CN103023145A - 一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，包括中央处理器控制模块、通信模块、电源模块、触发模块、采样模块、信号监视模块、温度检测模块，中央处理器控制模块为设置于CPU主板上的DSP芯片，通信模块连接DSP芯片的ECAN接口，电源模块通过TPS73HD301芯片连接DSP芯片的引脚上，触发模块连接DSP芯片的PWM，采样模块连接DSP芯片的ADC，信号监视模块连接DSP芯片的GPIO接口；本发明与大功率直流整流装置主控制调节系统配合，用于实现移相触发和功率器件的监视功能，通过CAN总线联接并完成柜间通信，可在电子级实现功率柜间的自动均流，并完成对功率柜的监测。
Description
技术领域
本发明涉及大功率直流整流技术，特别是一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元。
背景技术
目前国内生产的大功率直流整流系统的功率柜中普遍存在监测功能不全，通信技术和检测技术落后等问题，无法实现智能化和自动均流，具体表现在以下几个方面：
1、均流问题：对于多个并联运行的功率柜目前一般采用长线均流、电抗器均流、及磁环均流等方式，以上均流方式都必须配合晶闸管元件参数，否则均流效果可能不尽人意。这些均流措施一方面对备件的质量和数量提出更高的要求；另一方面，随时时间的推移，晶闸管的特性有可能发生变化，功率柜主回路的接触电阻也有可能发生变化，这些因素都会引起电流分配的变化，影响均流效果；
2、功率柜的检查功能很少，往往只检查风机和快速熔断器的接点，至于其它信号如桥臂电流的大小、晶闸管温度、触发脉冲是否正常等则少有检测，甚至不检测；
3、传统的功率柜与调节系统之间采用硬线联接，由于功率柜与调节系统有一定距离，脉冲容易受到干扰而影响输出；
4、功率柜是一个整流装置的孤立节点，只能被动接受主控制系统的命令，与其它功率柜没有联系，功率柜的状态一般采用继电器节点方式传输，导致柜内布线复杂。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，实现了在大功率直流整流装置功率柜中增加设计了具有通信、监测能力、高速检测运算的智能功率控制单元，通过先进数字处理器的控制器解决了功率柜中高速检测控制、通信功能、信号监测、触发导通监视和信号干扰等控制问题，实现整流系统功率柜的智能化和自动均流控制，增强了系统的鲁棒性。
本发明的技术方案如下：
一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：包括中央处理器控制模块、通信模块、电源模块、触发模块、采样模块、信号监视模块、温度检测模块，中央处理器控制模块与通信模块、电源模块、触发模块、采样模块、信号监视模块分别连接，所述中央处理器控制模块采用DSP芯片，设置于CPU主板上；通信模块连接DSP芯片的增强型控制器局域网络ECAN接口，电源模块通过专用TPS73HD301芯片连接DSP芯片的引脚上，触发模块连接DSP芯片的脉宽调制模块PWM，采样模块连接DSP芯片的模数转换器ADC，信号监视模块连接DSP芯片的输出接口GPIO。
所述中央处理器控制模块采用的DSP芯片可以是美国德州仪器TI公司推出的32位浮点运算DSP TMS320F28335芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个直接存储器访问DMA通道支持模数转换器ADC、多通道缓冲串行端口McBSP和 外部存储器接口EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的脉宽调制模块PWM输出 (HRPWM)，双窄触发脉冲直接由芯片内部的定时器产生，触发脉冲精度可达 20000 码/180。
所述智能功率控制单元设置于大功率直流整流装置的功率柜中，作为功率柜控制核心。
所述通信模块配置有MODBUS 协议、PROFIBUS协议的CAN接口，智能功率控制单元通过所述通信模块的CAN接口与大功率直流整流装置的主控制柜控制调节系统交换信息，接受主控制调节系统控制命令，满足通信要求。
所述通信模块采用美国德州仪器TI公司的ISO-1050芯片做为通信模块的主要器件，该器件允许很大的共模电压变化下保证不间断的通信。通信模块提供40kbps—1Mbps的高速数据通信速率，同时每根总线能够支持多达110个节点。增强的ESD防护能力使得该模块能够承受高达±4KV耐压，而不会方式闭锁或受损现象，使得整个通信模块防干扰能力大大增强。
所述电源模块采用性能优异的开关电源配合专用电源芯片，外部交流电源经过开关电源输出+5V，该输出再通过专用TPS73HD301芯片根据需要提供+3.3V、+1.9V等电源，供给所述DSP芯片使用，隔离电源变压器初级次级绝缘在3000V以上，以满足抗电性能和抗干扰的要求，符合GB/T15290标准要求。
