CN101478242B - H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置。本装置是针对H桥级联式高压变频器设计的，由控制器中的命令光纤将高压变频器中各相中的脉冲与命令数据下发至本相中的第一个功率单元Px1(x代表A、B、C三相，下同)，由Px1将脉冲数据与指令数据通过解析移相后依次往下传递；状态光纤从本相的最后一个功率单元(如：Px5)将状态数据向上一级功率单元发送，经打包后依次上传，最后上传至光纤数据收发模块；从而实现了光纤的完全串联，大大减少了光纤数量与控制电路结构。
Description
技术领域
本发明属于高压变频器技术领域，涉及工业光纤通信技术，特别是提供了一种用于H桥级联高压变频器功率单元的脉冲控制、功率单元状态监测装置，本装置是针对H桥级联式高压变频器设计的，能够通过每相2根光纤完成所有功率单元的脉冲下发，控制功能以及各功率单元的状态监测。
背景技术
随着能源状况的日趋紧张，环境恶化的加剧，节能减排已经成为世界各国的一致共识，而作为发展中国家的第一能源消耗大国的中国，此问题更显严峻。据权威统计，国内有70-80％的电能被电动机类负载消耗，而在这部分能源中，有约20-30％由于电动机与负载的区配问题白白浪费，所以近年来高压变频器在国内应用大规模展开。在高压变频器产品中，H桥级联高压变频器因为其发展较早、拓扑清晰、对器件要求较低等其它类型产品不可超越的优点，在国内占据了绝大部分的市场份额，国内企业的自主研发也大大加强，完全具备了自我研发改进能力。因为H桥级联高压变频器主电路是由多个单相的低压(＜1000V)的H桥主电路串联而成的，每相含有多个(6kV一般为5-6个，10kV一般为8-10个)单独的功率单元，所以一台整机中就会包括15-30个功率单元。由于主电路的固有特性，所以不得不对多个功率单元进行控制与监测，主控制器与功率单元间的通信内容分为：左桥臂脉冲(PLSLx)、右桥臂脉冲(PLSRx)、控制命令(CMDx)、单元状态信息(STx)四种。传统的对这些信号的处理方法有以下两种：如图1中方法为主控制器与每个功率单元间的述四种信号分别由一根光纤完成通信，图2中方法为将上述四种信号分成下行与上行两类，下行(PLSLx，PLSRx，CMDx)由一根光纤完成，上行信号(STx)由另一根信号完成。以上两种处理方法均有应用，不难看出图2中所示方法虽然将每个功率单元间与主控制器间的通信光纤由图1中方法中的4根减为了2根，但主控制器的脉冲分发部分功能还是非常复杂，光纤还是很多(30-60根)，不但控制电路复杂，而且故障率较高。综上所述，寻找一种合适的功率单元脉冲控制与监测方法很重要，本发明采用下行与上行光纤分开、功率单元信号采取串联的方式，大大简化了主控制器电路，减少了光纤数量，实现方法简单、可靠，适用于H桥级联的高压变频器。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种新型的用于H桥级联的高压变频器的脉冲分发、功率单元控制、功率单元监测装置和方法。
本发明具体采用以下技术方案：
一种H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，所述H桥级联高压变频器是一个控制电机用的三相变频器，该变频器的每一相由相同数量的多级H桥功率单元即功率单元PA1、功率单元PA2、功率单元PA3、功率单元PA4、功率单元PA5、功率单元PB1、功率单元PB2、功率单元PB3、功率单元PB4、功率单元PB5、功率单元PC1、功率单元PC2、功率单元PC3、功率单元PC4、功率单元PC5串联而成，该单元脉冲控制与状态监控装置包括控制器、设置在所述功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5中的控制电路，控制器通过光纤与所述H桥级联高压变频器中的功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)相连，用于高压变频器的脉冲分发、所述功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)控制和监测，其特征在于：
所述每一相串联的功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5与控制器之间通过两根光纤相连，其中一根光纤用于控制器向某一相串联的功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5合并下发传输脉冲与控制信号，另一根光纤用于向控制器回传该相所有的功率单元的状态信号。
