CN105974217A

CN105974217A - 一种脉冲分配器在线故障诊断方法

Info

Publication number: CN105974217A
Application number: CN201610101273.4A
Authority: CN
Inventors: 黄连生; 陈晓娇; 傅鹏; 高格; 王泽京; 何诗英
Original assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Current assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: CN105974217B

Abstract

本发明公开了一种脉冲分配器在线故障诊断方法，包括有隔离型AC/DC电源模块、光接收器、施密特反相器、功率放大电路、脉冲状态诊断逻辑电路、光发送器和控制系统，实现脉冲分配器工作状态的在线诊断。对保障大功率变流器设备安全运行极其重要。本发明在脉冲分配器上集成了故障检测逻辑电路，可以实时检测脉冲分配器功率放大回路和电源状态；状态诊断信号通过光纤传送反馈到控制系统，控制系统通过识别脉冲逻辑，进行脉冲分配器状态在线检测；通过单根光纤传送状态信号，既实现了高压隔离也简化了施工布线。

Description

一种脉冲分配器在线故障诊断方法

技术领域

本发明涉及晶闸管相控变流器控制技术领域，尤其涉及一种脉冲分配器在线故障诊断方法。

背景技术

ITER（国际热核聚变实验堆）计划是当今世界最大的国际科技合作计划。极向场变流器电源是ITER重要的子系统之一，为等离子体的产生、约束、维持、加热以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制，提供必要的工程基础和控制手段。极向场变流器电源是超大功率晶闸管相控变流器，单机容量为60MW，整个系统装机容量为4600MW。极向场变流器系统中需要使用大量脉冲分配器，用于触发信号的接收、转换以及将触发信号功率放大驱动晶闸管元件。脉冲分配器的正常在线运行状态是保障设备安全可靠运行的关键。由于变流器额定电压高达3.15kV，额定负载电流为55kA，设备内的电压等级较高、电磁干扰极其强烈。因此，极其有必要对脉冲分配器的工作状态进行实时检测，保障设备安全运行。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种脉冲分配器在线故障诊断方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种脉冲分配器在线故障诊断方法，包括有隔离型AC/DC电源模块、光接收器、施密特反相器、功率放大电路、脉冲状态诊断逻辑电路、光发送器和控制系统，所述的隔离型AC/DC电源模块为光接收器、施密特反相器、功率放大电路、脉冲状态诊断逻辑电路和光发送器提供电源，所述的光接收器接收光脉冲触发信号并转换为电脉冲信号，由施密特反相器对信号整形，再由功率放大电路将电信号转换成满足晶闸管触发要求的脉冲功率信号，同时整形后的脉冲信号与取自功放电路末级的电脉冲信号通过脉冲状态诊断逻辑处理后输出一个状态信号，若该状态信号是脉冲信号，则表示脉冲分配器工作正常；若该状态信号是高电平，则表示功率放大回路故障；若该状态信号是低电平，则表示电源故障，该状态信号由光发送器通过光纤传送反馈到控制系统，控制系统通过识别脉冲逻辑的不同组合来实现脉冲分配器正常态、脉冲故障态、电源故障态的在线状态检测功能。

所述的功率放大电路由限流电阻R2与5V稳压二极管D3串联后并联在功率放大管Q1的源极和漏极两端构成的，功率放大管Q1的栅极为施密特反相器整形后的信号的输入端，功放电路末级的电脉冲信号从限流电阻R2和稳压二极管D3的公共端输入，功率放大管Q1的漏极还连接有电阻R1，电阻R1与变压器T1串联，变压器T1的两边分别连接有二极管D1和二极管D2。

所述的脉冲状态诊断逻辑电路包括有NE555D芯片U2、异或门U3、CD4538BCM芯片U4、反相器U5和或门U6，NE555D芯片U2、电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R4、二极管D4、二极管D5构成了频率及占空比可调的多谐振荡器，NE555D芯片U2的THRES端和CONT端分别与电容C2和电容C3连接，电容C2和电容C3的另一端接地，NE555D芯片U2的THRES端和DISCH端分别与电阻R3和二极管D4的正极连接，电阻R3和二极管D4串联后再与二极管D5并联，电阻R4的两端分别与电阻R3和VCC5V连接，OUT端连接或门U6的一个输入端，整形后的脉冲信号与功放末级的反馈信号进入异或门 U3，异或门U3的输出端连接反相器U5的输入端，反相器U5的输出端与电阻R7连接，CD4538BCM芯片U4、电容C1、电阻R6、电阻R7组成单稳态谐振电路，CD4538BCM芯片U4的AaIN端与电阻R7连接，电阻R6的一端连接VCC5V，另一端分别连接电容C1和CD4538BCM芯片U4的T2A端，电容C1与T1A端连接，CD4538BCM芯片U4的QaOUT端连接或门U6的另一个输入端，或门U6的输出端通过R8与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与所述的光发送器连接。

