CN203747662U - 能量回馈型高压变频功率单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能量回馈型高压变频功率单元，包括：功率模块、驱动模块、控制模块、电源模块及保护模块；功率模块包括位于电感、整流侧的三块IGBT模块和位于逆变侧的两块IGBT模块；所述驱动模块与功率模块相连，用于产生IGBT模块所需的驱动电平；所述控制模块包括核心控制部分、以及分别和核心控制部分相连的采样电路和通讯电路；所述电源模块分别连接驱动模块和控制模块；所述保护模块分别连接功率模块、驱动模块和控制模块。本实用新型实现了能量回馈型变频器功率单元集采样、控制及保护于一体的功能，体积较小，操作简单，具有很高的经济性及运行的稳定性。

Description

能量回馈型高压变频功率单元

技术领域

本实用新型涉及一种能量回馈型高压变频功率单元，尤其涉及一种基于保护测控一体化的能量回馈型高压变频功率单元。

背景技术

能源工业作为国民经济的基础，对社会发展和人民生活水平的提高有着重要的意义。然而我国主要产品的能耗比世界先进水平高出35%左右，能耗产值是世界最高的国家之一，因此提高能源利用率是一个急需解决的问题。据统计，动力电消耗的能量占我国消耗电能的60%左右，随着电力电子技术的发展，变频器应用于动力电消耗较大的电力、冶金、石化以及煤炭等领域，取得了较好的节能效果，具有较好的经济效益和社会效益。提高电机运行效率是降低能耗的一个重要方向，引起了国家的重视。

以其具有谐波含量低、输入功率因数高，不需输出滤波器等优点的级联型高压变频器得到了广泛的应用，取得了可观的节能效果。然而这种级联型高压变频器整流侧所用器件为二极管，无法实现能量的双向流动，因此无法应用于像矿用提升机、高速电梯及大型龙门刨床等要求电机运行在四象限的特殊领域，限制了此种变频器的应用。因此，具有能量回馈功能的四象限变频器越来越引起关注，对其研究和生产已成为变频器行业的一个重要发展方向。然而这种变频器的工作方式在高压领域应用更为复杂，如何更好的将能量回馈至电网且对电网质量影响较小成为一个难题，同时变频器行业的竞争十分激烈，体积小、成本低、功能全及通用性强无疑将拥有绝对的市场竞争优势。

实用新型内容

本实用新型针对目前能量回馈型变频器所存在的问题及市场现状，提出一种集采样，控制，保护于一体的、智能化的、可应用于能量回馈级联型高压变频器的能量回馈型高压变频功率单元。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种能量回馈型高压变频功率单元，包括：功率模块、驱动模块、控制模块、电源模块及保护模块；所述驱动模块与功率模块相连，用于产生IGBT模块所需的驱动电平，驱动模块通过光纤与控制模块相连；所述控制模块分别连接所述的保护模块、驱动模块和电源模块，所述控制模块包括核心控制部分、以及分别和核心控制部分相连的采样电路和通讯电路；所述电源模块分别连接驱动模块和控制模块，用于向驱动模块和控制模块提供工作所需电源；所述保护模块分别连接功率模块、驱动模块和控制模块。

优选的，所述功率模块，在电感、整流侧，两个IGBT模块串联成一组IGBT模块，三组IGBT模块并联连接，在逆变侧，两组IGBT模块并联连接，并与电感、整流侧的三组IGBT模块并联连接，三组IGBT模块和两组IGBT模块之间并联连接电容/均压电阻组合件，所述电容/均压电阻组合件包括多组串联连接的组件，每个组件包括并联连接的一个电容和一个均压电阻。

优选的，所述功率单元的所有IGBT模块贴于同一片散热器上，通过正负母排与电容和均压电阻连接。

优选的，所述采样电路中的网侧电压、直流母线电压的采样单元包括依次连接的减法器、隔离放大器和滤波器；电流采样、IGBT壳温、散热器温度的采样单元包括依次连接的采样电阻、滤波器、隔离放大器和滤波器；网侧电流和温度采样的采样单元上设有外部端口。

优选的，所述核心控制部分包括相互连接的DSP元件和CPLD元件，DSP元件通过IO端口与CPLD元件进行数据传输。

优选的，所述控制模块的通讯电路通过光纤连接所述主控系统，以接收主控系统命令传给控制模块及上传功率单元故障信号，所述通讯电路设有RS232、RS485通讯接口以和上位机通讯。

优选的，所述驱动模块通过光纤连接所述控制模块，所述驱动模块包括设置在功率模块与控制模块之间的变压器。

优选的，所述电源模块的输入端直接连接直流母线以获取直流母线电压，所述电源模块的和控制模块、驱动模块中的芯片之间通过DC-DC变换及电源转换芯片连接。

相比于现有技术，本实用新型具有如下优点：

1、电压采样采用“减法器+隔离+滤波” 结构，既可以满足clark变换所需相电压采样算法又避免了直接采相电压所带来的波形质量差的问题，这样不仅减小了功率单元的体积，且与霍尔采样相比大大降低了成本。

