CN201081848Y - 一种单元串联高压变频器的单元旁路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单元串联高压变频器的单元旁路装置，旁路集中控制板分别与主电路控制板、隔离变压器相连；隔离变压器另一端与旁路接触器相连，旁路接触器与单元输出相连。旁路装置由主电路控制板、旁路集中控制板、隔离变压器、旁路接触器构成。本实用新型结构简单，能够安全可靠地旁路切除故障单元，消除其他类型的旁路系统误导通和拒导通的隐患，保证了整个旁路方法安全可靠动作。

Description

一种单元串联高压变频器的单元旁路装置

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域。更具体是一种单元串联式高压变频器的单元旁路装置，适用于任何类似单元串联装置。

背景技术

随着高压变频器在电力、冶金、石油、化工等关系重大场合的广泛应用，对高压变频器的稳定可靠运行提出了更高的要求。现阶段高压变频器主电路普遍采用功率单元串联技术，有着谐波小、单元可互换、可批量生产、维护方便等优点，然而某一个或几个功率单元在运行过程中发生故障将导致整个变频器不能正常运行，甚至跳机，使得高压变频器的工作可靠性大大降低，不仅给生产安全带来了极大的隐患，同时也会给用户带来不可估量的经济损失。采用功率单元旁路装置，当单元发生故障时，有效地将故障单元切除，调整无故障单元工作状态，使得高压变频器能够继续运行，大大提高了高压变频器的运行可靠性和安全性。

现在大多数高压变频器采用的旁路电路由设置在单元输出旁边的二极管整流桥和晶闸管或其他类似的电子开关器件构成(此处整流桥并非传统意义上的整流作用，而是给电流提供双向导通通道)，该整流桥的交流输入两端与单元输出相连，直流输出两端与晶闸管相连。当单元发生故障时，封锁逆变桥的驱动脉冲，同时触发晶闸管，使得单元所在相的相电流经二极管整流桥和晶闸管所组成的旁路流过，此时故障单元被旁路切除，该旁路装置结构简单，体积小，重量轻，维护方便，然而存在以下问题：一，当单元功率开关器件IGBT控制脉冲被封锁或功率单元输出电压为零电平时，旁路装置中的晶闸管两端电压为零，此时若控制IGBT使得功率单元输出有电平，功率单元的直流电压会直接加在晶闸管的阴阳两极，使得晶闸管承受了超过其耐受能力的dv/dt，易导致其误导通，引发功率单元的短路故障。二，由于旁路装置和功率单元装置均由电子式开关器件组成，具有同类型产品共同的缺陷，如当过电压时某一装置的烧损而另一装置也极有可能在同一环境中烧损，使得整个系统可靠性降低。三，当前旁路大多由单元控制板控制，当单元控制板发生故障时，该单元即不能正常工作，也无法被单元控制板控制旁路。

发明内容

本实用新型目的是在于提供一种单元串联高压变频器的单元旁路装置，装置结构简单，能够安全可靠地旁路切除故障单元，消除其他类型的旁路系统误导通和拒导通的隐患。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：旁路装置主要包括主电路控制板、旁路集中控制板、旁路接触器、隔离变压器以及旁路控制程序。所述的旁路集中控制板分别与主电路控制板、隔离变压器一次侧相连；隔离变压器二次测与旁路接触器相连，旁路接触器同时与相对应的功率单元相连。

所述主电路控制板为基于一种芯片(如FPGA、DSP、ARM或单片机)的嵌入式系统，或同等运算处理能力的控制系统，它与其他辅助设备通讯，负责整个变频器控制信号的处理和输出，其中包括旁路信号的处理和输出。主电路控制板从故障单元接受到故障信号，判断是否需要旁路，需要时将旁路控制信号以通讯方式发送到旁路集中控制板，另外旁路集中控制板反馈接触器状态信号到主电路控制板，主电路控制板和旁路集中控制板采用光纤串口通讯方式，但实际不局限于光纤通讯，光纤通讯的优点是将旁路集中控制板和主电路控制板实施电气隔离，减小了两板之间电气干扰。传统的旁路是由单元控制板实施旁路控制动作，而本实用新型采用独立的旁路集中控制板，结构简单，维护方便，且解决了因功率器件故障导致的单元控制板失电或单元控制板本身故障而不能有效切除的问题。

