CN108270362B - 一种基于dsp和fpga并机控制的组合式中频电源 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铀浓缩专用电源技术领域，具体涉及一种采用模块化设计以优化电源结构，在保证系统运行可靠性的前提下提高电源利用率，提升中频电源自动化、智能化供配电水平，提高电源功率密度和集成度，降低中频电源操作的复杂性，降低运行和维护的劳动强度的基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源；包括组合式中频电源包括功率柜(1)、负荷柜(2)及负载电机(3)；所述功率柜(1)为单路输入双路输出形式，输入动力电源来自于市电电源(4)，控制电源来自于UPS电源(7)，负荷柜(2)为双路输入单路输出形式，动力电源来自于功率柜(1)中的2TK电子开关(17)和1TK电子开关(18)，负载电机(3)与负荷柜(2)相连通。

Description

一种基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源
技术领域
本发明属于铀浓缩专用电源技术领域，具体涉及一种基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源。
背景技术
采用离心法的商用铀浓缩工厂，采用专用中频电源为离心机供电。现役中频电源的存在诸多缺点，首先，现役中频电源容量较小，系统结构及操作复杂，功率密度低，配电柜较多，器件损耗大；另外，现役中频电源主要采用模拟控制器，应用于新生产线时，电路板调试难度大且耗时长；再次，现役中频电源自动化程度低，无法构建无人值守运行系统；最后，现役中频电源内部器件未进行电气安全隔离，检修维护难度大。鉴于上述情况，本发明提出一种新型铀浓缩专用组合式电源，即基于DSP和FPGA并机控制的组合式电源，该电源和配电柜采用模块化分立设计，可依据负载大小灵活配置，利用一键操作方式，可进一步提高电源的自动化水平，实现中频供电系统无人值守。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术不足，提供一种采用模块化设计以优化电源结构，在保证系统运行可靠性的前提下提高电源利用率，提升中频电源自动化、智能化供配电水平，提高电源功率密度和集成度，降低中频电源操作的复杂性，降低运行和维护的劳动强度的基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源。
本发明的技术方案是：
一种基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源，组合式中频电源包括功率柜1、负荷柜2及负载电机3；所述功率柜1为单路输入双路输出形式，输入动力电源来自于市电电源4，控制电源来自于UPS电源7，负荷柜2为双路输入单路输出形式，动力电源来自于功率柜1中的2TK电子开关17和1TK电子开关18，负载电机3与负荷柜2相连通；
所述电源包括功率柜1包括中央控制器5、主接触器11、缓冲接触器和限流电阻12、18脉三相不可控整流器13、直流LC滤波电路14、三相半桥逆变器15、交流LC滤波电路(16)、2TK电子开关17、1TK电子开关18。
所述负荷柜2包括配电控制电路板6、QS121、刀闸QS222、断路器QF123、断路器QF224、刀闸QS325、刀闸QS426、短路接触器27、补偿电容28及刀闸QS529。