2、本功率单元具备自诊断及整机系统完善的故障保护功能，集采样、控制及保护与一体的功率单元，只需外加一台变压器就可组成不同功率的四象限级联型高压变频器，集成度高，操作简单。

3、控制模块与驱动模块通过光纤连接，具有较强的电磁抗干扰能力，进一步提高了系统的可靠性和安全性。

4、由于所有的IGBT模块安装在同一个散热器上面，因此可以任意改变整流侧逆变侧三相-两相桥式结构而不影响功率单元的整体结构。

5、本功率单元的控制模块除足够的电压采样端口外还预留了多个温度、电流等模拟量接口，方便扩展采集量。同时驱动模块既可H桥驱动又可三相桥式驱动，适用于不同的功率模块结构，因此整个功率单元通用性较强。

附图说明

图1是本实用新型的实施例的级联型高压变频器的电路拓扑结构图；

图2是本实用新型的实施例的能量回馈高压变频功率单元的结构框图；

图3是本实用新型的实施例的能量回馈高压变频功率单元的外围连接说明图；

图4是本实用新型的功率模块结构示意图；

图5是本实用新型的网侧电压、直流母线电压的采样单元结构示意图；

图6是本实用新型的实施例的IGBT壳温、散热器温度的采样单元模块图；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

下面结合附图并通过具体实施方式对本实用新型做进一步说明：

图1是级联型高压变频器的电路拓扑结构，由多个功率模块级联而成，通过对各个低压功率模块的输出叠加来得到高压输出，其输入端8为三相交流电源8，输出端9为三相输出。

图2是本实用新型的一种能量回馈高压变频功率单元的结构框图，能量回馈高压变频功率单元下文中也简称智能化功率单元或者功率单元，功率单元由功率模块1，控制模块3，保护模块5，驱动模块2及电源模块4五大模块组成。

如图4，功率模块1包括位于电感、整流侧的三块IGBT模块和位于逆变侧的两块IGBT模块，三块IGBT模块和两块IGBT模块之间设置有多个电容和均压电阻组合，每个组合中电容和均压电阻并联。五块IGBT模块贴于同一片散热器上，每个IGBT上面都装有一块栅极保护板，通过正负母排与充电电容和均压电阻连接，具有较较强的紧凑型。同时整流侧的输入端装有熔断器和电流霍尔，不但起保护作用还可应用于控制算法中变量的获取。

控制模块3分别连接保护模块5、驱动模块2和电源模块4，包括核心控制部分，采样电路及通讯电路。核心控制部分采用DSP+CPLD的控制模式，包括相互连接的DSP元件和CPLD元件，DSP元件通过IO端口与CPLD元件进行数据传输。DSP元件通过采集电路得到网侧电压电流及直流母线电压，采用有PI调节器组成的电压电流双闭环控制结构。核心控制部分输出PWM波送入CPLD，最终由CPLD元件输出，完成对整流器的控制，实现并网。同时DSP元件通过得到的直流母线电压，网侧电压电流及IGBT的温度实现功率模块的过压过流、缺项及IGBT过温保护。CPLD元件通过通讯模块与高压变频器的主控箱相连，对主控箱发来的数据解码最终输出逆变桥所需要的PWM波，同时CPLD元件通过采样电路和驱动模块通过封脉冲实现IGBT的硬件过压、驱动故障的保护以及通讯和电源故障的保护。并对所有的故障信息通过编码有通讯电路上传高压变频器的主控箱。

控制模块3中的电压采样采用“减法器+隔离+滤波”电路结构。 如图5，网侧电压、直流母线电压的采样单元包括依次连接的减法器11、隔离放大器一12和滤波器一13。网侧电压直接通过减法器11输出与网侧电压线性变化的0-5V电压送入隔离放大器12，实现采样电路与控制模块3的隔离，并通过有源滤波器一13对采样信号进行处理，本采样方式无需挂接霍尔传感器，体积小、成本低廉且具有较好的采样效果，能真实的反应网侧电压。电流、温度采样提供外部接口，采用“ 采样电阻+滤波+隔离+滤波”电路结构。

如图6，电流采样、IGBT壳温、散热器温度的采样单元包括依次连接的采样电阻14、滤波器二15、隔离放大器二16和滤波器三17。通过采样电阻14将采样信息转成0-5V的电压信号送入隔离放大器二16和有源滤波器三17。经处理后的所有模拟量送入AD芯片转为数字信号输入控制模块3的核心控制部分。网侧电流和温度采样的采样单元上设有外部端口。

保护模块5分别连接功率模块1、驱动模块2和控制模块3，包括功率单元的IGBT过热保护单元、驱动故障保护单元，网侧电压缺项保护单元、欠压故障保护单元，直流母线过压故障保护单元，电源故障保护单元及整机系统的故障检测单元，具有完善的保护功能。

