT檢測和保護功能。DSP的輸出信號（GPIOA口）與Si8286模塊的輸人相連，Si8286模塊的輸出與IGBT的輸入相連。

移相變壓器，包括原邊繞組以及27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，包括雙DSP控制器、PLC控制器和人機界面，所述雙DSP控制器與每一個功率單元分別電連接，所述人機界面分別與雙DSP控制器、PLC控制器電連接，所述雙DSP控制器還與所述PLC控制器電連接。

本發(fā)明的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)以高速DSP為控制核心，采用空間電壓矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)；系統(tǒng)采用新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機控制，直接輸出3KV、6KV、10KV的高壓電源，適配各種通用三相交流電動機。

功率單元的逆變器輸出采用SPWM控制的多電平載波移相技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定的電角度，實現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，輸出波形質(zhì)量好，輸出電壓相對諧波含量小于1.8%，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。

變頻器每相采用低壓功率單元串接組成，每相9個功率單元，三相共27個完全相同的功率單元。采用模塊化設(shè)計，互換性好、維修簡單，噪音低，諧波含量小，不會引起電機的轉(zhuǎn)矩脈動，對電機沒有特殊要求。

功率單元是高壓變頻器的重要核心部分。每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換（功率單元原理圖2所示），系統(tǒng)為基本的交-直-交單相逆變電路，功率單元采用三相交流輸入，二極管三相全橋整流， 經(jīng)IGBT逆變后輸出單相的SPWM電壓，并且有故障在線快速檢測和旁路保護功能。

功率單元內(nèi)IGBT器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線電壓，可以直接使用低壓功率器件，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題，而且功率單元中采用的低壓IGBT/1700V功率模塊，驅(qū)動電路簡單，技術(shù)成熟可靠，器件工作在低壓狀態(tài)，不易發(fā)生故障。

本發(fā)明的工作原理如下：

三相交流電壓經(jīng)D1~D6整流橋成為直流電壓，再經(jīng)IGBT單元1~IGBT單元4逆變后成為SPWM單相交流電壓，其SPWM信號的頻率有IGBT單元的驅(qū)動電路（圖3）的觸發(fā)頻率決定。功率單元故障主要發(fā)生在逆變部分的IGBT單元故障，一旦IGBT單元故障（IGBT器件壞或驅(qū)動電路故障）就不能實現(xiàn)逆變。

功率單元故障在線快速檢測方法如下：

依據(jù)SPWM波形要求，給予IGBT驅(qū)動電路的觸發(fā)信號，IGBT即時導(dǎo)通，并且為低管壓降（IGBT的正向?qū)妷海?，DSP在發(fā)出驅(qū)動信號（GPTOA口）同時，通過DSP輸入端（GPTOB口）檢測相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通與否，若GPTOB口為高電平，屬正常無故障。逆變輸出單相交流電壓，與其他串行單元的單相交流電壓疊加形成高壓SPWM波形電壓。如果IGBT單元出了故障，給予IGBT驅(qū)動電路的觸發(fā)信號，IGBT就不會導(dǎo)通，IGBT的管壓降仍維持高電壓，在DSP發(fā)出IGBT驅(qū)動電路觸發(fā)信號時，在線實時檢測電路GPTOB口的信號，此時因光耦導(dǎo)通GPTOB口為低電平，屬故障。一旦IGBT單元故障，實時在線檢測快速發(fā)現(xiàn)。只要有一只IGBT單元故障，功率單元就無法輸出SPWM波。

旁路電路的保護方法如下：

一方面不再向4個IGBT單無發(fā)觸發(fā)信號；同時，即刻觸發(fā)雙向晶閘管KS，使得與其串聯(lián)的上下級功率單元的SPWM電壓，能在此呈現(xiàn)短路通過。為了能異步電機三相電壓對稱工作，同時關(guān)閉同組另二相功率單元（也處理為旁路工作）。這一故障，快速檢測與旁路處理，系統(tǒng)不關(guān)機。

正常工作中，依據(jù)設(shè)置的工作頻率，DSP輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動IGBT1、IGBT4與IGBT2、IGBT3交替工作，獲得交流信號；DSP在GPTOA口發(fā)出驅(qū)動信號同時，通過DSP輸入端GPTOB口檢測相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通與否，如果此時IGBT未導(dǎo)通，說明出了故障，DSP一方面封鎖4個IGBT的驅(qū)動信號，同時DSP GPTOF口輸出信號觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)旁路保護。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。