本发明在H桥级联高压变频器中的每一相中相邻两级功率单元之间，例如功率单元PA1与功率单元PA2之间，功率单元PA2与功率单元PA3之间，功率单元PA3与功率单元PA4之间，功率单元PA4与功率单元PA5之间……，依次通过两根光纤串联通信，其中一根用于传输脉冲与控制信号，另一根用于传输各功率单元的状态信号。
所述主控制器包括功率单元监控模块，该功率单元监控模块包括数据交换模块、脉冲产生模块、控制模块、状态监测模块、光纤数据接收发送模块，数据交换模块与主控制器CPU间通过并行快速总线实现双向数据指令传递，脉冲产生模块、控制模块与状态监测模块并接在所述数据交换模块与所述光纤数据接收发送模块之间，所述光纤数据接收发送模块通过光纤连接到每一相功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5，用于完成由主控制器计算出的脉冲存储、控制数据与脉冲数据的组帧与下发，以及功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5回传的状态信号的解码同时发送至主控制器。
每一个功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5均包括功率电路和控制电路，其中功率电路主要由功率器件组成；所述控制电路包括与功率电路接口的隔离放大电路，以及与所述隔离放大电路相连的状态接收器、状态集成器、脉冲接收器、脉冲转发器，其中脉冲接收器用于接收由控制器侧或上级单元发来的脉冲数据与命令数据，脉冲转发器用于将上一级功率单元或控制器侧光纤发来的脉冲数据进行延时后与控制命令数据往下级传送，状态接收器为接收下级功率单元发送的状态数据，状态集成器为将下级功率单元发来的状态数据与本功率单元的状态数据进行“或”处理后发往上一级功率单元或主控制器。
所述控制电路还进一步包括地址DIP选择开关，通过DIP选择开关各数位上的二进制数“0”、“1”对所述每一个功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)设置地址，并通过状态位是否为“1”来判断该功率单元是否为末端功率单元即最低一级功率单元。
所述功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5与控制器之间以及相邻两级功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5之间传输的数据根据传输方向的不同分成下发帧与回传帧两类，下发帧为由控制器发往各功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC的数据，而回传帧为各功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5传送至控制器的数据。
本发明具有以下技术效果：
本发明采用下行与上行光纤分开、功率单元信号采取串联的方式，大大简化了主控制器电路，减少了光纤数量，实现方法简单、可靠，适用于H桥级联的高压变频器。
附图说明
图1为已有的每个功率单元与控制器间4根光纤并行通信结构图；
图2为已有的每个功率单元与控制器间2根光纤并行通信结构图；
图3为本发明的结构图；
图4为控制器中功率单元监控模块结构示意图；
图5为功率单元的结构图；
图6为下发帧的处理图，包括数据帧与命令帧的组帧以及两种帧的发送时间控制；
图7为回传帧的处理图，包括回传帧的组帧以及传送过程。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。
如图3所示，本发明公开的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置包括控制器部分与各功率单元中的控制电路部分。H桥级联高压变频器是一个控制电机用的三相变频器，该变频器的每一相由相同数量的多级H桥功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5串联而成，从图3中可以看出，控制器与功率单元之间通过两根光纤相连，其中一根光纤用于控制器向某一相所有功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5合并下发传输脉冲与控制信号，另一根光纤用于向控制器回传该相所有的功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5的状态信号。
在H桥级联高压变频器中的每一相中相邻两级功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5之间依次通过两根光纤串联通信，其中一根用于传输脉冲与控制信号，另一根用于传输功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5的状态信号。
