CN211014549U - 一种高压功率阀组在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型名称为一种高压功率阀组在线监测系统。属于高压技术领域。它主要是解决现有的在线监测系统不能有效监测功率半导体阀片失效超过一定冗余数量的问题。它的主要特征是：由阀片均压监测单元、驱动监测单元和信号处理单元三部分组成；所述阀片均压监测单元包括与待监测阀片数目相同的分阀片均压监测单元；所述驱动监测单元包括与待监测阀片数目相同的分驱动监测单元；所述各分阀片均压监测单元、各分驱动监测单元通过光纤与信号处理单元连接，信号处理单元将接收的信号频率偏差转换成均压偏差进行逻辑运算，出现无信号输出视为击穿时，输出频率按相应的逻辑运算反馈为电压。本实用新型可广泛应用到高压功率半导体器件串并联驱动场合。

Description

一种高压功率阀组在线监测系统

技术领域

本实用新型属于功率半导体应用技术领域，具体涉及一种高压功率阀组在线监测系统。

背景技术

随着高压直流系统的电压等级不断提高，使得各部分装置所承受的电压不断提高，对功率半导体器件的性能提出了更高的要求，高压功率半导体开关广泛用于电力系统的各方面，涉及发电、输电、配电、用电的各个领域，其由多只脉冲晶闸管、GTO等半导体器件串并联组成。这些半导体器件在使用中可能会受到过电压或过高的di/dt等原因造成功率半导体阀片个别失效现象，具体表现在半导体阀组，中串并联功率半导体出现无法均压及少量击穿等问题，若高压功率半导体阀组出现少量功率半导体阀片失效超过一定冗余数量时，在没有及时发现状况下继续使用会造成功率半导体阀组损坏事故进一步扩大。目前现有的在线监测系统中只通过监测半导体阀片两端电压来监测工作状态，无法监测所有串联半导体阀片动态均压状态等，另采用外供取能电源存在半导体组件体积大的问题，为了解决这种潜在的问题，一种高压功率半导体阀组的在线监测系统综合性解决了体积、器件的均压状态及触发驱动状态等问题，提高了阀组的运行稳定性和可靠性。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种高压功率阀组在线监测系统。

本实用新型的技术解决方案是：一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：由阀片均压监测单元、驱动监测单元和信号处理单元三部分组成；所述阀片均压监测单元包括与待监测阀片数目相同的分阀片均压监测单元；所述驱动监测单元包括与待监测阀片数目相同的分驱动监测单元；所述信号处理单元由阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块、单片机处理模块和故障输出模块组成；所述各分阀片均压监测单元、各分驱动监测单元通过光纤与阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块的各对应端连接，单片机处理模块将接收的信号频率偏差转换成均压偏差进行逻辑运算，出现无信号输出视为击穿时，阀片均压监测单元输出频率按相应的逻辑运算反馈为电压值。

本实用新型技术解决方案中所述的分阀片均压监测单元由储能单元、电压取样单元、压频转换单元和光信号输出单元四部分组成；所述分驱动监测单元由驱动取样单元和光信号发送单元两部分组成；所述阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块由光接收器及外围的第六电容、第十二电阻与第十一电阻组成，单片机处理模块是STC15系列单片机，故障输出模块由驱动器及外围的第二指示灯、第三指示灯、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻组成；所述阀片均压监测单元的各光信号输出单元、驱动监测单元的各光信号发送单元通过光纤与信号处理单元的阀片均压处理和阀片驱动处理光信号的光电转换模块连接。

