CN104953806B - 级联功率单元高压变频器无功耗旁路装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种级联功率单元高压变频器的冗余旁路方法,包括电子旁路与机械旁路。高压变频器主控制器与三相若干功率单元的单元控制器通过光纤相连，其硬件单元包括：功率单元的单元控制器、旁路控制电路、掉电保持电路、触点反馈电路、模块驱动电路、H型逆变桥，机械旁路包含磁驱动器件。当功率单元发生故障时，单元控制器自动识别该故障类型，并自动选择旁路方式。本发明将两种旁路方式整合为一种更加可靠的冗余旁路控制方法，从而提高了功率单元旁路的可靠性，降低变频器整个系统的故障率，提高了整个系统的安全性和可靠性。

Description

级联功率单元高压变频器无功耗旁路装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种级联功率单元高压变频器的无功耗控制旁路装置及其控制方法。

背景技术

随着国家对节能减排的逐年重视，生产企业对生产效率、控制方法均提出了更高的要求，用于调速电气传动系统的高压变频器广泛应用于电力、冶金、石油、化工等领域。受现阶段的电力电子器件耐压、谐波要求、控制算法的复杂程度等因素影响，目前高压变频器主要还是采用功率单元级联输出高压的方式。然而，采用功率单元级联方式的高压变频器由于功率器件多，故障点增加，对于通常运用于重要场合的高压变频器，一旦发生故障停机，将给用户带来重大损失。

中国发明专利申请公开说明书CN101299572A公开了一种高压变频器的旁路装置。该装置针对某个或几个功率单元发生故障时，采用并联在功率单元输出侧的旁路装置旁路掉对应的故障单元，几种拓扑结构分别为：功率单元输出端并联接触器、功率单元输出端并联二极管和晶闸管、功率单元输出端并联二极管和IGBT模块、功率单元输出端并联IGBT模块。上述前三种方式均可在功率单元发生故障时，切除该功率单元，然而以上旁路方式存在以下问题：其一，功率单元旁路控制用电取自功率单元内部或外部，当功率单元供电电源或外部供电电源发生故障时，旁路装置可能不动作；其二，旁路完成后，仍然需要给旁路装置提供控制信号，造成了控制电路的复杂性，降低了系统可靠性；其三，采用二极管并联晶闸管或IGBT等器件的旁路方式增加了系统的成本；其四，采用传统接触器旁路时，接触器线包发热大，功耗大，长时间工作容易烧毁；其五，以上各旁路装置的旁路方式单一，若旁路装置本身出现故障，功率单元将不能完成旁路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种级联功率单元高压变频器的无功耗旁路装置，该装置中利用功率单元H逆变桥与机械旁路装置整合为旁路装置，既可实现快速的旁路响应，又能确保功率单元发生任何故障均能实现可靠旁路。

本发明的另一个目的是在于提供一种级联功率单元高压变频器的旁路控制方法。本方法采用软、硬件同时处理，既可利用功率单元内部逆变侧的IGBT实现模块旁路，也可利用并联在功率单元输出端的机械旁路装置实现机械旁路，结构简单，维护方便，同时该方法保证了整个旁路方法安全可靠工作。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种级联功率单元高压变频器无功耗旁路装置，包括主控制器、功率单元的单元控制器、H逆变桥和机械旁路装置，所述H逆变桥和机械旁路装置整合为一；所述单元控制器通过光纤串口通讯与主控制器相连，单元控制器分别还与模块驱动电路、旁路控制电路、触点反馈电路相连，其中模块驱动电路又与使用IGBT模块的H逆变桥相连，形成模块旁路装置；机械旁路装置由单元控制器、旁路控制电路、掉电控制电路、触点反馈电路共同控制。其中模块驱动电路又与H逆变桥的IGBT模块相连，形成模块旁路装置；机械旁路装置由单元控制器、旁路控制电路、掉电控制电路、触点反馈电路共同构成。所述旁路控制电路、触点反馈电路与机械旁路装置相连，其中旁路控制电路还包含了掉电保持电路。主控制器为基于一种芯片的嵌入式系统，它负责整个变频器主要信号的采集、算法处理、运行控制，并与功率单元进行光纤通讯，实现高压强电安全隔离，单元控制器负责与主控制器通讯，并对功率单元内部信号进行采集、处理、控制。