旁路集中控制板主要由光电转换芯片，控制芯片，驱动芯片，继电器构成。光电转换芯片一端通过光纤与主电路控制板相连，另一端与控制芯片相连。使用两个光电转换芯片，一个接受主电路控制板的光信号并转化为电信号传送至控制芯片，另一个将控制芯片的电信号转化为光信号传输至主电路控制板。控制芯片根据主控发送来的信号负责判断所需旁路单元的名称，然后将旁路控制信号输出到与所需旁路单元相对应的驱动芯片，驱动芯片信号输出端与本身相对应的继电器控制端相连，旁路集中控制板上的继电器输出作为旁路集中控制板的控制输出与相应的隔离变压器一次侧相连，隔离变压器二次侧与相应的旁路接触器的控制线圈相连。旁路接触器有两个通道，常闭接点通道和常开接点通道，常闭接点通道与相应的单元输出串联，常开接点通道与相应的单元输出并联。旁路集中控制板与接触器通过隔离变压器相连，不仅可以调整电压使得控制电压与接触器的控制线圈所需电压相匹配，而且使得旁路集中控制板与接触器等高压器件有电气隔离，保证了旁路集中控制板的安全工作。

整个旁路装置采用行之有效的控制程序，确保故障单元安全可靠地被旁路切除。步骤如下：

A：单元故障信号传递到主电路控制板，主电路控制板判断是否需要切除故障单元，当需要切除时，先保存当前变频器输出电压幅值U₀和频率F₀，以备故障单元成功切除后变频器恢复正常输出时使用。

B：根据u＝Ldi/dt，为防止接触器动作过程中的操作过电压，切断主回路电流，主电路控制板立即封锁全部单元的功率开关控制信号，然后再发送故障单元的旁路信号到旁路集中控制板，使得故障单元对应的接触器动作。

C：等待一定时间(具体时间由所选的接触器而定，一般可选为200ms～400ms)，旁路接触器动作完成，旁路集中控制板发送相应的接触器动作完成状态信号至主电路控制板。之后主电路控制板立即进入准备重新发送各个单元功率开关器件的驱动控制信号的状态。

D：为消除重新发送脉冲后高压变频器输出电压与电机负载的反电动势不一致引起的冲击电流，主电路控制板必须先采集电机定子端由于电机剩磁和转子转动惯量所产生的反向电动势，包括频率F和幅值U，根据所采集的电机反电势重新发送IGBT控制信号，并使变频器逐渐恢复到单元旁路前时的输出工作状态，即输出电压幅值U₀和频率F₀。

本实用新型的优点：

以接触器作为旁路装置，提高了旁路设备的耐压水平，避免其他旁路装置存在的误导通和拒导通的隐患。采用独立的旁路集中控制板集中控制，维护方便，控制简单，提高了旁路的安全性和可靠性。

附图说明

图1：一种单元串联高压变频器的单元旁路装置示意图

图2：旁路集中控制板示意图

图3：高压变频器单元旁路控制流程图

图4：高压变频器驱动负载示意图

具体实施方式

如图1所示，功率单元9主要由熔断器8A，8B，8C，整流二极管7A，7B，7C，7D，7E，7F，滤波电容6，功率开关器件5A，5B，5C，5D构成。六个整流二极管构成三相全波整流桥，三相交流电源经过熔断器与整流桥的输入端连接。整流桥的输出端与滤波电容6组成的电容器组并联。4个功率开关器件(如IGBT)构成H型逆变桥，逆变桥的输入端与滤波电容器6组成的电容器组相连，输出端与旁路接触器4相连。功率单元9作为单元串联式高压变频器基本单元，其结构现阶段已被广泛采用，技术亦相当成熟。