本实用新型技术解决方案中所述的信号处理单元通过光纤与上位机或显示单元连接。

本实用新型技术解决方案中所述的储能单元包括串联的电阻、第一电阻和第二电容，第二电容并联有第一稳压二极管；电压取样单元由第一电容与串接的第三电阻、第四电阻并联组成，第一电容与串接的第一电阻和第二电容并联；压频转换单元由压频转换主芯片及外围的元器件构成，压频转换主芯片输出端一路通过串接的第六电阻和第二二极管与第三电阻和第四电阻之间的连接点及压频转换主芯片一输入端连接，输出端二路通过第一二极管和第五电阻与压频转换主芯片另一输入端连接，该另一输入端经第一电阻与第一电阻和第二电容之间的连接点连接，该另一输入端经第三电容接地，输出端三路经第四电容与由第八电阻、第三二极管和三极管构成的放大电路连接；光信号输出单元由第一光输出模块和第七电阻组成，第七电阻与压频转换主芯片的电源端及第一电阻与第二电容之间的连接点连接，第一光输出模块与放大电路连接。

本实用新型技术解决方案中所述的驱动取样单元由串接在待监测阀片驱动端之间的第十电阻和第二光输出模块构成，各驱动取样单元之间串联；所述的光信号发送单元由串接在电源端与接地端之间的第九电阻、各光接收模块及第三光输出模块构成；所述各第二光输出模块分别通过光纤与其对应的各光纤接收模块连接。

本实用新型技术解决方案中驱动信号通过并联在待监测阀片驱动端之间的第十电阻和第二光输出模块，完成模数转换，每只阀片的驱动状态以光信号形式发送单数目相同光纤信号通过连接的光纤发送到相对应的光纤接收模块。

本实用新型技术解决方案中所述阀片均压监测单元的第四电容、第三二极管和第八电阻组成积分电路，调整输出脉冲占空比小于30%。

本实用新型具有以下效果：

1、具有高压环境下在线监测每只功率半导体均压工作状态、驱动系统工作状态、损坏功率半导体冗余数量判断；

2、主回路取能且功耗低、抗干扰可靠性强，提高系统的可靠性等特点；

3、用于至少两只串联功率半导体阀片的进行监测及保护，其单只半导体阀片的监测电压在400V~8500V范围可正常工作。

附图说明

图1为高压功率半导体阀组的在线监测系统原理框图。

图2为阀片均压监测单元原理框图。

图3为阀片均压监测单元电路图。

图4为驱动监测单元实施电路图。

图5为信号处理单元原理框图。

图6为光电转换模块电路图。

图7为单片机处理模块电路图。

图8为故障输出模块电路。

图中，1. 阀片均压监测单元；2. 驱动监测单元；3. 信号处理单元；4. 光纤； 5.光纤；6. 光纤；7. 储能单元；8. 电压取样单元；9. 压频转换单元；10. 光信号输出单元。11、光电转换模块。12、单片机处理模块。13、故障输出模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分而不是全部的实施例。任何基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型一种高压功率阀组在线监测系统由阀片均压监测单元1、驱动监测单元2和信号处理单元3三部分组成。阀片均压监测单元1、驱动监测单元2分别通过光纤4、5连接到信号处理单元3，信号处理单元3通过内部逻辑运算输出反馈信号通过光纤6反馈到上位机或显示单元。

阀片均压监测单元1包括与待监测阀片数目相同的分阀片均压监测单元，驱动监测单元2包括与待监测阀片数目相同的分驱动监测单元，信号处理单元3由阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收部分、逻辑计算处理部分和信号反馈部分组成，各分阀片均压监测单元、各分驱动监测单元通过光纤4、5与阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块的各对应端连接，单片机处理模块将接收的信号频率偏差转换成均压偏差进行逻辑运算，出现无信号输出视为击穿，正常情况下阀片均压监测单元1输出频率按相应的逻辑运算反馈为电压值

如图2所示，阀组包括若干功率半导体阀片，每只阀片均有独立的均压监测单元即分阀片均压监测单元，其包含储能单元7、电压取样单元8、压频转换单元9和光信号输出单元10组成。