2TK电子开关17和1TK电子开关18分别输出至负荷柜2中的刀闸QS121和刀闸QS222，中央控制器5与配电控制电路板6相连，主要将市电控制电源和UPS控制电源从中央控制器5转接至配电控制电路板6，中央控制器5和配电控制电路板6间还通过CAN总线进行通信，实现联锁信号、远控信号和启停信号的传输。缓冲接触器和限流电阻12与主接触器11并联，功率柜1上电时先接通缓冲接触器和限流电阻12，通过18脉三相不可控整流器13对直流LC滤波电路14预充电10s，断开缓冲接触器和限流电阻12后接通主接触器11，可降低对直流段电容的冲击电流，实现上电缓冲；18脉三相不可控整流器13将交流市电变换为直流电并输送至直流LC滤波电路14，可保证功率柜1的输入功率因数维持在0.98以上；直流LC滤波电路14对脉动直流电进行滤波后输送至三相半桥逆变器15；当功率柜1接收到启动指令后，三相半桥逆变器15接通，将脉动直流电变换为三相中频交流电输出至交流LC滤波电路16，经交流LC滤波电路(16)进行滤波后分两路输出至2TK电子开关(17)和1TK电子开关18，由2TK电子开关(17)和1TK电子开关18向负荷柜2供电；工作回路由刀闸QS121、断路器QF123和刀闸QS325构成，备用回路由QS222断路器QF224和刀闸QS4构成，刀闸QS325和刀闸QS4输出端与供电母排连接，两条回路互为冗余，既可并联带载，也可独立带载。短路接触器27输出端与供电母排连接，输入端三相短接，短路接触器27接通时可实现对负载电机消磁的功能。短路接触器27、断路器QF123和断路器QF224为联锁关系，任意状态下仅允许一个组件接通；补偿电容28由十组角型连接的电容构成，每组电容通过一个断路器与供电母排相连，可针对不同工况进行相应电容组投切，实现对电源输出功率因数的补偿；并联1回路8和并联2回路9，可与其他功率柜和负荷柜并联，实现多机并联带载多路负荷的功能。
本发明的有益效果是：
⑴本发明采用模块化分立式结构，在提高效率及可靠性的同时，大大提升了中频电源的功率密度,降低了运行维护难度，提高了检修效率。
⑵本发明采用数字化控制方式，输出波形品质与原变频电源相当，进一步提高了调试及测试效率，人及交互操作更加简洁。
⑶本发明具备大功率功率输出能力，兼具6台功率柜并联运行的功能，负荷柜和功率柜可依据系统供电容量可灵活配置，能满足铀浓缩工厂各种不同级联结构的供电需求。
⑷本发明具备智能配电功能和中频供电系统的组网功能，简化了事故及日常操作工序，提高了系统自动化程度。
⑸本发明可实现380V/50Hz的输入市电向200V/517Hz、300V/1034Hz或380V/1550Hz的三档可变换输出电源，能满足电机负载启动升周及额定运行要求。
附图说明
图1是一种基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源示意图。
1：功率柜，2：负荷柜，3：负载电机，4：市电电源，5：中央控制器，6：配电控制电路板，7：UPS电源，8：并联1回路，9：并联2回路，11：主接触器，12：缓冲接触器和限流电阻，13：18脉三相不可控整流器，14：直流LC滤波电路，15：三相半桥逆变器，16：交流LC滤波电路，17：2TK电子开关，18：1TK电子开关，21：刀闸QS1，22：刀闸QS2，23：断路器QF1，24：断路器QF2，25：刀闸QS3，26：刀闸QS4，27：短路接触器，28：补偿电容，29：刀闸QS5。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源，组合式中频电源包括功率柜1、负荷柜2及负载电机3；所述功率柜1为单路输入双路输出形式，输入动力电源来自于市电电源4，控制电源来自于UPS电源7，负荷柜2为双路输入单路输出形式，动力电源来自于功率柜1中的2TK电子开关17和1TK电子开关18，负载电机3与负荷柜2相连通；
所述电源包括功率柜1包括中央控制器5、主接触器11、缓冲接触器和限流电阻12、18脉三相不可控整流器13、直流LC滤波电路14、三相半桥逆变器15、交流LC滤波电路(16)、2TK电子开关17、1TK电子开关18。
所述负荷柜2包括配电控制电路板6、QS121、刀闸QS222、断路器QF123、断路器QF224、刀闸QS325、刀闸QS426、短路接触器27、补偿电容28及刀闸QS529。