光接收器接收光脉冲触发信号并将其转换为电脉冲信号；由施密特反相器对信号进行整形；再由功率放大电路将电信号转换成满足晶闸管触发要求的脉冲功率信号；同时整形后的脉冲信号与功放电路末级的电脉冲信号通过脉冲状态诊断逻辑处理后输出一个状态信号。若该状态信号是脉冲信号，则表示脉冲分配器工作正常；若该状态信号是高电平，则表示功率放大回路故障；若该状态信号为低电平，则表示电源故障。该状态信号由一个光发送器件通过光纤反馈到控制系统；控制系统通过识别脉冲逻辑的不同组合来实现脉冲分配器正常态、脉冲故障态、电源故障态的在线状态检测功能。

本发明的优点是：本发明在脉冲分配器上集成了故障检测逻辑电路，可以实时检测脉冲分配器功率放大回路和电源状态；状态诊断信号通过光纤传送反馈到控制系统，控制系统通过识别脉冲逻辑，进行脉冲分配器状态在线检测；通过单根光纤传送状态信号，既实现了高压隔离也简化了施工布线。

附图说明

图1 脉冲分配器在线故障诊断方案原理图。

图2 脉冲整形电路原理图。

图3 脉冲功率放大电路原理图。

图4 脉冲分配器状态诊断逻辑电路原理图。

图5 脉冲状态诊断逻辑测试波形图-正常状态波形。

图6 脉冲状态诊断逻辑测试波形图-功率放大级无输入信号故障状态波形。

图7 脉冲状态诊断逻辑测试波形图-功率放大级短路故障状态波形。

具体实施方式

如图1、2所示，一种脉冲分配器在线故障诊断方法，包括有隔离型AC/DC电源模块1、光接收器2、施密特反相器3、功率放大电路4、脉冲状态诊断逻辑电路5、光发送器6和控制系统8，所述的隔离型AC/DC电源模1块为光接收器2、施密特反相器3、功率放大电路4、脉冲状态诊断逻辑电路5和光发送器6提供电源，所述的光接收器2接收光脉冲触发信号并转换为电脉冲信号，由施密特反相器3对信号整形，再由功率放大电路4将电信号转换成满足晶闸管触发要求的脉冲功率信号，同时整形后的脉冲信号与取自功放电路末级的电脉冲信号通过脉冲状态诊断逻辑处理后输出一个状态信号，若该状态信号是脉冲信号，则表示脉冲分配器工作正常；若该状态信号是高电平，则表示功率放大回路故障；若该状态信号是低电平，则表示电源故障，该状态信号由光发送器6通过光纤7传送反馈到控制系统8，控制系统8通过识别脉冲逻辑的不同组合来实现脉冲分配器正常态、脉冲故障态、电源故障态的在线状态检测功能。

如图3所示，所述的功率放大电路4由限流电阻R2与5V稳压二极管D3串联后并联在功率放大管Q1的源极和漏极两端构成的，功率放大管Q1的栅极为施密特反相器整形后的信号的输入端，功放电路末级的电脉冲信号从限流电阻R2和稳压二极管D3的公共端输入，功率放大管Q1的漏极还连接有电阻R1，电阻R1与变压器T1串联，变压器T1的两边分别连接有二极管D1和二极管D2。