如图3所示，每只阀片均有独立的均压监测单元即分阀片均压监测单元。电路图中，储能单元7包括串联的电阻R、第一电阻R1和第二电容C2，第二电容C2并联有第一稳压管DW1，连接在阀片的正负极两端。电压取样单元8由第一电容C1与串接的第三电阻R3、第四电阻R4并联组成，第一电容C1与串接的第一电阻R1和第二电容C2并联。压频转换单元9由压频转换主芯片IC1及外围的元器件构成，压频转换主芯片IC1输出端一路通过串接的第六电阻R6和第二二极管D2与第三电阻R3和第四电阻R4之间的连接点及压频转换主芯片IC1一输入端连接，输出端二路通过第一二极管D1和第五电阻R5与压频转换主芯片IC1另一输入端连接，该另一输入端经第一电阻R2与第一电阻R1和第二电容C2之间的连接点连接，该另一输入端经第三电容C3接地，输出端三路经第四电容C4与由第八电阻R8、第三二极管D3和由三极管Q1构成的放大电路连接，第四电容C4、第三二极管D3和第八电阻R8组成积分电路。光信号输出单元10由第一光输出模块OP(OUT)1和第七电阻R7组成，第七电阻R7与压频转换主芯片IC1的电源端及第一电阻R1与第二电容C2之间的连接点连接，第一光输出模块OP(OUT)1与第七电阻R7及三极管Q1的c端连接，三极管Q1的e端接地。调整第二电阻R2、第三电容C3大小可调整电压取样的上下限范围，调整第八电阻R8和第四电容C4可调整第一光输出模块OP(OUT)1输出脉冲信号的占空比，为降低储能单元损耗，一般输出脉冲信号的占空比设定为<30%。

如图4所示，每只阀片均有独立的驱动单元即分驱动监测单元，分驱动监测单元包括驱动取样单元和光信号发送单元。驱动取样单元由串接在待监测阀片驱动端G、K之间的第十电阻RX1- RX n和第二光输出模块OP2(OUT)1- OP2(OUT)n构成，各驱动取样单元之间串联。光信号发送单元由串接在电源端VCC与接地端GND之间的第九电阻R9、各光纤接收模块OP2(IN)1-OP2(IN) n及第三光输出模块OP3（OUT）X构成。第九电阻R9、光纤接收模块OP2(IN)1-OP2(IN) n及第三光输出模块OP3（OUT）X串接在VCC与GND两端。将每路驱动输出并联第二光输出模块OP2 (OUT)1- OP2(OUT)n ，通过光纤连接各光纤接收模块OP2(IN)1-OP2(IN) n。将N路光纤接收模块OP2(IN)1-OP2(IN) n与电源VCC、限流第九电阻R9及逻辑判断发送第三光输出模块OP3（OUT）X，组成驱动电源逻辑判断电路。

如图5所示，信号处理单元3由光电转换模块11、单片机处理模块12、故障输出模块13组成。

如图6所示，阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块包括HFBR系列光纤接收器AI1及外围的第六电容C6、第十二电阻、第十一电阻和第一指示灯LED1，为常规的光电转换模块。其中，光纤接收器AI1第三脚与第六电容C6一脚相连，同时与第十二电阻R12、第十一电阻R11相连并接到VCC上，转换模块是光纤接收器AI1第一脚与第四脚相连，其第二脚接地，第十二电阻R12与第一指示灯LED1相连，其将光信号转换成光纤接收器AI1的第一脚将光信号转换成电脉冲信号。

如图7所示，单片机处理模块12主要是STC15系列单片机。光电转换模块输出电脉冲信号连接到单片机U1的第三脚至第十二脚，第二十八脚等，单片机U1的第二十一脚与第二十二脚分别输出故障信号。其内部进行故障判别，单片机U1内部集成晶振及复位功能、逻辑判断功能等功能，单片机逻辑计算处理及故障判别方法：1、单片机利用内部定时器统计各路电脉冲信号时间宽度，从而计算出各路输入信号频率；2计算所接收到各路频率的平均值，其平均值与每一路频率值进行差值计算；3、当差值大于设定频率偏差值时输出故障信号，同时输出报警便于闭锁触发信号。

