CN102684510B - 一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块 - Google Patents
一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块 Download PDFInfo
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Abstract
一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，涉及电力电子技术领域，包括功率单元、控制单元和开关电源，控制单元与功率单元相连并向其发送控制信号，开关电源与控制单元相连并为其提供所需的电源，特征在于：功率单元是由两块背对背连接的IGBT？H桥模块，及并联在两块IGBT？H桥模块之间的超级电容充放电控制回路所组成；控制单元是由IGBT驱动芯片、DSP微处理器、通信接口、电流采样模块、电压采样模块和数字输入输出端口所组成，其中，两块IGBT？H桥模块由DSP微处理器输出的PWM信号控制通断，并由IGBT驱动芯片所驱动。效果是：满足了负载的四象限拖动运行控制需求，并克服了负荷增大时常出现的堵转现象。整体结构稳定，运行速度快，高效又节能。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块。
背景技术
在全社会大力提倡节能减排的氛围中，高压变频器得到越来越多的应用。许多行业要求高压变频器在工作时，尽量减少故障停机时间，以免停机带来的生产损失超过节能产生的效益，这就对高压变频器产品的可靠性提出了更高要求。此外，变频拖动系统在负荷增大时，常易出现堵转。现有技术主要通过加大“转矩提升”(U/f比值)或预置转差补偿功能来增强负载能力，这样的话在重载时往往以减小调速范围为代价。在变频拖动系统减速过程中由于出现再生制动容易引起过电压跳闸，因此减速时间受到限制，不能预置得过短，频率不能下降得过快，这样难以满足为提高劳动生产率缩短加减速时间的要求。
级联式高压变频器可以通过采用多个功率模块单元级联组成实现高压输出，输入侧采用移相降压变压器，可以有效消除对电网的谐波污染，因而具有更高的效率、更低的谐波和更少的电磁干扰发射。它的一个特别重要的优点是可以采用模块化设计，在某个单元模块故障时可自动退出系统，而其余单元模块仍能继续工作保持电机的运行。显然级联式高压变频器采用何种单元模块来级联对于高压变频器的性能而言至关重要。现有技术大都采用类似于低压变频器的功率单元模块来级联，整流回路不能满足双向功率流动需求，电解电容构成的滤波储能回路也使加减速时间受到限制，且负荷突然增加时易产生堵转等现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种稳定可靠，具有双向功率流动易满足电机四象限拖动运行控制需求的，可进行有功和无功补偿控制，使得高压变频器可以满足更高加减速需求的，并可以构建任意级电平数的适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，
一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，包括功率单元、控制单元和开关电源，所述控制单元与所述功率单元相连并向其发送控制信号，所述开关电源与所述控制单元相连并为其提供所需的电源，其特征在于：所述功率单元是由两块背对背连接的IGBTH桥模块，及并联在所述两块IGBTH桥模块之间的超级电容充放电控制回路所组成；
所述控制单元是由IGBT驱动芯片、DSP微处理器、通信接口、电流采样模块、电压采样模块和数字输入输出端口所组成，其中，所述两块IGBTH桥模块由所述DSP微处理器输出的PWM信号控制通断，并由所述IGBT驱动芯片所驱动。
本发明的进一步技术特征在于：每块所述IGBTH桥模块还均和一散热器安装在一起使用，以实现良好的散热效果，确保安全运行；
在每块所述IGBTH桥模块中H桥的每一相腿上还均并联有一个高频0.1uF电容，用以消除直流母线上寄生电感产生的电压毛刺；
所述两块IGBTH桥模块还均自带有集成模/数信号调理回路，该调理回路可作为变换器，无需额外的外部回路便能实现正常独立工作。
本发明的进一步技术特征还在于：所述IGBT驱动芯片为8个相互独立的IGBT门极驱动芯片，并均由所述开关电源进行供电，由所述DSP微处理器输出的8路PWM信号分别控制通断，且各所述IGBT门极驱动芯片之间采用光藕隔离，同时能侦测门极的故障，当发生过流故障时能输出故障信号到DSP微处理器，使DSP微处理器立刻采用内部硬件逻辑中止所有PWM信号，保护功率模块防止受到损坏。
本发明的进一步技术特征还在于：所述DSP微处理器内部采用了由程序地址总线(PAB)、数据读出地址总线(DRAB)及数据写入地址总线(DWAB)三个平行处理的总线所构成的加强型哈佛架构，该架构使其能进入多个内存空间，由于总线之操作各自独立，因此可同时进入程序及数据存储器空间，而两内存间的数据亦可互相交换，使得其具有快速的运算速度，几乎所有的指令皆可在50ns周期时间内执行完毕，因此非常适用于实时运转控制。
