CN100508365C

CN100508365C - 大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器

Info

Publication number: CN100508365C
Application number: CNB200710139314XA
Authority: CN
Inventors: 郑德化; 李彦昌; 李刚菊; 张晓巍; 赵春生; 杨文元
Original assignee: Shanxi Hechuang Electric Power Technology Co Ltd
Current assignee: Shanxi Hechuang Electric Power Technology Co Ltd
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: CN101123413A

Abstract

本发明涉及一种大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器。本发明主要是解决现在的控制器存在着体积庞大，造价高，维修困难，故障率高的技术难点。本发明的技术方案是：大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器，其主要由主控制电路和面板控制电路组成；所述主控制电路包括主处理器CPU、晶体振荡器、模拟信号的偏置电路、开关管脚的连接驱动器、光耦合触发电路、模拟电源连接器、模拟电源保护电路和抗干扰滤波器；所述面板控制电路包括处理器CPU、主时钟振荡器、上拉电阻电路、外加电源、键盘触板电路、主母线的连接插口电路、瞬变电压稳定器、面板指示灯电路、液晶显示电路、并行通讯接口电路和光耦隔离电路。

Description

大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器

技术领域

本发明涉及一种大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器，它属于一种大功率、高电压、五电平变频调压设备使用的控制装置。

背景技术

目前国内外高电压大功率变频调压设备使用的控制器，多采用“单片机+工控机+PLC”的联合控制方式。其中单片机主要负责系统内部的核心控制算法，工控机主要负责提供友好的人机操作界面及与上位机的通讯。PLC主要负责系统内部开关量的控制以及与外部控制信号的接口，三者之间互相通讯。这种控制器虽然能对高电压大功率变频调压设备起到控制作用，但由于此控制系统存在着体积庞大，造价高，维修困难，故障率高的缺陷，使其的使用受到了很大的限制。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术难点并提供一种体积小、造价低、易维修、和易操作的大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器，其中：该控制器主要由主控制电路和面板控制电路组成；所述主控制电路包括主处理器CPU、晶体振荡器、模拟信号的偏置电路、开关管脚的连接驱动器、光耦合触发电路、模拟电源连接器、模拟电源保护电路和抗干扰滤波器；所述主处理器CPU采用运算速度极快的数字信号处理器(DSP)为核心控制系统，接受由电压互感器(PT)、电流互感器(CT)转化后的信号而自动检测电机及负荷的参数并动态的建立其数学模型，计算电机运行的所有参数并输出相应的指令，控制输出电压为完美无谐波，使电机与负荷系统功率因数趋于1.0；所述晶体振荡器的作用是为主处理器CPU输入时钟脉冲，它与主处理器CPU芯片的管脚39连接；所述模拟信号的偏置电路的作用是为采集的模拟量偏置为正值信号，它与主处理器CPU芯片的管脚19和23连接，以便成比例的计算电动机定子电压、电流与频率的关系；所述开关管脚的连接驱动器的作用是便于从母线上与其他元件进行连接，其端子2、4、6、8、11、13与主处理器CPU芯片的管脚6、8、63、64、62、1连接；所述光耦合触发电路的作用是为绝缘栅双极三极管(IGBT)门极提供足够的正极电压以使集电极向发射极导通，它与主处理器CPU芯片的管脚49连接；所述模拟电源连接器作用是为主处理器CPU和偏置电路提供可靠模拟电源，它与主处理器CPU芯片的管脚19连接；所述模拟电源保护电路的作用是为主处理器CPU提供保护，它与主处理器CPU芯片的+5V电源连接；所述抗干扰滤波器的作用是为主处理器CPU提供可靠的电源，以保证主处理器CPU稳定运行；

所述面板控制电路包括处理器CPU、主时钟振荡器、上拉电阻电路、外加电源、键盘触板电路、主母线的连接插口电路、瞬变电压稳定器、面板指示灯电路、液晶显示电路、并行通讯接口电路和光耦隔离电路；所述处理器CPU用于接收主处理器CPU发来的信号，输出通讯指令，以实时显示系统的运行状态；所述主时钟振荡器的作用是为向处理器CPU提供正常运行时的时钟信号，它与处理器CPU的管脚30连接；所述上拉电阻电路的作用是为数据线提供可靠的电位信号，它与处理器CPU的管脚19～26连接；所述外加电源的作用是为处理器CPU提供保障，它与处理器CPU的管脚40、28、7和17连接；所述键盘触板电路的作用是输入人机对话信号；所述主母线的连接插口电路的作用是将处理器CPU与其它辅助设备连接起来，它与处理器CPU的应用管脚连接；所述瞬变电压稳定器的作用是在外部电压出现冲击时，向处理器CPU提供稳定的+5V电压；所述面板指示灯电路的作用是为面板提供指示，它与液晶显示电路连接；所述液晶显示电路的作用是通过处理器CPU的37管脚和PNP晶体管来驱动液晶显示芯片GLCD2完成液晶显示功能；所述并行通讯接口电路的作用是与面板芯片和其它电路迅速进行通讯；所述光耦隔离电路的作用是传送远程信号或和其它通讯设备进行联络，其管脚TXD、RXD、SE分别与处理器CPU的相应管脚连接。