所述触发模块包括光耦、场效应管、脉冲隔离变压器（初级次级绝缘在3000V以上），光耦连接场效应管，场效应管连接脉冲隔离变压器，脉冲隔离变压器将脉冲隔离放大后触发晶闸管。所有脉冲隔离变压器其基本原理与一般普通变压器(如电力变压器、电源变压器等)相同，但就磁芯的磁化过程这一点来看是有区别的:
(1) 脉冲隔离变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化；
(2) 脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而普通变压器交变信号是连续重复变化的，既有正的也有负的电压值。
所述温度检测模块可以达到0.0625°C的分辨率，以该分辨率对晶闸管温度进行监控和数字化；温度检测模块包括温度传感器芯片，测得的温度信号通过温度传感器芯片上13位模数转换器ADC转化为数字量，通过温度传感器芯片的数据总线I2C接口将数字量发送到智能功率控制单元的CPU。该温度传感器芯片可以采用ADT7420芯片，该芯片可在较宽的工业温度范围内提供突破性的性能。
所述采样模块包括同步电压信号检测电路和直流信号检测电路，同步电压信号检测电路检测到的同步电压信号经降压整形滤波电路后，经过调理运放电路发送到智能功率控制单元的CPU捕捉模块，同时直流电压信号检测电路检测到的直流信号经调理运放电路后再经过24bit A/D 芯片转换将数字量发送到智能功率控制单元的CPU，计算出同步电压相位和脉冲输出角度。
信号监视模块将晶闸管导通监视状态、风机运行状态和熔断器报警信号一系列的开关量、状态量送至CPU输入输出GPIO接口，CPU将状态量通过通讯模块的CAN接口发送到大功率直流整流装置的主控制柜控制调节系统，便于监视。
该智能功率控制单元在传统电力发电励磁系统和冶金、 化工行业中大功率直流整流装置应用较多。
本发明的工作原理如下：
智能功率控制单元作为大功率直流整流装置功率柜的控制核心，主要实现移相触发和功率器件的监视功能，通过CAN总线联接，将CAN总线构造成系统上的一个智能节点，并通过CAN总线完成柜间通信，可在电子级实现功率柜间的自动均流，并完成对功率柜的监测。采用美国德州仪器TI公司的ISO-1050通信芯片做为CAN通信模块的主要器件，耐压、防干扰能力大大增强；
功率柜中的智能功率控制单元接收大功率直流整流主控制柜调节系统的控制信号和触发控制信号，同时通过功率柜中的电量传感器对功率柜的直流电流进行实时、快速采样，将采样信号发送到智能功率控制单元，由智能功率控制单元分析各功率柜的均流情况，通过实时计算得到该功率柜需要调整修正的触发角度后发给整流元件，改变触发角均在5ms 内完成，动态特性优秀，使得每个功率柜的直流电流输出快速达到均衡，从而实现整流装置中功率柜的自动均流控制。
本发明的有益效果如下：
本发明与大功率直流整流装置主控制调节系统配合使用，智能功率控制单元主要用于实现移相触发和功率器件的监视功能，它们之间通过CAN总线联接，将CAN总线构造成系统上的一个智能节点，并通过它完成柜间通信，可在电子级实现功率柜间的自动均流，并完成对功率柜的监测；通过对功率柜的直流电压和直流电流的采样，将采样信号发送给智能功率控制单元，智能功率控制单元中的中央处理器可计算出实时的触发脉冲角度，当大功率直流整流装置主控制调节系统出现故障或CAN通信出现问题时，智能功率控制单元可以作为主控制调节系统的备用通道投入运行，发出触发脉冲，使功率柜继续正常工作；智能功率控制单元内DSP芯片的数据总线、地址总线、控制总线均在CPU主板内，提高了抗干扰能力；软件不出片，即程序在运行中不需要向外设调用，以此确保程序的高速、可靠运行；当CAN通讯出现异常或者主控制调节系统故障而得不到触发角α后，智能功率控制单元根据自己采集的直流电压、电流计算出触发角α，经过放大及隔离回路触发晶闸管，维持整流系统的稳定运行；智能功率控制单元还具备桥臂电流检测、触发导通监视、同步信号的断线、相序判断，快速熔断器节点、风机运行、晶闸管温度监视等功能；通过本发明可以大大提高整流系统的可靠性，实现整流系统中功率柜的智能化和自动均流。
附图说明
图1为本发明用于大功率直流整流装置的组成结构示意图
图2为本发明配合大功率直流整流主控制系统的原理图
图3为本发明的智能功率控制单元的结构框图
图4为本发明的通信模块的结构示意图
图5为本发明的电源模块的结构示意图
图6为本发明的触发单元模块的结构示意图
图7为本发明的温度检测模块的结构示意图
其中， 附图标记为：1中央处理器控制模块、2通信模块、3电源模块、4触发模块、5采样模块、6信号监视模块、7温度检测模块。
具体实施方式