如图4所示，所述的脉冲状态诊断逻辑电路5包括有NE555D芯片U2、异或门U3、CD4538BCM芯片U4、反相器U5和或门U6，NE555D芯片U2、电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R4、二极管D4、二极管D5构成了频率及占空比可调的多谐振荡器，NE555D芯片U2的THRES端和CONT端分别与电容C2和电容C3连接，电容C2和电容C3的另一端接地，NE555D芯片U2的THRES端和DISCH端分别与电阻R3和二极管D4的正极连接，电阻R3和二极管D4串联后再与二极管D5并联，电阻R4的两端分别与电阻R3和VCC5V连接，OUT端连接或门U6的一个输入端，整形后的脉冲信号与功放末级的反馈信号进入异或门 U3，异或门U3的输出端连接反相器U5的输入端，反相器U5的输出端与电阻R7连接，CD4538BCM芯片U4、电容C1、电阻R6、电阻R7组成单稳态谐振电路，CD4538BCM芯片U4的AaIN端与电阻R7连接，电阻R6的一端连接VCC5V，另一端分别连接电容C1和CD4538BCM芯片U4的T2A端，电容C1与T1A端连接，CD4538BCM芯片U4的QaOUT端连接或门U6的另一个输入端，或门U6的输出端通过R8与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与所述的光发送器连接。

1）本发明整体技术方案如图1所示,其中隔离型AC/DC电源模块1、光接收器2、施密特反相器3、功率放大电路4、脉冲状态诊断逻辑电路5、光发送器6属于脉冲分配器内部电路。控制系统8，接收诊断信号并对脉冲分配器状态进行在线检测。

2）隔离型AC/DC电源模块1采用通用型电源模块，给整个脉冲分配器提供所需要的5V、12V等供电电源。

3）光接收器2接收触发脉冲光信号，并将光信号转换为TTL电平信号Pulse_in。Pulse_in电平信号通过施密特反相器3进行整形，得到整形后TTL电平信号Pulse_out，整形电路原理如图2。

4）整形后脉冲信号Pulse_out经过信号功率放大电路4，转换成满足晶闸管触发要求的大功率脉冲信号，功率放大电路原理如图3所示。

5）在功率放大电路4中设计了功放信号反馈电路，如图3所示，图中限流电阻R2与5V稳压二极管D3串联后并联在功率放大管Q1的源极、漏极两端，反馈信号Pulse_out_feed取自图3中所示点。当功率放大管Q1控制极为高电平时，Q1导通，R2、D3串联单元被Q1短路，反馈信号Pulse_out_feed为零电平；反之当功率放大管Q1控制极为零电平时，Q1截至，R2、D3串联单元对VCC电源电压进行稳压获得5V信号，反馈信号Pulse_out_feed为5V高电平。

6）脉冲分配器正常状态信号，采用555定时芯片做多谐振荡器输出脉冲信号Normal_status。电路原路如图4所示，U2、C2、C3、R3、R4、D4、D5构成了频率及占空比可调的多谐振荡器。在实际应用中采用周期约为300ms、脉冲宽度约为40ms的脉冲。

7）脉冲功率放大回路状态信号的原理如图4所示。整形后的脉冲信号Pulse_out与功放末级的反馈信号Pulse_out_feed进入异或门 U3进行异或逻辑。电路正常工作时，当Pulse_out是低电平则Pulse_out_feed是高电平异或逻辑U3输出高电平；当Pulse_out是高电平则Pulse_out_feed是低电平异或逻辑U3输出高电平；其它逻辑组合则U3输出低电平。异或逻辑U3输出的电平信号经反相器U5反相后输入到后级单稳态谐振电路，得到脉宽可调的功放回路状态信号Pulse_status。单稳态谐振电路如图4所示，由U4、C1、R6、R7组成，在控制端为高电平时输出一个脉冲，该脉冲Pulse_status宽度可通过C1、R6设定。在本应用中脉冲Pulse_status宽度约300ms。

8）脉冲分配器状态信号逻辑综合及输出。实现电路如图4所示，由U6、U7、R5、R8、Q2组成。脉冲分配正常信号Normal_status与功放回路状态检测信号Pulse_status进行或门逻辑U6后得到复合状态信号Status_out。复合状态信号Status_out通过Q2驱动光发送器U7输出诊断信号。诊断逻辑是：当脉冲分配器工作正常时，Status_out是脉冲电信号，U7输出脉冲光信号；当脉冲分配器功放回路故障时，Status_out为高电平，U7一直输出光信号；当电源故障时， Status_out为零电平，U7无光信号输出。

9）故障诊断信号经过光纤反馈到控制系统。控制系统对接收的信号进行逻辑判断：当接收信号为脉冲信号则脉冲分配器正常，且为高电平信号则脉冲分配器功放回路故障，为低电平信号则脉冲分配器电源故障。

10）正常状态下脉冲状态诊断逻辑测试波形如图5所示，通道1是光接收器接收转换后的输入脉冲信号Pulse_in，通道2是功率放大末级信号Pulse_out_feed，通道3是诊断脉冲输出信号。正常状态下输出诊断脉冲信号，如图5通道3所示。