本发明的进一步技术特征还在于：所述通信接口包括独立的外部通信接口和非独立的串行外设接口，其中，串行外设接口(SPI)是一个高速同步串行输入/输出(I/O)端口，它允许一个具有可编程长度(1到8位)的串行位流，以可编程的位传送速率从设备移入或移出。串行外设接口(SPI)通常用于DSP控制器和外部设备或其它控制器间的通讯，对于某一控制任务需要多个DSP协同完成时，DSP之间的数据交换将会很频繁，此时，我们就可以通过串行外设接口(SPI)进行DSP之间的高速数据交换，实现相互间的功能扩展。这种模式的DSP之间的通讯，较通过串行通讯接口(SCI)进行通讯时，速率提高近一倍，而且它还可以通过控制寄存器的TALK位实现多个DSP之间的数据交换。当系统需要预先从EEPROM读出定值时，也可以通过TMS320F240的SPI口进行外设扩展。在本发明中，主要通过串行外设接口(SPI)完成各单元模块DSP微处理器和由其构成的高压变频器主DSP控制器之间的通讯。
本发明的进一步技术特征还在于：所述电流采样模块为6路(2组三相)电流采样输入模块；
所述电压采样模块为6路(2组三相)电压采样输入模块，所有被测模拟量(电流或电压)经外部运放变换到(-2.5V～+2.5V)区间加上+2.5V偏移量后形成(0～5V)的电压供所述DSP微处理器采样，TMS320F240片内集成了采样保持电路和模拟多路转换器的双十位AD转换，可以满足控制精度要求，此外，模拟量测量电路中还包括过零检测单元，以实现模拟量频率和相位的测量，满足锁相环同步的要求。
本发明的进一步技术特征还在于：所述开关电源采用由反激变换器构成的开关电源为控制级B提供所需的各种直流电源。
本发明的有益效果是：通过将两块IGBTH桥模块背对背连接，满足了负载的四象限拖动运行控制需求，并利用超级电容充放电控制回路作为滤波和储能电容回路，克服了负荷增大时常出现的堵转现象。整体结构稳定，运行速度快，高效又节能。
附图说明
图1为本发明：一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块的整体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，包括功率单元1、控制单元2和为控制单元2提供所需各种直流电源的开关电源3组成。其中，功率单元1是由两块背对背连接的IGBTH桥模块，即IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12，以及并联在IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12之间的超级电容充放电控制回路13所组成。IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12均选用IRG4PC30UD，并IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12均和一散热器14安装在一起使用，以确保良好的运行环境。在IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12中H桥的每一根相腿上均并联有一个高频0.1uF电容15以消除直流母线上寄生电感产生的电压毛刺。IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12在电路上采用背对背连接，可以实现双向功率流动，因此能满足电机四象限拖动运行控制需求。中间由超级电容充放电控制回路13作为滤波和储能电容回路，回馈制动时能迅速吸收电动机转子释放的能量而无须提高直流回路的容量和耐压水平就可以取得更大的制动力。超级电容器组储存的有功能量释放给功率回路，可以克服负荷增大时常出现的堵转现象，增强电动机的带负载能力。因此相对于现有采用电解电容进行滤波和储能技术，具有性能、价格和体积优势，储能量大且充放电更快速完成，并可进行有功和无功补偿控制，使得高压变频器可以满足更高的加减速需求。
另外，IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12还均自带有集成模/数信号调理回路16，可作为变换器，无需额外的外部回路而能实现正常独立工作。
控制单元2是由IGBT驱动芯片21、DSP微处理器22、通信接口23、电流采样模块24、电压采样模块25和数字输入输出端口26所组成。
其中，IGBT驱动芯片21为8个相互独立的IGBT门极驱动芯片211所构成，并均由开关电源3进行供电，由DSP微处理器22输出的8路PWM信号分别控制通断，且各IGBT门极驱动芯片21之间采用光藕隔离，同时能侦测门极的故障，当发生过流故障时能输出故障信号到DSP微处理器22，使DSP微处理器22立刻采用内部硬件逻辑中止所有PWM信号，保护功率模块防止受到损坏，具体方法是；
IGBT驱动芯片21采用HCPL316J。HCPL316J可以驱动150A/1200V的IGBT，光耦隔离，COMS/TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度500ns，工作电压15～30V，欠压保护。输出部分为三重复合达林顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16表面贴装。HCPL316J输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由PWM电路产生的控制信号加在HCPL316J的第1脚，输入部分需要1个5V电源，由开关电源3提供，RESET脚低电平有效，故障信号输出由第6脚送至PWM的关闭端，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用+15V和-5V双电源供电，由开关电源3提供，用于产生正负脉冲输出，14脚为过流检测端，通过二极管VDDESAT检测IGBT集电极电压，在IGBT导通时，如果集电极电压超过7V，则认为是发生了过流现象，HCPL316J慢速关断IGBT，同时由第6脚送出过流信号。