所述机械旁路装置可以为磁保持接触器、磁保持继电器，可推演其他相似的器件。当模块出现故障，或模块旁路对于某些特定故障不再适用时，可以采用机械旁路装置实现机械旁路，机械旁路装置动作依靠本身的永磁体吸持，只需几十毫秒的脉冲电压信号，不再需要额外的电源供电。

所述使用的磁保持接触器、磁保持继电器，为一组常开和常闭互锁的触头，其常闭触头的两端分别连接所述H逆变桥的第一输出端L1和所述功率单元的第一级联端O1， 其常开触头的两端分别连接H逆变桥的第二输出端L2和功率单元的第一级联端O1，所述H逆变桥的第二输出端L2连接所述功率单元的第二级联端O2。

由于整个旁路过程采用了软件控制算法和硬件旁路电路，确保无论功率单元处于哪种故障类型，故障单元均能安全可靠的从旁路切除。步骤如下：

(a) 功率单元发生故障时，单元控制器迅速封锁该功率单元IGBT的驱动信号、同时单元控制器根据发生的故障类型判断，智能选择采用功率单元内部逆变侧IGBT实现的模块旁路或机械旁路装置实现的机械旁路。同时功率单元的单元控制器通过光纤串口通讯将故障类型发送给主控制器，主控制记录当前变频器中故障功率单元的位置及故障类型，并通过人机界面报警显示出来，便于维护人员查看；

(b)单元控制器采用(a)中确定的旁路方式，将自身所在的功率单元旁路出去，同时主控制器根据旁路前的输出电压、运行频率，当前正常单元个数，自动采用中性点漂移技术，重新发送所有正常状态的功率单元的驱动信号，并维持旁路前变频器的运行频率、输出电压；

(c)当(a)中所述采用模块旁路方式时，通过单元控制器发10ms等宽的PWM波形送给模块驱动电路，此波形可推演其他周期等宽PWM波形，通过模块驱动电路控制模块旁路的H逆变桥，让IGBT模块上下管交替工作实现电子式的快速旁路；

(d)当(a)中所述采用机械旁路方式时，其实现的方法由硬件电路实现，单元控制器发送脉冲信号给旁路控制电路中的三极管，控制场效应管工作，场效应管输出信号控制机械旁路装置动作，实现快速旁路，旁路动作后通过触点反馈电路将机械旁路装置动作情况反馈给单元控制器，然后经光纤串口通讯反馈给主控制器监视旁路状态；

(e)所述掉电控制电路包括储能电容、比较器和三极管，其中储能电容作用是功率单元掉电或单元控制器掉电时为机械旁路装置与掉电控制电路供电，掉电后通过比较器输出信号控制三极管，然后三极管给场效应管提供信号，控制机械旁路装置线圈工作，实现快速旁路，从而实现该故障单元的可靠切除，同时主控制器将做出同（b）中的控制方法，实现变频器的可靠运行。

利用本发明的高压变频器的旁路装置，具有以下优点：

功率单元采取了两种完全不同的旁路方式，针对功率单元发生的任何故障，均能实现更加可靠旁路。

使用功率单元逆变侧IGBT进行旁路时，不需要增加任何的额外器件，只需改进原有单元控制器中的软件算法，无任何成本增加。同时旁路动作非常迅速，为微秒级。

当采用机械旁路装置时，只需要提供较小的驱动电能，即可完成旁路。完成旁路后，不需要再给机械旁路装置供电，由此减小了单元控制器的功耗，避免了传统接触器线包长时间工作带来的发热，损坏等；机械旁路装置自带的辅助触点可作为反馈信号，便于实时监测机械旁路装置状态，增加旁路可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为一种级联功率单元高压变频器结构示意图。