如图8所示，故障输出模块13包括TC4427驱动器U2及外围的第七电容C7、第二指示灯LED2、第三指示灯LED3、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15和第十六电阻R16，为常规的故障输出模块。故障输出模块中驱动器U2的二脚与4脚与接收单片机的控制信号K1与K2相连，驱动器U2的第五脚与第七脚为输出管脚，U1的第五脚与第二指示灯LED2相连，第二指示灯LED2的另一管脚与第十三电阻R13相连接并接到VCC电源上， U1第七脚与第十四电阻R14相连，第十四电阻R14另一端与光发送器OP4(OUT)1的3脚相连，U1第五脚与第十六电阻R16相连，第十六电阻R16另一端与光发送器OP4(OUT)2的3脚相连，同时U1第五脚与第三指示灯LED3相连，第三指示灯LED3与第十五电阻R15相连，第十五电阻R15另一管脚与第十三电阻R13相连接并接到VCC电源上，驱动器U2的第六脚与第七电容C7相连，其第七电容C7另一脚接地。该模块实现两路光信号报警输出，输出故障信号分为两类，一类是当存在损坏的阀片时故障信号为常亮信号，另一类是当存在超过设定的不均压值时故障信号为闪烁信号。

均压监测单元原理如下所述：

阀片承受一定电压后静态均压电阻R、第一电阻R1产生一定的输入电流，对第二电容C2进行充电，通过第一击穿二极管DW1稳压后为整个系统提供电能。电压取样信号通过第一电容C1滤波后通过第三电阻R3、第四电阻R4分压后输入到压频转换主芯片IC1输入端。第一电阻R1为储能单元7与压频转换单元9间隔离电阻，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电容C3为压频转换电路阈值电压，第二二极管D2、第六电阻R6为压频转换主芯片IC1提供正反馈信号，第五电阻R5、第四电容C4为自激泻放回路，第四电容C4、第三二极管D3、第八电阻R8组成积分电路，调整输出脉冲占空比，并控制三极管Q1的开关。第七电阻R7连接储能电源中第二电容C2，获得能量，限流后在三极管Q1开关状态下使第一光输出模块OP(IN)1按一定占空比频率的光信号输出。

一种功率半导体开阀组的在线监测系统联动方式如下：

系统在高压功率半导体开关阀组施加电压，每只阀片独立的均压监测单元均启动，含储能单元7通过系统的静态均压电阻R或动态RC回路获得能量并储存。储能单元7为压频转换单元9、光信号输出单元10提供电能。每只阀片独立的电压取样单元8在各自回路中取得相应的电压信号，并输送到压频转换单元9，压频转换单元9根据输入电压的高低将电压转换成相应的低占空比频率信号通过光信号输出单元10转换光纤信号反馈给信号处理单元3。信号处理单元3将N路频率信号通过自身运算系统，将信号频率偏差转换成均压偏差进行逻辑运算。当出现无信号输出视为击穿，输出频率按相应的逻辑运算反馈为电压值，并反馈给信号处理单元3。通过预先设置的判断逻辑，信号处理单元3进行相应的报警、切断驱动信号等操作。在系统驱动检查时，系统发出驱动指令，每只阀片均有独立的驱动单元输出相应的驱动信号。驱动信号通过并联在阀片驱动GK通过限流电阻RX1-RXn 后将信号传递给第二光输出模块OP2(OUT)1- OP2(OUT)N，完成模数转换，通过连接的光纤发送到信号处理单元3中相对应的OP(IN)1- OP(IN)模块，通过信号处理单元3中电源VCC、限流第九电阻R9及逻辑判断第三光输出模块OP3(OUT)X，组成驱动电源与逻辑判断电路。

Claims (7)

1.一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：由阀片均压监测单元（1）、驱动监测单元（2）和信号处理单元（3）三部分组成；所述阀片均压监测单元（1）包括与待监测阀片数目相同的分阀片均压监测单元；所述驱动监测单元（2）包括与待监测阀片数目相同的分驱动监测单元；所述信号处理单元（3）由阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块、单片机处理模块和故障输出模块组成；所述各分阀片均压监测单元、各分驱动监测单元通过光纤与阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块的各对应端连接，单片机处理模块将接收的信号频率偏差转换成均压偏差进行逻辑运算，出现无信号输出视为击穿，正常情况下阀片均压监测单元（1）按功率半导体两端电压值进行相应比例转换成输出频率。

