大功率變流裝置的光纖通信方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001](一 )技術(shù)領(lǐng)域:一種變流裝置光纖通信系統(tǒng)，屬于電子功率器件IGBT控制系統(tǒng)中光傳輸驅(qū)動(dòng)IGBT逆變器的系統(tǒng)，屬基本電子電路脈沖技術(shù)類(H03K)。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]變流裝置是由含有電子功率器件IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)的功率單元的裝置。這里變流裝置包括變頻器、逆變器、無功補(bǔ)償器等。功率單元包括主回路和控制系統(tǒng)。通過控制系統(tǒng)控制主回路中IGBT實(shí)現(xiàn)功率單元的各種功能?，F(xiàn)有主控制系統(tǒng)與功能單元間的信號(hào)傳輸方式有:1)輸出輸入接口直接連接的直接數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于高壓大功率變頻器，此種方式易受干擾，導(dǎo)致變頻器工作不正常。2)用光纖隔離傳輸，此種方式抗干擾能力強(qiáng)。
[0003]對(duì)大功率變流裝置，為了減小高壓變頻器輸出諧波，避免采用昂貴的濾波器，高電壓變頻器采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，即每相由多個(gè)功率單元串聯(lián)形成高壓。
[0004]現(xiàn)有的多層級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)大功率變流裝置光纖通信的可靠性是保證正常運(yùn)行的重大問題。例如:當(dāng)通信中斷，驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失，對(duì)光伏逆變器，并網(wǎng)電流驟增，甚至燒毀功率單元；對(duì)高壓變頻器，輸出電壓波形不平衡，嚴(yán)重時(shí)因功率單元直流母線電壓過壓燒毀IGBT。
[0005]如何滿足大功率變流裝置在信息傳輸中同步控制、故障檢測(cè)處理等不受干擾、可靠運(yùn)行，顯然則必須開發(fā)新的可靠的傳送系統(tǒng)。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]本發(fā)明提供的大功率變流裝置的光纖通信方法及系統(tǒng)，其目的就是解決現(xiàn)有變流裝置控制系統(tǒng)與功率單元或IGBT間的信號(hào)傳輸不能滿足大功率、長距離的可靠性要求。
[0007]技術(shù)方案如下:
[0008]大功率變流裝置的光纖通信方法，包括:變流裝置每個(gè)功率單元內(nèi)含IGBT逆變器的主回路；每個(gè)功率單元控制部分包括:故障檢測(cè)電路、脈寬測(cè)量電路、驅(qū)動(dòng)電路；并有控制全部功率單元的主控系統(tǒng)；其特征是
[0009]1)在每個(gè)功率單元控制部分設(shè)一片芯片現(xiàn)場(chǎng)可編邏輯陣列單元FPGA、一片單片機(jī)單元STM32，兩者間用高速同步串口 6.1直接連接。所述故障檢測(cè)電路中:母線過壓檢測(cè)電路4.1首端接主回路直流母線電壓D端，輸出端一路接單元STM32、另一路接單元FPGA。溫度檢測(cè)電路4.3輸出端直接接單元STM32。橋臂狀態(tài)檢測(cè)電路4.2首端接主回路橋臂中點(diǎn)，輸出端接單元FPGA。
[0010]主控系統(tǒng)9內(nèi)包括中央數(shù)據(jù)控制器9A和變流裝置每一層的層控制器9B ;中央數(shù)據(jù)控制器由一片單片機(jī)STM329A1和一片F(xiàn)PGA 9A2組成；層控制器9B由一片F(xiàn)PGA組成。中央數(shù)據(jù)控制器和各層控制器之間均通過高速同步串口 9C直接連接。且中央數(shù)據(jù)控制器、各層層控制器及相連的層光纖發(fā)射器9.2和層光纖接收器9.1均設(shè)在同一主板上。
[0011]單元FPGA與層控制器間信息傳輸?shù)墓饫w線路7采用兩根光纖:第一根光纖7.1一端連接與單元FPGA相接的光纖發(fā)射器5.1，另一端連接與層控制器相連的層光纖接收器9.Ιο第二根光纖7.2 一端連接與層控制器連接的層光纖發(fā)送器9.2，另一端連接與單元FPGA相連接的光纖接收器5.2。單元FPGA內(nèi)有單元專用通信串口 5D，層控制器內(nèi)有專用通信串口 9D。