所述驱动模块2通过光纤连接所述控制模块3，所述驱动模块2包括设置在功率模块1与控制模块3之间的变压器，以隔离两者。驱动模块2为功率单元的IGBT模块以提供合适的驱动电平；控制模块3将PWM波及脉冲封锁使能信号送入驱动模块2，经过驱动模块2的整形和电平转换得到功率单元驱动模块2所需的驱动信号，实现功率单元的IGBT驱动。驱动模块2的驱动故障通过驱动模块2送入控制模块3，使保护模块4实现驱动故障的处理。所述驱动模块2位于功率模块1与控制模块3之间以隔离功率模块1与控制模块3。

电源模块4分别连接驱动模块2和控制模块3，用于向驱动模块2和控制模块3提供工作所需电源。电源模块4的输入端直接连接直流母线输入以获取直流母线电压，电源模块4和控制模块3、驱动模块2中的芯片之间通过DC-DC变换及电源转换芯片连接，以为所述控制模块3、驱动模块2中的芯片提供电源。通过隔离变压器和MOS管组成反激式电路将其转为直流24V，并通过DC-DC及BUCK变换，为本智能化功率单元中所有芯片、外部电流采样霍尔及IGBT驱动模块供电。

控制模块3的通讯电路通过光纤连接主控系统6，与高压变频器的主控系统6相连，以接收主控系统6命令传给控制模块3及上传功率单元故障信号，所述通讯电路设有RS232、RS485通讯接口以和外部的上位机通讯。光纤通讯可以提高数据传输过程中的抗干扰性能。

图3是本智能化功率单元与高压变频器的连接说明。能量回馈高压变频功率单元10通过光纤连接到高压变频器的主控系统6，通过电缆连接到变压器7。本功率单元通过采样电路与高压变频器的网侧电压，电流、IGBT温度及直流母线电压相连，通过电压电流双闭环控制算法产生IGBT工作所需PWM波。通过采样电路、驱动模块检测到的信息量，结合保护模块5，当功率单元故障时，完成PWM波的封锁，并将故障信号上传主控系统6，从而实现功率单元及四象限变频器整机的保护。本功率单元通过光纤与高压变频器的主控系统6连接，接收主控系统6发来的信息并通过解码，信号调理实现高压变频器功率单元逆变桥的控制。所有的故障信息通过本功率单元控制模块的核心控制部分编码利用光纤通讯上传主控箱，整个过程可以通过主控系统的人机界面进行显示，方便操作人员的操作。同时由于本智能化功率单元的体积较小，应用时直接放在功率单元中做成机箱式结构，既降低了设备的维护难度，又在不影响性能的前提下达到了较高的集成度。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种能量回馈型高压变频功率单元，包括：功率模块、驱动模块、控制模块、电源模块及保护模块，其特征在于：

所述驱动模块与功率模块相连，用于产生IGBT模块所需的驱动电平，驱动模块通过光纤与控制模块相连；

所述控制模块分别连接所述的保护模块、驱动模块和电源模块，所述控制模块包括核心控制部分、以及分别和核心控制部分相连的采样电路和通讯电路；

所述电源模块分别连接驱动模块和控制模块，用于向驱动模块和控制模块提供工作所需电源；

所述保护模块分别连接功率模块、驱动模块和控制模块。

2.根据权利要求1所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，所述功率模块，在电感、整流侧，两个IGBT模块串联成一组IGBT模块，三组IGBT模块并联连接，在逆变侧，两组IGBT模块并联连接，并与电感、整流侧的三组IGBT模块并联连接，三组IGBT模块和两组IGBT模块之间并联连接电容/均压电阻组合件，所述电容/均压电阻组合件包括多组串联连接的组件，每个组件包括并联连接的一个电容和一个均压电阻。

3.根据权利要求2所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，各IGBT模块贴于同一片散热器上，通过正负母排与电容/均压电阻组合件连接。

4.根据权利要求1所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，所述采样电路中的网侧电压、直流母线电压的采样单元包括依次连接的减法器、隔离放大器一和滤波器一；电流采样、IGBT壳温、散热器温度的采样单元包括依次连接的采样电阻、滤波器二、隔离放大器二和滤波器三；网侧电流和温度采样的采样单元上设有外部端口。

5.根据权利要求1所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，所述核心控制部分包括相互连接的DSP元件和CPLD元件，DSP元件通过IO端口与CPLD元件进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，所述控制模块的通讯电路通过光纤连接主控系统，以接收主控系统命令传给控制模块及上传功率单元故障信号，所述通讯电路设有用于和上位机通讯的RS232、RS485通讯接口。

7.根据权利要求1所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，所述驱动模块通过光纤连接所述控制模块，所述驱动模块包括设置在功率模块与控制模块之间的变压器。

8.根据权利要求1所述的能量回馈型高压变频功率单元，其特征在于，所述电源模块的输入端直接连接直流母线以获取直流母线电压，所述电源模块的和控制模块、驱动模块中的芯片之间通过DC-DC变换及电源转换芯片连接。