如图1所示，大功率直流整流装置包括主控制柜、并联功率柜、灭磁柜，其中功率柜中采用智能功率控制单元作为功率柜控制核心。如图2所示，大功率直流整流装置主控制调节系统和功率柜中的智能功率控制单元配合使用，主控制调节系统实现整流装置的采样、计算、限制保护功能，智能功率控制单元主要实现移相触发和功率器件的监视功能，它们之间通过CAN总线联接，将CAN总线构造成系统上的一个智能节点，并通过它完成柜间通信，可在电子级实现功率柜间的自动均流，并完成对功率柜的监测。采用TI公司的ISO-1050通信芯片做为CAN通信模块2的主要器件，耐压、防干扰能力大大增强。
如图3所示，用于实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，包括中央处理器控制模块1、通信模块2、电源模块3、触发模块4、采样模块5、信号监视模块6、温度检测模块7，中央处理器控制模块1与通信模块2、电源模块3、触发模块4、采样模块5、信号监视模块6分别连接，所述中央处理器控制模块1采用DSP芯片，设置于CPU主板上；通信模块2连接DSP芯片的增强型控制器局域网络ECAN接口，电源模块3通过专用TPS73HD301芯片连接DSP芯片的引脚上，触发模块4连接DSP芯片的脉宽调制模块PWM，采样模块5连接DSP芯片的模数转换器ADC，信号监视模块6连接DSP芯片的输出接口GPIO。
所述中央处理器控制模块1采用的DSP芯片可以是美国德州仪器TI公司推出的32位浮点运算DSP TMS320F28335芯片，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个直接存储器访问DMA通道支持模数转换器ADC、多通道缓冲串行端口McBSP和 外部存储器接口EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的脉宽调制模块PWM输出 (HRPWM)，双窄触发脉冲直接由芯片内部的定时器产生，触发脉冲精度可达 20000 码/180。
如图4所示，所述智能功率单元控制系统通信模块2配置有MODBUS 协议、PROFIBUS协议的CAN接口通讯，智能功率单元控制系统通过该通信模块2CAN接口与大功率直流整流装置的主控制柜控制调节系统交换信息，接受主控制调节系统控制命令，满足通信要求。
所述通信模块2采用美国德州仪器TI公司的ISO-1050芯片做为通信模块2的主要器件，该器件允许很大的共模电压变化下保证不间断的通信。通信模块2提供40kbps—1Mbps的高速数据通信速率，同时每根总线能够支持多达110个节点。增强的ESD防护能力使得该模块能够承受高达±4KV耐压，而不会方式闭锁或受损现象，使得整个通信模块2防干扰能力大大增强。
如图5所示，所述电源模块3采用性能优异的开关电源配合专用电源芯片，外部交流电源经过开关电源输出+5V，该输出再通过专用TPS73HD301芯片根据需要提供+3.3V、+1.9V等电源，供给智能功率控制单元DSP芯片使用，隔离电源变压器初级次级绝缘在3000V以上，以满足抗电性能和抗干扰的要求，符合GB/T15290标准要求。
如图6所示，所述触发模块4包括光耦、场效应管、脉冲隔离变压器（初级次级绝缘在3000V以上），光耦连接场效应管，场效应管连接脉冲隔离变压器，脉冲隔离变压器将脉冲隔离放大后触发晶闸管。所有脉冲隔离变压器其基本原理与一般普通变压器(如电力变压器、电源变压器等)相同，但就磁芯的磁化过程这一点来看是有区别的:
(1) 脉冲隔离变压器是一个工作在暂态中的变压器，也就是说，脉冲过程在短暂的时间内发生，是一个顶部平滑的方波，而一般普通变压器是工作在连续不变的磁化中的，其交变信号是按正弦波形变化；
(2) 脉冲信号是重复周期，一定间隔的，且只有正极或负极的电压，而普通变压器交变信号是连续重复变化的，既有正的也有负的电压值。
如图7所示，所述温度检测模块7包括温度传感器芯片，该温度检测模块7可以达到0.0625°C的分辨率，以该分辨率对晶闸管温度进行监控和数字化。测得的温度信号通过温度传感器芯片上13位模数转换器ADC转化为数字量，通过温度传感器芯片数据总线I2C接口将数字量发送到智能功率控制单元的CPU。该温度传感器芯片可以采用ADT7420芯片，该芯片可在较宽的工业温度范围内提供突破性的性能。
所述采样模块5包括同步电压信号检测和直流信号检测，同步电压信号经降压整形滤波后，经过调理运放电路发送到智能功率控制单元的CPU捕捉模块，同时直流信号经调理运放后再经过24bit A/D 芯片转换将数字量发送到智能功率控制单元的CPU，计算出同步电压相位和脉冲输出角度。
信号监视模块6将晶闸管导通监视状态、风机运行状态和熔断器报警信号一系列的开关量、状态量送至CPU输入输出GPIO接口，CPU将状态量通过通讯模块的CAN接口发送到大功率直流整流装置的主控制柜控制调节系统，便于监视。
该智能功率控制单元在传统电力发电励磁系统和冶金、 化工行业中大功率直流整流装置应用较多。
本发明的工作原理如下：