[0012]2)單元FPGA和層控制器均獨(dú)立設(shè)有如下通信狀態(tài)檢測(cè):通信狀態(tài)檢測(cè)采用硬件描述語言HDL編寫，當(dāng)層控制器在每一個(gè)PWM周期中沒有收到單元FPGA的通信數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)存儲(chǔ)器為0，并通知同層其他功率單元旁路；當(dāng)單元FPGA在每一個(gè)PWM周期沒有收到層控制器的數(shù)據(jù)，則該單元FPGA直接控制驅(qū)動(dòng)電路8對(duì)橋臂進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。
[0013]3)故障發(fā)生，由故障檢測(cè)電路將故障信息輸入單元FPGA，由單元FPGA內(nèi)單元專用通信串口 f5D將故障信息添加到串口通信數(shù)據(jù)幀的每一字節(jié)中。
[0014]4)單元FPGA和層控制器通過專用通信串口按專用通信協(xié)儀中以下時(shí)序分別將數(shù)據(jù)分別發(fā)送到光纖發(fā)送器5.1和層光纖發(fā)送器9.1:①發(fā)送2字節(jié)無效數(shù)據(jù)；②發(fā)送幀頭；③發(fā)串口數(shù)據(jù)；④發(fā)送幀尾發(fā)送無效數(shù)據(jù)；串口空閑時(shí)保持發(fā)送無效數(shù)據(jù)；且單元FPGA每一幀數(shù)據(jù)中都增加一故障信號(hào)位。
[0015]上述大功率變流裝置的光纖通信方法所需的光纖通信系統(tǒng)，即為上述光纖通信方法特征部分1)這里不重復(fù)。后面結(jié)合附圖再詳述。
[0016]本發(fā)明有益效果:
[0017]1)本發(fā)明光纖通信系統(tǒng)從整體上看是采用純硬件實(shí)現(xiàn)。首先，避免用軟件程序跑飛，通信可靠性高。且采用了芯片現(xiàn)場(chǎng)可編邏輯陣列FPGA，無法破解。
[0018]2)采用中央數(shù)據(jù)控制器9A(⑶C)和多個(gè)層控制器9B(MASTER)連接的結(jié)構(gòu)(即CDC-MASTER架構(gòu))。該架構(gòu)通過增加層控制器可以非常容易地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)容量。層控制器采用普通易于購買的FPGA芯片，使高壓變頻器成本低。
[0019]3)中央數(shù)據(jù)控制器與層控制器間用高速同步串口 9C(SPI)，保證數(shù)據(jù)幀同步，通信可靠性高。
[0020]4)層控制器與單元FPGA有獨(dú)立實(shí)時(shí)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，在通信中斷的條件下，立即啟動(dòng)保護(hù)措施，避免通信中斷IGBT損壞或者輸出波形畸變。
[0021]5)單元FPGA采用專用通信串口專用通信串口 ?可以將故障信息添加到與層控制器9B通信數(shù)據(jù)幀的每一字節(jié)中。為此，方便層控制器9B實(shí)時(shí)查看功率單元狀態(tài)，當(dāng)功率單元發(fā)生故障，層控制器可以立即控制旁路該層所有功率單元，保證高壓變頻器還可以正常輸出。另一方面，也在一定程度上防止非原廠的山寨配件使用。
[0022]6)單元FPGA和層控制器按專用通信協(xié)儀中時(shí)序分別發(fā)射。其效果是:①首先設(shè)置專用的幀頭、幀尾，沒有幀頭幀尾的數(shù)據(jù)丟棄，抗干擾性強(qiáng)。②通信同步速度快，層主控制器與單元FPGA之間通信同步時(shí)間小于3us。此技術(shù)可應(yīng)用于高壓大功率變頻器、并聯(lián)大功率光伏逆變器、電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償及諧波治理的功率單元驅(qū)動(dòng)。
[0023]7)測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)通信速度高，同步性好。從⑶C(中央數(shù)據(jù)控制器9A)至IJSLAVE (單元FPGA)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間20uS (層控制器幀長度為9字節(jié))。CDC和SLAVE定時(shí)器誤差最大為2個(gè)時(shí)鐘周期(時(shí)鐘頻率40MHz，兩邊各一個(gè)時(shí)鐘共0.05uS)，當(dāng)載波周期100uS時(shí)，誤差為萬分之5，下行數(shù)據(jù)延遲為0個(gè)PWM,上行數(shù)據(jù)延遲為1個(gè)PWM。