图2为本发明高压变频器功率单元电气及控制框图。

图3为本发明的旁路装置示意图。

图4为本发明中机械旁路装置的旁路控制电路原理图。

图5为本发明功率单元失电或控制板失电后的掉电控制电路原理图。

具体实施方式

图1为级联功率单元高压变频器结构示意图，虚线内A1～An、B1～Bn、C1～Cn为功率单元，该变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压输出，输入侧的降压变压器采用移相方式，可有效消除电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术。

图2所示为某个功率单元电气及控制框图，每个功率单元为一个独立的三相输入、单相输出的交—直—交变频器，其电源由移相变压器的二次侧绕组提供，每个功率单元电气部分包括熔断器、全桥式整流桥、滤波电容、均压电阻、H型逆变桥及机械旁路装置，控制部分包括单元控制器、模块驱动电路、旁路控制电路、触点反馈电路，单元控制器通过模块驱动电路，在H型逆变桥的L1、L2处输出逆变电压。

如图3所示，机械旁路装置包含两组互锁的常开触头KM2、常闭触头KM1。当功率单元无任何故障发生时，功率单元的输出端与级联端对应连接，即L1连接至O1、L2连接至O2，此时该功率单元处于正常级联状态。当某个功率单元发生故障时，该故障可以是功率单元本身的内部故障，如单元输入缺相、温度过高等，也可以是功率单元的单元控制器与主控制器之间的通讯故障，此刻就需要将该故障功率单元由级联状态切除出去。本发明提供了以下两种切除故障功率单元方法，逆变侧IGBT实现的模块旁路、机械旁路装置实现的机械旁路，这两种旁路方法互为补充，可极大的提高功率单元的旁路可靠性，下面就这两种旁路方式分别结合实例进行阐述：

如图3所示，当功率单元的单元控制器采用模块旁路时，单元控制器控制逆变侧IGBT中Q1、Q2、Q3、Q4的驱动波形，H逆变桥上下管采用互补方式工作，电流由L1流到L2，其一为路径L1→Q1→Q2→L2，其二为路径L1→Q3→Q4→L2；当电流经L2流到L1同样有两条路径，即L2→Q2→Q1→L1,或者L2→Q4→Q3→L1。为了使IGBT及内部二极管散热均衡，当电流由L1流到L2时，先选择路径L1→Q1→Q2→L2，旁路时间为5～12ms后，以几微妙时间或IGBT所设置死区时间切换至路径L1→Q3→Q4→L2，待旁路达到相同周期后循环切换。同理，当电流由L2流到L1时，先选择路径L2→Q2→Q1→L1，旁路时间为5～12ms后，以几微妙时间或IGBT所设置死区时间切换至L2→Q4→Q3→L1，同样以此循环切换，由此便可实现IGBT及内部二极管的散热均衡。

在图3中，实现机械旁路时，KM1断开、KM2闭合，即可将功率单元第一级联端O1与第二级联端O2实行短接，从而可以将该故障单元从级联状态切除出去，同时将机械旁路装置的动作情况可以通过检测辅助触点状态将机械旁路装置的状态反馈至单元控制器，实现机械旁路的有效监控。

从图3和图4可知，本实施例采用单线圈接触器，也可以推演采用双线圈，单线圈改变驱动线包中电流的流通方向即可改变接触器的吸合与释放，永磁交流接触器吸合线包的工作电压为24V，当功率单元采用机械旁路时，先封锁模块驱动信号，单元控制器迅速向接触器吸合电路发一个60ms的吸合信号，此刻+24V-B电源经过MOS管Q4、接触器线包、MOS管Q5、GND形成回路，机械旁路装置将动作，从而使功率单元输出级联端O1、O2短接，即可使该功率单元从变频器中切除出去，待该机械旁路装置吸合完成后，机械旁路装置不再需要电路板供电，只依靠永磁交流接触中的永磁体吸持，吸持力大，从而保证旁路的可靠性。