控制器中与此部分相关的主要是功率单元监控模块，其主要功能是完成由主控制器计算出的脉冲存储、控制数据与脉冲数据的组帧与下发，以及功率单元回传的状态信息的解码同时发送至主控制器。光纤完成控制器与功率单元间信号的传输。功率单元完成脉冲数据至功率器件驱动信号的转换，以及各电路及温度状态的监测数据回传。
功率单元监控模块如图4所示，由数据交换模块、脉冲产生模块、控制模块、状态监测模块、光纤数据接收发送模块等5部分构成。数据交换模块与CPU间通过并行快速总线实现双向数据指令传递，脉冲产生模块、控制模块与状态监测模块并接在所述数据交换模块与所述光纤数据接收发送模块之间，所述光纤数据接收发送模块通过光纤连接到每一相功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5，用于完成由主控制器计算出的脉冲存储、控制数据与脉冲数据的组帧与下发，以及功率单元PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5回传的状态信号的解码同时发送至主控制器。
控制器部分的主控制器根据当时频率及相位情况由SPWM算法计算出A B C三相中各相的相位及幅值，并根据设备运行状况及功率单元状态组织对各功率单元下发的命令，相位及幅值与命令数据由主控制器写到功率单元监控模块中，脉冲产生模块根据相位及幅值计算出各相中的脉冲数据以及校验位，控制模块根据主控制器写过来的命令数据组成各相的命令帧，脉冲帧与命令帧传送至光纤数据收发模块中，由其完成这两种帧时间配合，然后将并行数据根据固定频率串行数据发送至功率单元。
功率单元如图5所示，主要由功率电路与控制电路组成，功率电路主要由功率器件组成，在此发明中不做赘述。控制电路除了与功率电路接口的隔离放大电路外，与此发明相关的主要部分是地址DIP选择开关，状态接收器、状态集成器、脉冲接收器、脉冲转发器等5部分构成。其中DIP选择开关的功能是设置本功率单元的地址以及设置为该功率单元是否为末端功率单元，ON时此位状态为1，OFF时此位状态为0；对于功率单元地址设置，000为PA1、PB1、PC1，001为PA2、PB2、PC2，010为PA3、PB3、PC3，011为PA4、PB4、PC4，100为PA5、PB5、PC5；对于是否为最末端模块的设置开关，0表示不是末端功率单元，1表示是末端功率单元，是否是末端功率单元可以通过功率单元的地址来判断，但这对于级联个数不同的装置就需要改动软件，为了能用通用的软硬件完成功能，所以加入了这个选择开关。脉冲接收器的功能是接收由控制器侧(对于PA1、PB1、PC1)或上级单元(除PA1、PB1、PC1的其它单元)发来的脉冲数据与命令数据。脉冲转发器主要是通将上一级单元或控制器侧光纤发来的脉冲数据进行延时后与控制命令数据往下级传送(最末端单元除外)。状态接收器为接收下级功率单元发送的状态数据(最末端功率单元除外)。状态集成器为将下级发来的状态数据与本单元的状态数据进行“或”处理后发往上一级单元或主控制器，同样道理，最末端功率单元只发送本单元的状态数据。
本发明中将数据根据传输方向的不同分成下发帧与回传帧两类，下发帧为由控制器发往各功率单元的数据，而回传帧为功率单元传送至控制器的数据。
下发帧由脉冲数据与命令数据组成，这两种帧由起始位不同来区别，图6为帧构成，其中脉冲帧由2位起始位(b01)、2位左脉冲、2位右脉冲、2位校验位构成；命令帧由2位起始位(b00)，2位RST位，5位Bypass位，5位Plock位，2位校验位构成，其中RST位来进行对所有功率单元进行复位操作，5位Bypass位分别对就5个功率单元的旁路处理，5位Plock位分别对应5个功率单元的封锁脉冲。根据H桥级联的高压变频器的基本原理，每相中的5个功率单元的脉冲占空比相同但相位不同，所以脉冲数据在各个功率单元中需要进行延时处理再转发至下一级功率单元；而命令帧包含所有功率单元的控制数据，所以不需要做任何处理直接转发至下一级功率单元即可；另外脉冲数据有严格时间要求，而命令数据无严格时间要求。根据以上特点，在下发帧中做如下处理：脉冲数据优先级高于命令数据，由图6中可以看出每相中级联的功率单元串的脉冲数据固定延时得到，传送脉冲数据空隙传送命令数据，如果遇延时后时段与命令数据冲突的情况，命令数据往后延时，待脉冲数据发送完毕后再发送命令数据。