11）功放级无输入脉冲故障态逻辑测试波形如图6所示，通道1是光接收器接收转换后的输入脉冲信号Pulse_in，通道2是功率放大末级信号Pulse_out_feed，通道3是诊断脉冲输出信号。故障时诊断输出高电平信号，如图6通道3所示。

功放级短路故障态逻辑测试波形如图7所示，通道1是光接收器接收转换后的输入脉冲信号Pulse_in，通道2是功率放大末级信号Pulse_out_feed，通道3是诊断脉冲输出信号。故障时诊断输出高电平信号，如图7通道3所示。

本发明所公布的技术方案中输入信号与功放末级信号逻辑处理采用的是异或逻辑与单稳态单谐振荡器，但不局限与本发明实现的逻辑方案，可以有其它逻辑处理方式。

多谐振荡器产生脉冲信号，本发明公布的是555电路实现方法，但多谐振荡器实现不局限于此，可以采用其它集成芯片实现。

本发明是公布的技术方案中诊断逻辑由基本门电路及逻辑芯片实现，但不局限于此，诊断逻辑可以通过数字信号处理器、ARM、FPGA、CLPD等器件实现。

Claims

1.一种脉冲分配器在线故障诊断方法，其特征在于：包括有隔离型AC/DC电源模块、光接收器、施密特反相器、功率放大电路、脉冲状态诊断逻辑电路、光发送器和控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲分配器在线故障诊断方法，其特征在于：所述的隔离型AC/DC电源模块为光接收器、施密特反相器、功率放大电路、脉冲状态诊断逻辑电路和光发送器提供电源，所述的光接收器接收光脉冲触发信号并转换为电脉冲信号，由施密特反相器对信号进行整形，再由功率放大电路将电信号转换成满足晶闸管触发要求的脉冲功率信号，同时整形后的脉冲信号与取自功放电路末级的电脉冲信号通过脉冲状态诊断逻辑处理后输出一个状态信号，若该状态信号是脉冲信号，则表示脉冲分配器工作正常；若该状态信号是高电平，则表示功率放大回路故障；若该状态信号是低电平，则表示电源故障，该状态信号由光发送器通过光纤传送反馈到控制系统，控制系统通过识别脉冲逻辑的不同组合来实现脉冲分配器正常态、脉冲故障态、电源故障态的在线状态检测功能。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲分配器在线故障诊断方法，其特征在于：所述的功率放大电路由限流电阻R2与5V稳压二极管D3串联后并联在功率放大管Q1的源极和漏极两端构成的，功率放大管Q1的栅极为施密特反相器整形后的信号的输入端，功放电路末级的电脉冲信号从限流电阻R2和稳压二极管D3的公共端输入，功率放大管Q1的漏极还连接有电阻R1，电阻R1与变压器T1串联，变压器T1的两边分别连接有二极管D1和二极管D2。

4.根据权利要求2所述的一种脉冲分配器在线故障诊断方法，其特征在于：所述的脉冲状态诊断逻辑电路包括有NE555D芯片U2、异或门U3、CD4538BCM芯片U4、反相器U5和或门U6，NE555D芯片U2、电容C2、电容C3、电阻R3、电阻R4、二极管D4、二极管D5构成了频率及占空比可调的多谐振荡器，NE555D芯片U2的THRES端和CONT端分别与电容C2和电容C3连接，电容C2和电容C3的另一端接地，NE555D芯片U2的THRES端和DISCH端分别与电阻R3和二极管D4的正极连接，电阻R3和二极管D4串联后再与二极管D5并联，电阻R4的两端分别与电阻R3和VCC5V连接，OUT端连接或门U6的一个输入端，整形后的脉冲信号与功放末级的反馈信号进入异或门 U3，异或门U3的输出端连接反相器U5的输入端，反相器U5的输出端与电阻R7连接，CD4538BCM芯片U4、电容C1、电阻R6、电阻R7组成单稳态谐振电路，CD4538BCM芯片U4的AaIN端与电阻R7连接，电阻R6的一端连接VCC5V，另一端分别连接电容C1和CD4538BCM芯片U4的T2A端，电容C1与T1A端连接，CD4538BCM芯片U4的QaOUT端连接或门U6的另一个输入端，或门U6的输出端通过R8与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与所述的光发送器连接。