由于本发明采用了上述技术方案，用运算速度极快的数字信号处理器(DSP)作为核心控制系统，可以自动检测电机及负荷的参数并动态的建立其数学模型。并结合无速度传感器矢量控制理论，自动检测及计算电机运行的所有中间量。如磁通大小，磁通速度，电机转速，转矩，电压，电流，频率及系统功率因数，各开关的状态及发热状态，进而发出准确而可靠的触发脉冲，用动态的PWM技术去完成变频器的输出电压为完美无谐波及电机与负荷系统功率因数趋于1.0的目的。因此，与背景技术相比，本发明具有体积小、造价低、易维修和易操作的优点。

附图说明

图1是本发明的主控制电路及辅助电路的原理图；

图2是本发明的面板控制电路及辅助电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本实施例中的大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器，其中：该控制器主要由主控制电路和面板控制电路组成；所述主控制电路包括主处理器CPU芯片U4、晶体振荡器、模拟信号的偏置电路、开关管脚的连接驱动器、光耦合触发电路、模拟电源连接器、模拟电源保护电路和抗干扰滤波器；所述主处理器CPU芯片U4采用运算速度极快的数字信号处理器(DSP)为核心控制系统，其型号为PIC30F6012，接受由电压互感器(PT)、电流互感器(CT)转化后的信号而自动检测电机及负荷的参数并动态的建立其数学模型，计算电机运行的所有参数并输出相应的指令，控制输出电压为完美无谐波，使电机与负荷系统功率因数趋于1.0；由图1a可知，该主处理器CPU芯片U4(PIC30F6012)的管脚39连接晶体振荡器，管脚2、3、47、48为开关量的输出端，管脚33、34、58、59、42、43、44、45亦为开关量输出端，还有管脚1、4、5、6、8及62、63、64也均为开关量输出端，它们都是用来从主处理器CPU芯片U4发出命令去控制脉冲宽度调制(PWM)五电平电路的相应的绝缘栅双极三极管(IGBT)的开关；管脚38、26、10、57接+5V正电源为主处理器CPU芯片U4供电，管脚20、25、41、56、9为电源的接地端，管脚37、36为主处理器CPU芯片U4通讯端，使其与面板控制处理器CPU芯片U1进行通讯联络，管脚49-55为PWM操作的控制端，主处理器CPU芯片U4从此端口发出PWM脉冲信号，控制IGBT相应开关的7个触发电路，管脚17、18即PGC、PGD为编程端口。所述晶体振荡器的作用是为主处理器CPU芯片U4输入时钟脉冲，它与主处理器CPU芯片U4的管脚39连接。图1b为模拟信号的偏置电路，其作用是为采集的模拟量偏置为正值信号，它由集成块U15A(LM1558)和电阻R49、R50、R51、电容C22、C23、C24和稳压管V1、TVS1组成，它与主处理器CPU芯片U4的管脚19和23连接，以便成比例的计算电动机定子电压、电流与频率的关系。图1c为开关管脚的连接驱动器，其作用是便于从母线上与其他元件进行连接，它由集成块U6(74LS244)和电容C25组成，其端子2、4、6、8、11、13与主处理器CPU芯片U4的管脚6、8、63、64、62、1连接。图1d为光耦合触发电路，其作用是为绝缘栅双极三极管(IGBT)门极提供足够的正极电压以使集电极向发射极导通，它由7组相同的元件构成，每组由芯片TP1(TLP127)、二极管D3、稳压管T2、电阻R55、R56、R57、R58组成，它与主处理器CPU芯片U4的管脚49～55连接。图1e为模拟电源连接器，其作用是为主处理器CPU芯片U4和偏置电路提供可靠模拟电源，它由由器件L1(78M05)、电容C20、C21、二极管D13、D14组成，它与主处理器CPU芯片U4的管脚19连接。图1f为模拟电源保护电路，其作用是为主处理器CPU芯片U4提供保护，由稳压管TVS1、电容E3组成，它与主处理器CPU芯片U4的+5V电源连接。图1g为抗干扰滤波器，其作用是为主处理器CPU芯片U4提供可靠的电源，以保证主处理器CPU稳定运行，由7个磁珠器件M5～M11组成，它与主控制电路相应的管脚相连。