(四)【附圖說明】
[0024]圖1本實(shí)施例級(jí)聯(lián)高壓變頻器系統(tǒng)總示意圖。說明:1)圖1中線上三條斜短線表示3根線。線上兩條斜短線表示2根線。2)圖1中每相僅畫出了兩個(gè)串聯(lián)功率單元。
[0025]圖2本實(shí)施例級(jí)聯(lián)高壓變頻器一個(gè)功率單元電路及框圖(主回路為電路圖，控制部分為框圖)。
[0026]圖3本實(shí)施例級(jí)聯(lián)高壓變頻器主控系統(tǒng)9、單元FPGA 5及兩者間光纖通信系統(tǒng)及組成框圖。
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0027]大功率變流裝置光纖通信方法。
[0028]本實(shí)施例變流裝置為級(jí)聯(lián)高壓變頻器。用于驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)M，如火電廠風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)。
[0029]見圖1，在級(jí)聯(lián)高壓變頻器中每相均串接多個(gè)〈功率單元〉而形成高壓。圖1中僅畫出兩個(gè)串聯(lián)〈功率單兀〉。見圖1、圖2通過W1、W2兩端頭串聯(lián)。二相中每相最大電壓端A2、B2、C2為負(fù)載變頻電機(jī)Μ的電源端。三相交流市電In經(jīng)過移相變壓器向各〈功率單元>提供移相后三相交流電1。見圖2，每個(gè)功率單元內(nèi)主回路包括:移相后三相交流電1、整流電路2、全橋IGBT逆變器3。每個(gè)功率單元控制部分包括:故障檢測(cè)電路、脈寬測(cè)量電路
4、驅(qū)動(dòng)電路8、在遠(yuǎn)處的主控系統(tǒng)9。見圖1，主控系統(tǒng)9設(shè)在功率單元外的主控板上。
[0030]本實(shí)施例級(jí)聯(lián)高壓變頻器的光纖通信方法，特征是:
[0031]1)見圖2，在每個(gè)功率單元控制部分設(shè)一片芯片現(xiàn)場(chǎng)可編邏輯陣列單元FPGA 5、一片單片機(jī)單元STM326，兩者間用高速同步串口 6.l(SPI)直接連接。所述故障檢測(cè)電路中:母線過壓檢測(cè)電路4.1首端接主回路直流母線電壓D端，輸出端一路接單元STM32、另一路接單元FPGA。溫度檢測(cè)電路4.3輸出端直接接單元STM32。橋臂狀態(tài)檢測(cè)電路4.2首端接主回路橋臂中點(diǎn)Aa、Ab,輸出端接單元FPGA。
[0032]見圖3，主控系統(tǒng)9內(nèi)包括中央數(shù)據(jù)控制器9A和每一層的層控制器9B。圖3中畫出了兩層層控制器9B。中央數(shù)據(jù)控制器由一片單片機(jī)9A1STM32和一片F(xiàn)PGA9A2組成。每一層的層控制器9B由一片F(xiàn)PGA組成。中央數(shù)據(jù)控制器和各層控制器之間均通過高速同步串口 9C(SPI)直接連接。且中央數(shù)據(jù)控制器9A、各層層控制器9B及相連的各層層光纖發(fā)射器9.2和層光纖接收器9.1均設(shè)在同一主板9上。SPI的通信傳輸速度為33.3Mbit/s。層控制器9B分兩種型號(hào):0:3HB、1:3FB。其中，3HB是指三相半橋。3FB是指三相全橋。
[0033]圖3中畫出了兩層層控制器9B。每層層控制器9B與三個(gè)單元FPGA 5通信連接。見圖3，每個(gè)單元FPGA 5與層控制器9B間信息傳輸?shù)墓饫w線路7采用兩根光纖:第一根光纖7.1 一端連接光纖發(fā)射器5.1，通過光纖發(fā)射器5.1與單元FPGA 5連接；另一端與主板上的層光纖接收器9.1連接；通過層光纖接收器9.1與層控制器9B連接。第二根光纖7.2一端連接主板上的層光纖發(fā)射器9.2，通過層光纖發(fā)射器9.2與層控制器9B連接；另一端連接光纖接收器5.2，通過光纖接收器5.2與單元FPGA 5連接。單元FPGA內(nèi)有單元專用通信串口 5D，層控制器內(nèi)有專用通信串口 9D。
[0034]—般，第一根光纖7.1是由單元FPGA 5發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)