DSP微处理器22采用TI的TMS320F240DSP芯片作为控制芯片，具有20MIPS的指令执行速度，强大的内部事件管理能力。芯片内部采用了加强型哈佛架构，由三个平行处理的总线-程序地址总线(PAB)、数据读出地址总线(DRAB)及数据写入地址总线(DWAB)，使其能进入多个内存空间。由于总线之操作各自独立，因此可同时进入程序及数据存储器空间，而两内存间的数据亦可互相交换，使得其具有快速的运算速度，几乎所有的指令皆可在50ns周期时间内执行完毕，因此非常适用于实时运转控制。
通信接口23为了便于通信，单元模块支持独立的RS-232外部通信接口和非独立的串行外设接口(SPI)。其中，串行外设接口(SPI)是一个高速同步串行输入/输出(I/O)端口，它允许一个具有可编程长度(1到8位)的串行位流，以可编程的位传送速率从设备移入或移出。串行外设接口(SPI)通常用于DSP控制器和外部设备或其它控制器间的通讯，对于某一控制任务需要多个DSP协同完成时，DSP之间的数据交换将会很频繁，此时，我们就可以通过串行外设接口(SPI)进行DSP之间的高速数据交换，实现相互间的功能扩展。这种模式的DSP之间的通讯，较通过串行通讯接口(SCI)进行通讯时，速率提高近一倍，而且它还可以通过控制寄存器的TALK位实现多个DSP之间的数据交换。当系统需要预先从EEPROM读出定值时，也可以通过TMS320F240的SPI口进行外设扩展。在本发明中，主要通过串行外设接口(SPI)完成各单元模块DSP微处理器和由其构成的高压变频器主DSP控制器之间的通讯。
电流采样模块24，电压采样模块25，为实现闭环控制，模块支持6路(2组三相)电流和6路(2组三相)电压采样输入，所有被测模拟量(电流或电压)经外部运放变换到(-2.5V～+2.5V)区间加上+2.5V偏移量后形成(0～5V)的电压供DSP采样。TMS320F240片内集成了采样保持电路和模拟多路转换器的双十位AD转换，可以满足控制精度要求，此外，模拟量测量电路中还包括过零检测单元，以实现模拟量频率和相位的测量，满足锁相环同步的要求。
开关电源3采用由反激变换器构成的开关电源为控制单元2提供所需的各种直流电源。
IGBTH桥模块11和IGBTH桥模块12由所述DSP微处理器22输出的PWM信号控制通断，并由所述IGBT驱动芯片21所驱动。本发明过将两块IGBTH桥模块背对背连接，满足了负载的四象限拖动运行控制需求，并利用超级电容充放电控制回路作为滤波和储能电容回路，克服了负荷增大时常出现的堵转现象。整体结构稳定，运行速度快，高效又节能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，包括功率单元、控制单元和开关电源，所述控制单元与所述功率单元相连并向其发送控制信号，所述开关电源与所述控制单元相连并为其提供所需的电源，其特征在于：所述功率单元是由两块背对背连接的IGBTH桥模块，及并联在所述两块IGBTH桥模块之间的超级电容充放电控制回路所组成；
所述控制单元是由IGBT驱动芯片、DSP微处理器、通信接口、电流采样模块、电压采样模块和数字输入输出端口所组成，其中，所述两块IGBTH桥模块由所述DSP微处理器输出的PWM信号控制通断，并由所述IGBT驱动芯片所驱动；
所述IGBT驱动芯片为8个相互独立的IGBT门极驱动芯片，并均由所述开关电源进行供电，由所述DSP微处理器输出的8路PWM信号分别控制通断，且各所述IGBT门极驱动芯片之间采用光藕隔离；
在每块所述IGBTH桥模块中H桥的每一相腿上还均并联有一个高频0.1×10-6F电容；
所述电流采样模块为2组三相电流采样输入模块；
所述电压采样模块为2组三相电压采样输入模块。
2.根据权利要求1所述的一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，其特征在于：每块所述IGBTH桥模块还均和一散热器安装在一起使用。
3.根据权利要求1所述的一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，其特征在于：所述两块IGBTH桥模块还均自带有集成模/数信号调理回路。
4.根据权利要求1所述的一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，其特征在于：所述DSP微处理器内部采用了由程序地址总线(PAB)、数据读出地址总线(DRAB)及数据写入地址总线(DWAB)三个平行处理的总线所构成的加强型哈佛架构。
5.根据权利要求1所述的一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，其特征在于：所述通信接口包括独立的外部通信接口和非独立的串行外设接口。
6.根据权利要求1所述的一种适用于级联式高压变频器的智能集成单元模块，其特征在于：所述开关电源是由反激变换器构成的开关电源。
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