2TK电子开关17和1TK电子开关18分别输出至负荷柜2中的刀闸QS121和刀闸QS222，中央控制器5与配电控制电路板6相连，主要将市电控制电源和UPS控制电源从中央控制器5转接至配电控制电路板6，中央控制器5和配电控制电路板6间还通过CAN总线进行通信，实现联锁信号、远控信号和启停信号的传输。缓冲接触器和限流电阻12与主接触器11并联，功率柜1上电时先接通缓冲接触器和限流电阻12，通过18脉三相不可控整流器13对直流LC滤波电路14预充电10s，断开缓冲接触器和限流电阻12后接通主接触器11，可降低对直流段电容的冲击电流，实现上电缓冲；18脉三相不可控整流器13将交流市电变换为直流电并输送至直流LC滤波电路14，可保证功率柜1的输入功率因数维持在0.98以上；直流LC滤波电路14对脉动直流电进行滤波后输送至三相半桥逆变器15；当功率柜1接收到启动指令后，三相半桥逆变器15接通，将脉动直流电变换为三相中频交流电输出至交流LC滤波电路16，经交流LC滤波电路(16)进行滤波后分两路输出至2TK电子开关(17)和1TK电子开关18，由2TK电子开关(17)和1TK电子开关18向负荷柜2供电；工作回路由刀闸QS121、断路器QF123和刀闸QS325构成，备用回路由QS222断路器QF224和刀闸QS4构成，刀闸QS325和刀闸QS4输出端与供电母排连接，两条回路互为冗余，既可并联带载，也可独立带载。短路接触器27输出端与供电母排连接，输入端三相短接，短路接触器27接通时可实现对负载电机消磁的功能。短路接触器27、断路器QF123和断路器QF224为联锁关系，任意状态下仅允许一个组件接通；补偿电容28由十组角型连接的电容构成，每组电容通过一个断路器与供电母排相连，可针对不同工况进行相应电容组投切，实现对电源输出功率因数的补偿；并联1回路8和并联2回路9，可与其他功率柜和负荷柜并联，实现多机并联带载多路负荷的功能。
在保证足够的电源输出功率的情况下，功率柜和负荷柜可任意组合，最多可实现6台功率柜和6台负荷柜并联运行。采用双CAN通讯总线可在多台功率柜和负荷柜间建立通信，同时工作，实现智能配电调度和状态广播。当一条CAN通讯故障，则另一条CAN通讯总线维持系统正常通讯。为防止通信干扰，CAN通信总线通信节点均加装磁环，可进一步提高通讯可靠性。利用光纤通讯线路在多台功率柜间建立1对1通信，由作为主机的功率柜产生同步基准信号并分发至各从机功率柜，实现同步数据的实时传输，保证每台功率柜均可靠接收并执行并机同步基准信号。
本发明中所述的中频电源采用模块化分立式结构，主要分为功率柜和负荷柜，单台中频电源功率密度达到75kw/m3以上。
功率柜采用三相三线制+PE的输入方式和双路TK的输出方式，输入功率因数可达0.95以上，最大输出功率为600kVA。功率柜动力输入为三相交流市电，动力输出为三相交流中频电源，其中，动力输出分为三档可转换的工况，517Hz/200V工况，1034Hz/300V工况和1550Hz/380V工况，满足负载电机升周时的工况要求。功率柜采用市电和UPS热冗余控制电源，工作控制电源为市电电源，备用控制电源为UPS电源，两路控制电源无切换时间。功率柜的动力部分采用了18脉移相变压器、三相全桥整流器和IGBT半桥逆变器，可有效降低输入侧噪声，额定工况下效率可达90％以上。整流器、逆变器和TK电子开关等功率器件采用模块水冷散热器，有效降低柜内器件运行温度。功率柜的控制部分采用基于DSP和FPGA双核控制模块，控制策略采用最新的三环加前馈控制。功率柜输入侧采用了缓冲电路，利用限流电阻降低上电时的浪涌电流。功率柜的直流段残余电势可利用IGBT输出端短接进行放电，缩短自然放电时间。
负荷柜的动力部分采用5个大容量刀闸和2个断路器，实现对动力线路的通断控制，刀闸为手动操作，断路器为电控操作。控制部分围绕DSP和ARM构建控制系统，实现手动切换和自动切换操作功能，以及保护功能。负荷柜输出端配置了电容，可对中频电源的输出进行无功补偿。负荷柜顶部的输入端设计有并联端子，T接后可与多台功率柜、负荷柜并联，实现中频电源并机带载运行功能。