如图2所示，所述面板控制电路包括处理器CPU U1、主时钟振荡器、上拉电阻电路、外加电源、键盘触板电路、主母线的连接插口电路、瞬变电压稳定器、面板指示灯电路、液晶显示电路、并行通讯接口电路和光耦隔离电路；图2h为处理器CPU U1(PIC30F4011)，它用于接收主处理器CPU芯片U4发来的信号，输出通讯指令，以实时显示系统的运行状态，该处理器CPUU1(PIC30F4011)的管脚30接CPU主时钟振荡器，管脚32、35接实时时钟振荡器，管脚8、9、10、11、14、15、36接处理器CPU U1控制母线，主要作用是完成片选及读写的功能，与液晶显示电路的相应管脚连接；管脚17、7、28、40接处理器CPU U1电源，其中管脚17为模拟信号电源，管脚16为模拟电源接地点；管脚6、29、39为处理器CPU U1电源接地点；管脚19-27为此处理器CPU U1的数据线，面板显示电路从这些数据线接收从本处理器CPU U1发送来的数据以进行显示；管脚1、2、3、4、41、42、43、44为处理器CPU U1串行通讯线连接端，其作用为与主处理器CPU芯片U4和辅助设备，如显示器，键盘等进行通讯；处理器CPU U1的NTF是同步线，与主母线的连接插口电路中的14脚连接。图2h中的主时钟振荡器由芯片U2构成，与处理器CPU U1的管脚30相连，其作用是为向处理器CPU U1提供正常运行时的时钟信号。图2h中的实时时钟振荡器由晶体振荡器X1、电容C1、C10组成，与处理器CPU U1的管脚32、35连接，其作用是在主时钟掉电或有故障时，可向处理器CPU U1提供可靠的时钟信号。图2i为上拉电阻电路，它由+5V电源和16个电阻R2～R15、R17、R18组成，其作用是向数据线提供可靠的电位，它与处理器CPU U1的管脚19～26连接。图2j为处理器CPUU1的外加电源电路，它由二极管D1、D2、电源B1、电阻R16组成，其作用是保证处理器CPU U1在任何状态下供电畅通。图2k为键盘触板电路，它由8个双向开关K2～K9和8个电容C3～C9、C11组成，其作用是输入人机对话信号。图2l为处理器CPU U1编程口电路，由电源VPP、编程信号放大芯片JP和电阻R1组成，SDI、SDO为读写端口，其作用是输入输出通讯编程信号。图2m为主母线的连接插口电路，由4个磁珠M1～M4和主母线连接插口JMP组成，作用是使处理器CPU U1管脚与主母线相接，然后再从主母线向其它辅助设备分配接线端口。图2n为瞬变电压稳定器，它由电解电容E1、E2和稳压管T1组成，它与+5V电源连接，其作用是在外部电压出现冲击时，向处理器CPU U1提供稳定的+5V电压。图2o为面板指示灯电路，由3个PNP三极管P2、P3、P4、3个发光二极管LED1、LED2、LED3和6个电阻R34、R35、R40、R41、R42、R43组成，它与+5V电源连接，其作用是可靠实现面板指示功能。图2p为液晶显示电路，由芯片GLCD2、PNP晶体管P5、电压分压器RW2、电容C2和电阻R29组成，它通过发光命令BLC管脚与处理器CPU U1的管脚37连接，作用是由处理器CPU U1通过BLC向PNP晶体管发命令来驱动液晶显示完成显示功能。图2q为RS485并行通讯接口电路，由稳压管TVS2、TVS3、TVS4、电阻R25、R27、R28和芯片U3(MAX485)组成，芯片U3(MAX485)的管脚RTE、SRD、STD分别与光耦隔离电路的RTE、SRD、STD连接，作用是完成处理器CPU U1与其他元件的并行通讯功能。图2r为光耦隔离电路，由光耦隔离芯片RS4(6N136)、电阻R26、R24和电容C14组成，光耦隔离芯片的管脚TXD与处理器CPU U1的管脚2连接，作用为传送远程信号或和其它通讯设备进行联络。图2s为光耦隔离电路，由光耦隔离芯片RS3(6N136)、电阻R22、R23和电容C13组成，光耦隔离芯片RS3(6N136)的管脚RXD与处理器CPU U1的管脚3连接，作用为传送远程信号或和其它通讯设备进行联络。图2t为光耦隔离电路，由光耦隔离芯片RS2(6N136)、电阻R20、R21和电容C12组成，光耦隔离芯片RS2(6N136)的管脚SE与处理器CPU U1的管脚4连接，作用为传送远程信号或和其它通讯设备进行联络。图2u为DC/DC隔离器，它与+5V电源连接，其作用为将直流电源侧产生的谐波滤掉。图2v为噪声电容滤波器，由电容C15和C16组成，它直接接地，其作用为提高处理器CPU U1的高频抗干扰能力。