回传帧及状态帧，如图7所示，回传帧由3位起始位、5位过压状态、5位过温状态、5位IGBT故障状态、5位电源故障状态、2位校验位等组成，其中过压状态、过温状态、IGBT故障状态、电源故障中的每一位分别对应本单元的状态。在回传过程中，末端功率单元将本身的这些位传送到上一级功率单元，上一次功率单元将本单元的状态与下一级功率单元传来的状态数据相或，即将本单元的对应状态加入到帧中，然后发送到上一次功率单元中，以此往上传送，最上级功率单元将所有功率单元状态回传至控制器中的功率单元监控模块中，完成一次状态数据回传，这个过程是按时间轮询进行的。图7中给出的功率单元2与功率单元4存在过温故障时各级功率单元的回传帧的组帧情况。
图5中描述的功率单元的脉冲接收器将功率单元监控制模块下发的脉冲与命令数据，根据起始位判断为脉冲帧还是命令帧，然后进行帧的校验。如果是脉冲帧，就根据脉冲帧的编码去驱动H桥的两个IGBT，同时将脉冲数据进行延时操作，待延时到后将脉冲数据通过脉冲转发器发送至下一级功率单元，下一次功率单元进行相同处理，以此往下发送至最后一级功率单元，最后一级功率单元由DIP开关中设置位来确定，如果本单元确定为末端功率单元，其只执行脉冲数据的解码与主电路的驱动，而不进行脉冲数据的后级下发；如果判断接收的帧为命令帧，则将帧中所对应的本单元的命令位取出进行相应的操作，同时并将命令数据下发至下一级功率单元。这里应该请注意的是，由于脉冲数据与命令数据共用一个数据通道，所以两种下发帧的时间配合是个重要的问题，图6给出了本发明对这种情况的处理方法，即：以脉冲数据优先的策略，命令数据在发送脉冲数据的间隙时下发，如果下一级功率单元将脉冲数据下延时移位处理后与命令数据在时间上有冲突时，以脉冲数据的时间为准，而将命令数据往后延时一个数据位时间。
而对回传帧的处理的基本思路就是将各个功率单元的各种状态相加后成为状态有效数据，加上校验位与起位后将其传至功率单元监控模块，图7给出了这个过程的详细说明。末端功率单元将本身的状态数据加起始位后与校验位后发送至上一级功率单元，上一级功率单元直接将本单元的状态加此帧上后，重新计算校验位并将此帧上传至更高一级功率单元，直到最上一次功率单元将这些数据发送至功率单元监控模块，功率单元监控模块中的状态监测模块将这帧数据解码后变为并行数据写到主控制器中，主控制器根据各功率单元状态进行合适的操作。
以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并且因此使得本领域的技术人员能够实现本发明。但这仅仅是一个较佳的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，所述H桥级联高压变频器是一个控制电机用的三相变频器，该变频器的每一相由相同数量的多级H桥功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)串联而成，所述单元脉冲控制与状态监控装置包括控制器、设置在所述功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)中的控制电路，控制器通过光纤与所述H桥级联高压变频器中的功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)相连，用于高压变频器的脉冲分发、功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)的控制和状态监测，其特征在于：
所述每一相串联的功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)与控制器之间通过两根光纤相连，其中一根光纤用于控制器向某一相串联的功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)合并下发传输脉冲与控制信号，另一根光纤用于向控制器回传该相所有的功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)的状态信号；
在H桥级联高压变频器中的每一相中相邻两级功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)之间依次通过两根光纤串联通信，其中一根用于传输脉冲与控制信号，另一根用于传输功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)的状态信号。
2.根据权利要求1所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：所述控制器包括功率单元监控模块，该功率单元监控模块包括数据交换模块、脉冲产生模块、控制模块、状态监测模块、光纤数据接收发送模块，所述数据交换模块与控制器CPU间通过并行快速总线实现双向数据指令传递，所述脉冲产生模块、所述控制模块与所述状态监测模块并接在所述数据交换模块与所述光纤数据接收发送模块之间，所述光纤数据接收发送模块通过光纤连接到每一相功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)，用于完成由控制器计算出的脉冲存储、控制数据与脉冲数据的组帧与下发，以及功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)回传的状态信号的解码同时发送至控制器。