功率柜和负荷柜通过双CAN总线广播自身状态，实现中频供电系统的逻辑判断和保护功能。功率柜间通过光纤完成同步数据传输，利用TK电子开关进行同步投切。功率柜并联时，依据地址和启动设定确定主机优先级，选择一台主机，其余为从机。并联同步数据由主机发出，从机跟随，实现功率柜同步控制和并联输出。
本发明所述的中频电源具备智能配电功能。新电机负载投入指令发出后，根据功率输出比、事故处理逻辑、外网供电和冷却水供给情况，自动判断功率柜是否投入或退出，事故影响范围较大时，并联系统将解耦，自动恢复独立带载运行。

Claims (1)

1.一种基于DSP和FPGA并机控制的组合式中频电源，其特征在于：包括组合式中频电源包括功率柜(1)、负荷柜(2)及负载电机(3)；所述功率柜(1)为单路输入双路输出形式，输入动力电源来自于市电电源(4)，控制电源来自于UPS电源(7)，负荷柜(2)为双路输入单路输出形式，动力电源来自于功率柜(1)中的2TK电子开关(17)和1TK电子开关(18)，负载电机(3)与负荷柜(2)相连通；
所述功率柜(1)包括：中央控制器(5)、主接触器(11)、缓冲接触器和限流电阻(12)、18脉三相不可控整流器(13)、直流LC滤波电路(14)、三相半桥逆变器(15)、交流LC滤波电路(16)、2TK电子开关(17)、1TK电子开关(18)，
所述负荷柜(2)包括配电控制电路板(6)、刀闸QS1(21)、刀闸QS2(22)、断路器QF1(23)、断路器QF2(24)、刀闸QS3(25)、刀闸QS4(26)、短路接触器(27)、补偿电容(28)及刀闸QS5(29)；
其特征在于：2TK电子开关(17)和1TK电子开关(18)分别输出至负荷柜(2)中的刀闸QS1(21)和刀闸QS2(22)，中央控制器(5)与配电控制电路板(6)相连，主要将市电控制电源和UPS控制电源从中央控制器(5)转接至配电控制电路板(6)，中央控制器(5)和配电控制电路板(6)间还通过CAN总线进行通信，实现联锁信号、远控信号和启停信号的传输；缓冲接触器和限流电阻(12)与主接触器(11)并联，功率柜(1)上电时先接通缓冲接触器和限流电阻(12)，通过18脉三相不可控整流器(13)对直流LC滤波电路(14)预充电10s，断开缓冲接触器和限流电阻(12)后接通主接触器(11)，可降低对直流段电容的冲击电流，实现上电缓冲；18脉三相不可控整流器(13)将交流市电变换为直流电并输送至直流LC滤波电路(14)，可保证功率柜(1)的输入功率因数维持在0.98以上；直流LC滤波电路(14)对脉动直流电进行滤波后输送至三相半桥逆变器(15)；当功率柜(1)接收到启动指令后，三相半桥逆变器(15)接通，将脉动直流电变换为三相中频交流电输出至交流LC滤波电路(16)，经交流LC滤波电路(16)进行滤波后分两路输出至2TK电子开关(17)和1TK电子开关(18)，由2TK电子开关(17)和1TK电子开关(18)向负荷柜(2)供电；工作回路由刀闸QS1(21)、断路器QF1(23)和刀闸QS3(25)构成，备用回路由刀闸QS2(22)、断路器QF2(24)和刀闸QS4构成，刀闸QS3(25)和刀闸QS4输出端与供电母排连接，两条回路互为冗余，既可并联带载，也可独立带载；短路接触器(27)输出端与供电母排连接，输入端三相短接，短路接触器(27)接通时可实现对负载电机消磁的功能；短路接触器(27)、断路器QF1(23)和断路器QF2(24)为联锁关系，任意状态下仅允许一个组件接通；补偿电容(28)由十组角型连接的电容构成，每组电容通过一个断路器与供电母排相连，可针对不同工况进行相应电容组投切，实现对电源输出功率因数的补偿；并联1回路(8)和并联2回路(9)，可与其他功率柜和负荷柜并联，实现多机并联带载多路负荷的功能。
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