在功率单元正常状态下，图5掉电控制电路中储能电容E3并联至+24V-B电源，并存储有足够的能量，正常状态下，R21、R22、R24、R25电阻分压应使得比较器U1的负端输入电压大于正端输入电压，即三极管Q12处于截止状态。当功率单元失电后，电源+24V-A由于其他电路负载很快迅速放电到低于R25两端电压，储能电容E3将给比较电路与旁路控制电路供电，+24V-B电源经电阻分压，此刻经比较器U1的输入正端大于负端电压，比较器输出高电平，使三极管Q12导通，此刻+24V-B电源经过MOS管Q4、接触器线包、MOS管Q5与GND形成回路，机械旁路装置将吸合，从而使功率单元O1、O2短接，即可使机械旁路装置完成该功率单元的机械旁路，其中储能电容E3的储能足以维持机械旁路装置工作所需能量，满足机械旁路装置的线圈通电允许施加50～60ms，故该电路完全可以保证功率单元失电后，功率单元的控制系统失效的情况下，还能完成功率单元的可靠旁路。

当功率单元恢复正常，且功率单元处在机械旁路的状态下，通过触点反馈电路反馈给单元控制器，单元控制器向机械旁路装置控制回路发出60ms的释放信号，此刻+24V-B电源通过MOS管Q7、接触器线包、MOS管Q6与GND形成回路，即可使机械旁路装置完成释放，从而使功率单元O1、O2分断，使功率单元投入到级联功率单元中。

以上两种旁路方法都可以将级联的功率单元从级联状态切除至旁路状态，功率单元逆变侧IGBT构成的模块旁路，具有旁路非常迅速，不会在旁路过程中形成冲击电流，且不会增加硬件电路的成本，机械旁路装置构成的机械旁路，具有旁路可靠性高，不受功率单元内部自身器件的影响，两种旁路方法的选择依据为：模块旁路能将故障单元可靠切除出去时，就采用模块旁路，当模块旁路不能将级联功率单元切除出去时，如果功率单元IGBT本身发生故障、功率单元过热等重故障时，就采用机械旁路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种级联功率单元高压变频器的冗余旁路方法，包括功率单元的主控制器、单元控制器、旁路控制电路、掉电保持电路、触点反馈电路、模块驱动电路以及H型逆变桥和机械旁路装置，其中H型逆变桥和机械旁路装置整合为旁路装置，单元控制器自动识别故障类型，并自动选择H型逆变桥构成的电子旁路方式，或者磁驱动器件构成的机械旁路方式，其特征在于，该方法包括下列实施步骤：

(a) 所述功率单元的单元控制器根据检测到的故障类型，通过光纤通讯方式发送给主控制器，主控制器记录当前变频器中故障功率单元的位置及故障类型，并通过人机界面报警显示出来；

(b) 所述单元控制器采用选定的旁路方式，将自身所在的功率单元旁路出去，同时主控制器根据旁路前的输出电压、运行频率，当前正常单元个数，自动采用中性点“漂移”技术，重新发送所有正常状态的功率单元的驱动信号，并维持旁路前变频器的运行频率、输出电压；

(c) 采用所述电子旁路方式时，通过单元控制器发5～12ms等宽的PWM波形送给模块驱动电路，此波形可推演其他周期等宽PWM波形，通过模块驱动电路控制电子旁路的H型逆变桥，让IGBT模块上下管交替工作实现电子式的快速旁路；

(d) 采用所述机械旁路方式时，单元控制器发送的脉冲信号送给旁路控制电路中的三极管，控制场效应管工作，场效应管输出信号控制机械旁路装置动作，实现快速旁路，旁路动作后通过触点反馈电路将机械旁路装置动作情况反馈给单元控制器，然后通过光纤通讯反馈给主控制器监视旁路状态；

(e) 所述掉电保持电路包括储能电容、比较器和三极管，其中储能电容作用是功率单元掉电或单元控制器掉电时为机械旁路装置和掉电保持电路供电，掉电后通过比较器输出信号控制三极管，然后三极管给场效应管提供信号，控制机械旁路装置线圈工作，从而实现该故障功率单元的可靠切除，同时主控制器将做出同（b）中的控制方法。