3.根据权利要求1所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于，每一个功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)均包括功率电路和控制电路，其中功率电路主要由功率器件组成；所述控制电路包括与功率电路接口的隔离放大电路，以及与所述隔离放大电路相连的状态接收器、状态集成器、脉冲接收器、脉冲转发器，其中脉冲接收器用于接收由控制器侧或上级功率单元发来的脉冲数据与命令数据，脉冲转发器用于将上一级功率单元或控制器侧光纤发来的脉冲数据进行延时后与控制命令数据往下级功率单元传送，状态接收器为接收下级功率单元发送的状态数据，状态集成器为将下级功率单元发来的状态数据与本功率单元的状态数据进行“或”处理后发往上一级功率单元或控制器。
4.根据权利要求3所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：所述控制电路还进一步包括地址DIP选择开关，通过DIP选择开关各数位上的二进制数“0”、“1”对所述每一个功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)设置地址，并通过状态位是否为“1”来判断该功率单元是否为末端功率单元即最低一级功率单元。
5.根据权利要求1所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：所述脉冲与控制信号包括左桥臂脉冲(PLSLx)、右桥臂脉冲(PLSRx)、控制命令(CMDx)。
6.根据权利要求1所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：所述功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)与控制器之间以及相邻两级功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)之间传输的数据根据传输方向的不同分成下发帧与回传帧两类，下发帧为由控制器发往各功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)的数据，而回传帧为各功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)传送至控制器的数据。
7.根据权利要求6所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：所述下发帧由脉冲数据与命令数据组成，脉冲数据与命令数据由起始位不同来区别，其中脉冲数据由2位起始位(b01)、2位左脉冲、2位右脉冲、2位校验位构成；命令数据由2位起始位(b00)，2位RST位，5位Bypass位，5位Plock位，2位校验位构成，其中RST位来进行对所有功率单元进行复位操作，5位Bypass位分别对应5个功率单元的旁路处理，5位Plock位分别对应5个功率单元的封锁脉冲。
8.根据权利要求7所述的所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：
脉冲数据优先级高于命令数据，每相中级联的功率单元(PA1-PA5、PB1-PB5、PC1-PC5)的脉冲数据通过固定延时得到，传送脉冲数据的空隙传送命令数据，如果遇延时后时段与命令数据冲突的情况，命令数据往后延时，待脉冲数据发送完毕后再发送命令数据。
9.根据权利要求6所述的H桥级联高压变频器功率单元脉冲控制与状态监控装置，其特征在于：所述回传帧由3位起始位、5位过压状态、5位过温状态、5位IGBT故障状态、5位电源故障状态、2位校验位组成，其中过压状态、过温状态、IGBT故障状态、电源故障状态中的每一位分别对应本功率单元的状态，在回传过程中，末端功率单元将本身的这些位传送到上一级功率单元，上一级功率单元将本单元的状态与下一级功率单元传来的状态数据相“或”，即将本单元的对应状态加入到帧中，然后发送到上一级功率单元中，以此往上传送，最上级功率单元将所有功率单元状态回传至控制器中的功率单元监控模块中，完成一次状态数据回传。
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