本实用新型所述旁路装置1由旁路集中控制板2，隔离变压器3，旁路接触器4以及主电路控制板10组成。

主电路控制板10为基于一种控制芯片(如FPGA、DSP、ARM或单片机)的嵌入式系统，或具有同等运算处理能力的控制系统，它与其他辅助设备通讯，负责整个变频器控制信号的处理和输出，其中包括旁路信号的处理和输出。主电路控制板10从故障单元接受到故障信号，判断是否需要旁路，需要时将旁路控制信号以通讯方式发送到旁路集中控制板2，另外旁路集中控制板2反馈接触器状态信号到主电路控制板，主电路控制板10和旁路集中控制板2可采用光纤串口通讯方式或其他通讯方式，本实用新型采用光纤通讯，但实际不局限于光纤通讯，光纤通讯的优点是将旁路集中控制板2和主电路控制板10实施电气隔离，减小了两板之间电气干扰。

传统的旁路电路是由单元控制板实施旁路控制动作，而本系统采用独立的旁路集中控制板2，如图2所示，旁路集中控制板2由光电转换芯片12A、12B，控制芯片13(如FPGA)，驱动芯片14A、14B、14C、14D，继电器15A、15B、15C、15D构成。光电转换芯片12A、12B的一端通过与之相对应的光纤11A、11B与主电路控制板10相连，光电转换芯片12A、12B的另一端与控制芯片13相连。使用两个光电转换芯片12A、12B，光电转换芯片12A接受主电路控制板10的光信号并转化为电信号传送至控制芯片13，光电转换芯片12B将控制芯片13的电信号转化为光信号传输至主电路控制板10。控制芯片13根据变频器单元数目设置相应数量的控制输出端，根据主电路控制板10发送来的信号控制芯片13负责判断所需旁路单元，然后将旁路控制信号从所需旁路单元相应的输出端输出到相应的驱动芯片14A、14B、14C、14D等，驱动芯片14 A、14B、14C、14D等的信号输出端与本身相应的继电器15A、15B、15C、15D等控制端相连，旁路集中控制板2上的继电器15A、15B、15C、15D输出作为旁路集中控制板2的控制输出与相应的隔离变压器3的一侧相连(图中旁路集中控制板可并行输出控制36个隔离变压器，其接线方式和控制方式均相同，图中19指其他路控制输出接线端子)。隔离变压器3的另一侧与相应的旁路接触器4的控制线圈相连。旁路接触器4有两个通道，常闭接点通道和常开接点通道，常闭接点通道与相应的单元输出串联，常开接点通道与相应的单元输出并联。旁路集中控制板2与旁路接触器4通过隔离变压器3相连，不仅可以调整电压使得控制电压与接触器的控制线圈所需电压相匹配，而且使得旁路集中控制板2与高压器件旁路接触器4有电气隔离，保证了旁路集中控制板2的安全工作。

当功率单元工作状态发生变化，如从脉冲封锁或输出零电平到输出非零电平变化时，旁路装置两端施加的电压dv/dt较大，本实用新型采用旁路接触器4作为旁路装置，纵使dv/dt再大，旁路装置也不会产生误导通，使得单元旁路安全可靠性得到提高。

采用旁路集中控制板，不仅结构简单，维护方便，而且解决了单元因单元控制板故障而不能有效切除的问题。同时给旁路集中控制板配备独立的电源供电，避免了单元掉电故障时，单元不能给旁路控制正常供电工作的情形，从而避免旁路失败。

当某个单元发生故障时，采用与之相适应的控制程序，保证故障单元安全可靠地被旁路切除，旁路控制流程图如图3，其控制流程步骤如下：

A：单元故障信号传递到主电路控制板10，判断是否需要切除故障单元，当需要切除时，先保存当前变频器输出电压幅值U₀和频率F₀，以备故障单元成功切除后变频器恢复正常输出时使用。