2.根据权利要求1所述的一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：所述的分阀片均压监测单元由储能单元（7）、电压取样单元（8）、压频转换单元（9）和光信号输出单元（10）四部分组成；所述分驱动监测单元由驱动取样单元和光信号发送单元两部分组成；所述阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块由光接收器（AI1）及外围的第六电容（C6）、第十二电阻（R12）与第十一电阻（R11）组成，单片机处理模块是STC15系列单片机，故障输出模块由驱动器（U2）及外围的第二指示灯（LED2）、第三指示灯（LED3）、第十三电阻（R13）、第十四电阻（R14）、第十五电阻（R15）和第十六电阻（R16）组成；所述阀片均压监测单元（1）的各光信号输出单元（10）、驱动监测单元（2）的各光信号发送单元通过光纤与信号处理单元（3）的阀片均压处理和阀片驱动处理光信号接收光电转换模块连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：所述的信号处理单元（3）通过光纤与上位机或显示单元连接。

4.根据权利要求2所述的一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：所述的储能单元（7）包括串联的第十七电阻（R）、第一电阻（R1）和第二电容（C2），第二电容（C2）并联有第一击穿二极管（DW1）；电压取样单元（8）由第一电容（C1）与串接的第三电阻（R3）、第四电阻（R4）并联组成，第一电容（C1）与串接的第一电阻（R1）和第二电容（C2）并联；压频转换单元（9）由压频转换主芯片（IC1）及外围的元器件构成，压频转换主芯片（IC1）输出端一路通过串接的第六电阻（R6）和第二二极管（D2）与第三电阻（R3）和第四电阻（R4）之间的连接点及压频转换主芯片（IC1）一输入端连接，输出端二路通过第一二极管（D1）和第五电阻（R5）与压频转换主芯片（IC1）另一输入端连接，该另一输入端经第一电阻（R2）与第一电阻（R1）和第二电容（C2）之间的连接点连接，该另一输入端经第三电容（C3）接地，输出端三路经第四电容（C4）与由第八电阻（R8）、第三二极管（D3）和三极管（Q1）构成的放大电路连接；光信号输出单元（10）由第一光输出模块（OP(OUT)1）和第七电阻（R7）组成，第七电阻（R7）与压频转换主芯片（IC1）的电源端及第一电阻（R1）与第二电容（C2）之间的连接点连接，第一光输出模块（OP(OUT)1）与放大电路连接。

5.根据权利要求2所述的一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：所述的驱动取样单元由串接在待监测阀片驱动端（G、K）之间的第十电阻（RX1- RX n）和第二光输出模块（OP2(OUT)1- OP2(OUT)n）构成，各驱动取样单元之间串联；所述的光信号发送单元由串接在电源端（VCC）与接地端（GND）之间的第九电阻（R9）、各光接收模块（OP(IN)1-OP(IN) n）及第三光输出模块（OP3（OUT）X）构成；所述各第二光输出模块（OP2(OUT)1- OP2(OUT)n）分别通过光纤与其对应的各光纤接收模块（OP2(IN)1-OP2(IN) n）连接。

6.根据权利要求5所述的一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：驱动信号通过并联在待监测阀片驱动端（G、K）之间的第十电阻（RX1- RX n）和第二光输出模块（OP2(OUT)1- OP2 (OUT)n），完成模数转换，每只阀片的驱动状态以脉冲形式发送单元数目相同光纤信号通过连接的光纤发送到信号处理单元（3）中相对应的光纤接收模块（OP2(IN)1- OP2(IN)n）。

7.根据权利要求4所述的一种高压功率阀组在线监测系统，其特征在于：所述的第四电容（C4）、第三二极管（D3）和第八电阻（R8）组成积分电路，调整输出脉冲占空比小于30%。

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