智能功率控制单元作为大功率直流整流装置功率柜的控制核心，主要实现移相触发和功率器件的监视功能，通过CAN总线联接，将CAN总线构造成系统上的一个智能节点，并通过CAN总线完成柜间通信，可在电子级实现功率柜间的自动均流，并完成对功率柜的监测。采用美国德州仪器TI公司的ISO-1050通信芯片做为CAN通信模块2的主要器件，耐压、防干扰能力大大增强；
功率柜中的智能功率控制单元接收大功率直流整流主控制柜调节系统的控制信号和触发控制信号，同时通过功率柜中的电量传感器对功率柜的直流电流进行实时、快速采样，将采样信号发送到智能功率控制单元，由智能功率控制单元分析各功率柜的均流情况，通过实时计算得到该功率柜需要调整修正的触发角度后发给整流元件，改变触发角均在5ms 内完成，动态特性优秀，使得每个功率柜的直流电流输出快速达到均衡，从而实现整流装置中功率柜的自动均流控制。
Claims (9)
1.一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：包括中央处理器控制模块、通信模块、电源模块、触发模块、采样模块、信号监视模块、温度检测模块，中央处理器控制模块与通信模块、电源模块、触发模块、采样模块、信号监视模块分别连接，所述中央处理器控制模块采用DSP芯片，设置于CPU主板上；通信模块连接DSP芯片的增强型控制器局域网络ECAN接口，电源模块通过专用TPS73HD301芯片连接DSP芯片的引脚上，触发模块连接DSP芯片的脉宽调制模块PWM，采样模块连接DSP芯片的模数转换器ADC，信号监视模块连接DSP芯片的输出接口GPIO；所述中央处理器控制模块采用的DSP芯片采用DSP TMS320F28335芯片。
2.根据权利要求1所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述智能功率控制单元设置于大功率直流整流装置的功率柜中，作为功率柜控制核心。
3.根据权利要求2所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述通信模块配置有MODBUS 协议、PROFIBUS协议的CAN接口，智能功率控制单元通过所述通信模块的CAN接口与大功率直流整流装置的主控制柜控制调节系统交换信息，接受主控制柜控制调节系统的控制命令。
4.根据权利要求1或3所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述通信模块采用ISO-1050芯片。
5.根据权利要求1或3所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述电源模块包括开关电源和专用电源芯片，所述专用电源芯片采用TPS73HD301芯片；外部交流电源经过开关电源输出，该输出再通过TPS73HD301芯片根据需要提供电源，供给所述DSP芯片使用。
6.根据权利要求1或3所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述触发模块包括光耦、场效应管、脉冲隔离变压器，光耦连接场效应管，场效应管连接脉冲隔离变压器，脉冲隔离变压器将脉冲隔离放大后触发晶闸管。
7.根据权利要求1或3所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述温度检测模块的分辨率达到至少0.0625°C，温度检测模块包括温度传感器芯片，温度传感器芯片具有13位模数转换器ADC和数据总线I2C接口，温度传感器芯片测得的温度信号通过13位模数转换器ADC转化为数字量，再通过数据总线I2C接口将数字量发送到智能功率控制单元的CPU；所述温度传感器芯片采用ADT7420芯片。
8.根据权利要求1或3所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：所述采样模块包括同步电压信号检测电路和直流信号检测电路，同步电压信号检测电路检测到的同步电压信号经降压整形滤波电路后，经过调理运放电路发送到智能功率控制单元的CPU捕捉模块，同时直流电压信号检测电路检测到的直流信号经调理运放电路后再经过24bit A/D 芯片转换将数字量发送到智能功率控制单元的CPU，计算出同步电压相位和脉冲输出角度。
9.根据权利要求1或3所述的一种实现智能化和自动均流控制的智能功率控制单元，其特征在于：信号监视模块将晶闸管导通监视状态、风机运行状态和熔断器报警信号一系列的开关量、状态量送至CPU输入输出GPIO接口，CPU将状态量通过通讯模块的CAN接口发送到大功率直流整流装置的主控制柜控制调节系统，便于监视。
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| PB01 | Publication | ||
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| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130403 |