B：根据u＝Ldi/dt，为防止接触器动作过程中的操作过电压，切断主回路电流，主电路控制板10应立即封锁全部单元的开关器件IGBT的开关控制信号，然后再发送故障单元的旁路信号到旁路集中控制板2，使得故障单元的接触器4动作。

C：等待一定时间(具体时间由所选的接触器而定，一般可选为200ms～400ms)，旁路接触器4动作完成，旁路集中控制板2发送相应的接触器3动作完成状态信号至主电路控制板7。之后主电路控制板10立即进入准备重新发送IGBT驱动控制信号状态。

D：如图4，高压变频器16正常工作时，高压变频器16通过动力电缆18与电机负载17相连，为消除重新发送脉冲后高压变频器16输出电压与电机负载17的反电动势不一致引起的冲击电流，主电路控制板10必须先采集电机定子端由于电机剩磁和转子转动惯量所产生的反向电动势，包括频率F和幅值U，根据所采集的电机反电势重新发送IGBT控制信号，并使变频器逐渐恢复到单元旁路前时的输出工作状态，即输出电压幅值U₀和频率F₀。

采用以上旁路控制程序流程，安全可靠的将故障单元旁路切除，并且电机负载所承受的冲击电流最小，实现了高压变频器的高性能可靠安全运行。

附表：本实用新型所用到各元器件型号及厂家：

序号	名称	型号系列	厂商
				1	光电转换芯片12A	T1521	安捷伦
2	光电转换芯片12B	T2521	安捷伦
				3	控制芯片13	FPGA-EP1C6	Cyclone
4	驱动芯片14A、14B、14C、14D	AQW214	松下
				5	继电器15A、15B、15C、15D	G6D	欧姆龙
6	隔离变压器3	TOUT02	天水
				7	旁路接触器4	GSC1-5008	天水

综上所述，本实用新型所提出新型单元旁路系统有着过往以及现在普遍采用方式所不能及的优点，为高压变频器安全可靠工作打开了一扇新的窗户，开拓了单元串联高压变频器单元旁路新的发展方向。

Claims (2)

1.一种单元串联高压变频器的单元旁路装置，其特征在于：旁路装置(1)包括主电路控制板(10)、旁路集中控制板(2)、隔离变压器(3)和旁路接触器(4)，所述的旁路集中控制板(2)分别与主电路控制板(10)、隔离变压器(3)相连；隔离变压器(3)的与旁路接触器(4)相连，旁路接触器(4)与相对应的功率单元(9)相连。

2.根据权利要求1所述的一种单元串联高压变频器的单元旁路装置，其特征在于：旁路集中控制板(2)由光电转换芯片(12A、12B)、控制芯片(13)、驱动芯片(14A、14B、14C、14D)、继电器(15A、15B、15C、15D)构成，光电转换芯片(12A、12B)一端通过光纤(11A、11B)与主电路控制板(10)相连，光电转换芯片(12A、12B)另一端与控制芯片(13)相连，光电转换芯片(12A)接受主电路控制板(10)的光信号并转化为电信号传送至控制芯片(13)，光电转换芯片(12B)将控制芯片(13)的电信号转化为光信号传输至主电路控制板(10)，驱动芯片(14A、14B、14C、14D)信号输出端与继电器(15A、15B、15C、15D)控制端相连，旁路集中控制板(2)上的继电器(15A、15B、15C、15D)输出为旁路集中控制板(2)的控制输出与相应的隔离变压器(3)一侧相连，隔离变压器(3)的另一侧与相应的旁路接触器(4)的控制线圈相连，旁路接触器(4)有两个通道，常闭接点通道和常开接点通道，常闭接点通道与单元输出串联，常开接点通道与相应的单元输出并联，旁路集中控制板(2)与旁路接触器(4)通过隔离变压器(3)相连。

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