CN104167907A - 一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，使用级联式高压变频器的并联方式，对外与PLC通讯，变频器之间采用光纤通讯，通过同一中央控制器实现对下属各变频进行协调支配的方式，多机并联实现驱动变频的整体扩容，达成小容量功率器件并联控制大型电机的目的。本发明解决了变频控制电机的软切换问题，避免了变频由于停机需由备用变频进行飞车切入的过程，从而达到真正的一用一备的目的，通过IGBT逆变桥级联的拓扑结构再次进行双机以上的并联可以实现大容量电机的控制问题，步入过去只有IEGT能够涉足的领域，同时也省去了过去大功率设备运行时散热问题难以解决的问题。

Description

一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种基于不可控整流多级串联变频器的并联控制技术，特别涉及一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构。

背景技术

IGBT是目前高压变频器行业应用最为广泛的阀元件，通过控制IGBT的触发角可以对阻抗进行连续调节，可以增强系统输电能力，提高系统稳定性、阻尼功率振荡和抑制次同步振荡等功能。级联式变频是高压变频器普遍适用的拓扑结构，能够产生谐波含量不超过4％的完美正弦输出电压波形。

现有的级联高压变频控制电机系统，一方面存在当高压变频停机需由备用变频进行飞车切入的过程，另一方面难以实现超大容量电机的控制问题。现有技术领域只能由IEGT能够涉足。IEGT是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件，大量应用现有超大功率电机的变频驱动控制系统，但由于功率等级的提高，伴随着结构及电气方面需进行相应的特殊设计，例如传统的IGBT风冷散热已根本无法满足其要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，采用该结构进行多机并联，适用级联式变频进行并联输出能够较好地实现变频器间的协调，极大地减小变频器间的均流效应。实现驱动变频的整体扩容，达成小容量功率器件并联控制大型电机的目的。同时解决变频控制电机的软切换问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，包括高压变频器，中央控制器，PLC控制系统，其中高压变频器为级联式高压变频器；所述不同母线段上的高压变频器并联在一起，并联的单台高压变频器的控制系统与同一中央控制器相连，对外与PLC控制系统通讯，高压变频器间采用光纤通讯，实现数据与中央控制器间的传输，中央控制器对并联回路和各执行机构进行统筹，实现各执行机构的均流控制，PLC控制系统完成各高压变频器的启动、停止及外围逻辑控制。

所述的高压变频器的控制系统包括中央数据处理CPU、负责数据传输的CPLD芯片、负责单元驱动及保护的CPLD芯片和负责控制通讯的FPGA芯片，FPGA的作用是协调高压变频器及承担变频控制器与单元信号处理的控制桥梁，CPLD是变频驱动的执行机构，CPU完成对数字及模拟信号的采集，结合CPLD的故障及母线电压的检测，通过FPGA与CPLD间的通讯，达成IGBT的驱动控制，形成闭环控制系统。

所述的高压变频器输出侧串联电抗器后再进行并联。

所述的级联式高压变频器，包括N个功率单元，每个功率单元均由三相不可控整流桥、DC-LINK、逆变桥组成，通过级联的方式提供变频的输出电压，对各类高压电机进行驱动。

所述的变频额定输出电压等级为3.3Kv、4.16kV、6KV、10KV、11KV或13.8kV。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用了集中式的控制方式，对各变频的状态进行了精准的采集，达到一个大脑分配，数个执行机构按部就班的形式。不同变频装置受到同一中央控制器支配，并且结合PLC控制系统，提高可靠性，增加控制系统冗余。各变频拥有自己的控制系统，在中央控制器损坏的情况下，变频系统可以结合PLC系统判断是否符合启动要求，PLC可以通过切换为MODBUS通讯直接对变频进行驱动控制。使用光纤通讯为主，PLC辅助通讯的方式，速率快，反应及时，提高了系统可靠性。

2)输出侧各自串联了相应的电抗器装置，更加提高了俩象限变频的抗干扰能力，可靠地抑制了变频之间的基波环流。

3)采用本发明可以不改变变频主电路结构，易于实现，在大功率等级条件下省去了考虑结构及器件绝缘、散热、稳定等传统问题，也可以对过去相应的设计进行重复利用，省去了结构电气的设计成本。该拓扑结构无需使用可控的三相整流桥，大大节约了单个变频成本。

4)高压变频器供电电网无需是同一母线段，高压变频器根据需要输出相应电压，可解决部分现场改造由于原母线容量不足，需新增母线的情形。通过增加并联的变频个数可以方便地增加变频容量，不仅为高压大功率电机的变频运行提供了一种简单有效且易于扩展的方案，还拓展了中小容量高压变频器的应用领域。