Claims

1、一种大功率、高电压、五电平变频调压设备的控制器，其特征是：该控制器主要由主控制电路和面板控制电路组成；所述主控制电路包括主处理器CPU、晶体振荡器、模拟信号的偏置电路、开关管脚的连接驱动器、光耦合触发电路、模拟电源连接器、模拟电源保护电路和抗干扰滤波器；所述主处理器CPU采用运算速度极快的数字信号处理器为核心控制系统，主处理器CPU芯片的型号为PIC30F6012，接受由电压互感器、电流互感器转化后的信号而自动检测电机及负荷的参数并动态的建立其数学模型，计算电机运行的所有参数并输出相应的指令，控制输出电压为完美无谐波，使电机与负荷系统功率因数趋于1.0；所述晶体振荡器的作用是为主处理器CPU输入时钟脉冲，它与主处理器CPU芯片的管脚39连接；所述模拟信号的偏置电路的作用是为采集的模拟量偏置为正值信号，它与主处理器CPU芯片的管脚19和23连接，以便成比例的计算电动机定子电压、电流与频率的关系；所述开关管脚的连接驱动器的作用是便于从母线上与其他元件进行连接，开关管脚的连接驱动器由集成块74LS244和电容组成，集成块74LS244的端子2、4、6、8、11、13与主处理器CPU芯片的管脚6、8、63、64、62、1连接；所述光耦合触发电路的作用是为绝缘栅双极三极管门极提供足够的正极电压以使集电极向发射极导通，它与主处理器CPU芯片的管脚49连接；所述模拟电源连接器作用是为主处理器CPU和偏置电路提供可靠模拟电源，它与主处理器CPU芯片的管脚19连接；所述模拟电源保护电路的作用是为主处理器CPU提供保护，它与主处理器CPU芯片的+5V电源连接；所述抗干扰滤波器的作用是为主处理器CPU提供可靠的电源，以保证主处理器CPU稳定运行；

所述面板控制电路包括处理器CPU、主时钟振荡器、上拉电阻电路、外加电源、键盘触板电路、主母线的连接插口电路、瞬变电压稳定器、面板指示灯电路、液晶显示电路、并行通讯接口电路和光耦隔离电路；处理器CPU的型号为PIC30F4011，所述处理器CPU用于接收主处理器CPU发来的信号，输出通讯指令，以实时显示系统的运行状态；所述主时钟振荡器的作用是为向处理器CPU提供正常运行时的时钟信号，它与处理器CPU的管脚30连接；所述上拉电阻电路的作用是为数据线提供可靠的电位信号，它与处理器CPU的管脚19～26连接；所述外加电源的作用是为处理器CPU提供保障，它与处理器CPU的管脚40、28、7和17连接；所述键盘触板电路的作用是输入人机对话信号；所述主母线的连接插口电路的作用是将处理器CPU与其它辅助设备连接起来，它与处理器CPU的应用管脚连接；所述瞬变电压稳定器的作用是在外部电压出现冲击时，向处理器CPU提供稳定的+5V电压；所述面板指示灯电路的作用是为面板提供指示，它与液晶显示电路连接；所述液晶显示电路的作用是通过处理器CPU的37管脚和PNP晶体管来驱动液晶显示芯片GLCD2完成液晶显示功能；所述并行通讯接口电路的作用是与面板芯片和其它电路迅速进行通讯；所述光耦隔离电路的作用是传送远程信号或和其它通讯设备进行联络，光耦隔离电路中的光耦隔离芯片6N136的管脚TXD、RXD、SE分别与处理器CPU的相应管脚连接。