5)若应用于一用一备现场，则实现变频之间的热切换，彻底保证工业上永不停机的目的，与过去的飞车启动相比具有明显优势。

6)该发明可延伸至并联母线电网的使用，为不同电网的并联提供了简单有效的拓扑方法，达成扩充母线容量的作用。

附图说明

图1为本发明基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构图。

图2为本发明高压变频器控制拓扑结构图。

图3为本发明通讯拓扑结构图。

图4为本发明级联式高压变频系统拓扑结构图。

图5为本发明高压变频器功率单元拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：

如图1所示，一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，包括2台级联式高压变频器，一台中央控制器，一套PLC控制系统，电网1段上的1#变频器与电网2段上的2#变频器在输出端串联抑制环波基流的电抗器后再并联在一起。每台高压变频器控制系统都通过10M光纤与中央控制器通讯，又与PLC控制系统通讯。单台高压变频器控制系统精准采集各变频器的状态传输给中央控制器，中央控制器采集并联系统状态，对并联回路和各执行机构进行统筹，实现各执行机构的均流控制；PLC控制系统完成高压变频器的启动、停止及外围逻辑控制。不同段母线上的高压变频器，利用变频的整流逆变整合出等压、等幅及等频率的不同等级的输出电压，各变频控制器间采用光纤通讯，数据传输可靠快速。

如图2所示，高压变频器的控制拓扑结构，中央数据处理CPU、负责数据传输的CPLD芯片、负责单元驱动及保护的CPLD芯片和控制通讯的FPGA芯片，FPGA承担了变频之间协调控制的桥梁，不仅完成了变频与中央控制器的通讯，同时也承担了变频控制器与驱动芯片的控制及保护等方面的通讯任务，CPLD形成了变频驱动的执行机构，主要承担功率单元的驱动及故障检测，CPU是变频控制的大脑，同时在一定的时钟逻辑中完成对数字及模拟信号的采集，结合CPLD的故障及母线电压的检测，达成了可靠、保护迅捷的闭环的控制系统。

如图3所示，中央控制器与各高压变频器的控制系统通过光纤通讯，对外与PLC控制系统通讯。控制数据的发送完全一致，另结合PLC系统扩展对多台变频器及外围设备的数据采集及控制，变频并联系统可以无限扩展，达到多机并联的目的，并且由于PLC与中央控制器的数据交换，在单台变频器损坏时，结合实际情况，可以无需停止其余变频系统继续拖动电机运行，达成高稳定性的工业控制要求，另外若出现系统中单台变频需进行检修，可随时退出系统，并在检修完毕后，检测输出电压、相位、频率一致时再次并入系统。

如图4所示，高压变频器采用级联式结构，母线输入经过移相变压器，可以滤除整流部分对网侧的谐波污染，采用功率单元的三相串联结构，如此便形成了不同电压等级的变频装置，因此适用于不同额定电压的大型电机拖动要求。

如图5所示，级联式高压变频器包括N个功率单元，每个功率单元的整流部分采用不可控三相整流桥，而逆变电路采用H可控桥的方式，并且在整流部分的A、C输入增加了熔断器，不仅起到保护变压器的目的，更可避免功率单元更大程度的损坏，同时在功率单元内部，包含控制IGBT驱动及单元保护于一身的控制板，并且在实际的控制过程中，对母线电压进行了精准的检测，同时使用了10M光纤通讯方式以达到数据采样快速性的目的，从而保证每个功率单元输出的精确性。

以上列举了高压变频装置并联运行基本单元的机械结构，列举了并联控制的拓扑结构，所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims (5)

1.一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，包括高压变频器，中央控制器，PLC控制系统，其中高压变频器为级联式高压变频器；其特征在于，不同段母线上的高压变频器并联在一起，并联的单台高压变频器的控制系统与同一中央控制器相连，对外与PLC控制系统通讯，高压变频器间采用光纤通讯，实现数据与中央控制器间的传输，中央控制器对并联回路和各执行机构进行统筹，实现各执行机构的均流控制，PLC控制系统完成各高压变频器的启动、停止及外围逻辑控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，其特征在于，所述的高压变频器的控制系统包括中央数据处理CPU、负责数据传输的CPLD芯片、负责单元驱动及保护的CPLD芯片和控制通讯的FPGA芯片，FPGA的作用是协调高压变频器及承担变频控制器与单元信号处理的控制桥梁，CPLD是变频驱动的执行机构，CPU完成对数字及模拟信号的采集，结合CPLD的故障及母线电压的检测，通过FPGA与CPLD间的通讯，达成IGBT的驱动控制，形成闭环控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，其特征在于，所述的高压变频器输出侧串联电抗器后再进行并联。

4.根据权利要求1所述的一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，其特征在于，所述的级联式高压变频器，包括N个功率单元，每个功率单元均由三相不可控整流桥、DC-LINK、逆变桥组成，通过级联的方式提供变频的输出电压，对各类高压电机进行驱动。

5.根据权利要求1所述的一种基于高压变频器的多机并联控制拓扑结构，其特征在于，所述的变频额定的输出电压等级为3.3Kv、4.16kV、6KV、10KV、11KV或13.8kV。