一种大功率变频器及其控制方法与流程

1.本发明属于变频器技术领域，具体涉及一种大功率变频器及其控制方法。


背景技术：

2.随着电机变频控制技术的进步，变频器的应用场景逐渐升级换代以驱动高电压、大功率电机，在矿下、矿山等场景对大功率变频器的实现提出了更高的要求。
3.现有技术中，大功率变频器的实现方法主要由以下几种典型方案：
4.方案一的典型拓扑如图1，通过igbt的并联单机实现大功率，这种方式在一般的变频器的大功率要求中应用起来限制不大，但是在特别大功率的应用场合，还是通过更多的igbt并联实现扩容，变频器设备单体尺寸太大，对于变频器结构的设计和维护的便利性带来了比较大的挑战，在实际应用中很难实现。
5.方案二的典型拓扑如图2，采用主机和从机并机的方式实现大功率，主机向从机传输六路桥臂驱动信号，从机通过线缆向主机反馈相关信号，由于该方案存在光纤数量较多，造成走线工艺复杂，并且信号经过线缆的长距离传输，容易受到干扰，设备运行的连续性和可靠性收到影响。
6.方案三的典型拓扑如图3，由一个控制单元控制多个功率单元，控制单元和各功率单元之间通过一路光纤发送信号和一路光纤接收信号进行信号的传输，六路驱动信号通过一路光纤发送信号通过编码译码的方式由控制单元向功率单元传输，由于传输六路信号受到通讯带宽的影响以及编码译码过程中的时序延时，各功率单元的igbt驱动信号无法完全同步，从而造成功率单元之间存在环流，为解决环流问题，该方案一般会使用输出均流电抗器进行均流，进一步造成了体积的增大与成本的上升。
7.综上，现有的大功率变频器以及实现方法仍然存在维护困难、工艺复杂、可靠性差、功率单元之间环流等问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术的上述不足，本发明提供一种大功率变频器及其控制方法，以解决上述技术问题。
9.第一方面，本发明提供一种大功率变频器，包括：一个控制单元和至少两个功率单元，每个功率单元通过一组光纤与所述控制单元连接；所有功率单元的电源输入端相联，所有功率单元的输出端相连共同驱动负载；直流母线相连；每组光纤中包括三路用于控制单元向功率单元发送上桥驱动信号的光纤，以及一路用于接收功率单元状态信息并向控制单元传输的光纤。
10.进一步的，包括：所述控制单元包括：译码模块、采集信号处理模块和主控运算dsp模块和脉宽调制信号发波处理模块；
11.所述译码模块用于接收并解析解析功率单元以光纤传递的状态信息；
12.所述采集信号处理模块用于采集编码译码模块解析的状态信息并发送给主控运
算dsp模块；
13.所述主控运算dsp模块用于根据采集信号处理模块反馈的信号确定功率单元的运行指令，并发送给脉宽调制信号发波处理模块；
14.所述脉宽调制信号发波处理模块，用于根据运行指令生成每个功率单元的三相桥臂的上桥驱动信号。
15.进一步的，功率单元包括主回路部分和控制回路部分；其中主回路部分包括：整流模块、上电缓冲模块、储能滤波模块、逆变模块；
16.控制回路部分包括：设置于子控板上的信号编码电路和死区产生电路；信号编码电路用于将采集状态信息编码成以光纤传递的数据通信格式；死区产生电路用于根据三路光纤发送igbt的上桥驱动信号，产生调制后的上桥驱动信号、下桥驱动信号；
17.控制回路部分还包括：设置于驱动板上的igbt驱动电路和信号采集电路；所述igbt驱动电路用于根据调制后上桥驱动信号、下桥驱动信号驱动主回路逆变模块的上桥igbt、下桥igbt；所述信号采集电路用于采集功率单元主回路的状态信息。
18.进一步的，所述死区产生电路的fpga上设置n段拨码开关在预设时间区间内均分产生2n种死区时间td，fpga用于将上桥驱动信号在上升沿延时死区时间td后作为调制后的上桥驱动信号；对上桥驱动信号进行逻辑取反后在上升沿延时死区时间td后作为调制后的下桥驱动信号。
19.第二方面，本发明提供一种大功率变频器的控制方法，包括：
20.根据变频器主回路的采集信号确定主回路的运行指令；
21.根据运行指令生成每个功率单元的三相桥臂的上桥驱动信号；
22.将上桥驱动信号在上升沿延时死区时间td后作为调制后的上桥驱动信号；对上桥驱动信号进行逻辑取反后在上升沿延时死区时间td后作为调制后的下桥驱动信号；
23.将调制后的上、下桥驱动信号驱动功率单元igbt。
24.本发明的有益效果在于，通过功率单元并联以及光纤并联控制的方式，解决了现有大功率变频器技术方案中的维护困难、工艺复杂、可靠性差、单元间存在环流的问题，有降低了大功率变频器的单机体积和成本。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为现有技术方案一的扩容的主回路拓扑结构示意图；
27.图2为现有技术方案二的主从扩容拓扑示意图；
28.图3为现有技术方案三的扩容拓扑示意图；
29.图4为本发明一个实施例的拓扑示意图；
30.图5为本发明一个实施例中fpga上下桥驱动信号发生电路示意图；
31.图6为本发明一个实施例中驱动信号死区时间真值表；
32.图7为本发明一个实施例的驱动信号死区产生时序图；
33.图8为本发明一个实施例fpga输出w相驱动信号时序图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
35.如图4所示，本发明实施例提供一种大功率变频器，包括：一个控制单元和至少两个功率单元，每个功率单元通过一组光纤与所述控制单元连接；所有功率单元的电源输入端相联，所有功率单元的输出端相连共同驱动负载；直流母线相连；每组光纤中包括三路用于控制单元向功率单元发送上桥驱动信号的光纤，以及一路用于接收功率单元向控制单元传输的状态信息的光纤。
36.在本实施例提供的大功率变频器的拓扑结构中，多个功率单元并机时，输入连接一个电源，并且输出端并联驱动负载；通过将直流母线进行并联，保持母线电压一致；通过本实施例提供的机构实现变频器功率扩容，同时可以避免出现输出环流，无需额外增加电抗器，最大程度的节约内部空间和成本。
37.此外，控制单元与多个功率单元通过光纤连接，其中控制单元和功率单元之间包括三组下行光纤用于控制单元向功率单元发送驱动信号，一组上行光纤用于功率单元向控制单元发送采集信号。三组发送光纤信号向功率单元传输控制单元发出的三相桥臂的上桥驱动信号，功率单元接收对应驱动信号后进行分析，产生三相桥臂的上桥驱动信号来驱动三相桥臂的六路igbt，用于变频器主功率回路的dcac转换；而光纤接收信号接收功率单元向控制单元传输的模拟量采集信号和故障采集信号，完成进行大功率变频器的闭环控制。
38.可选地，作为本发明一个实施例，所述控制单元包括：译码模块、采集信号处理模块和主控运算dsp模块和脉宽调制信号发波处理模块；所述译码模块用于接收并解析解析功率单元以光纤传递的状态信息；所述采集信号处理模块用于采集编码译码模块解析的状态信息并发送给主控运算dsp模块；所述主控运算dsp模块用于根据采集信号处理模块反馈的信号确定功率单元的运行指令，并发送给脉宽调制信号发波处理模块；所述脉宽调制信号发波处理模块，用于根据运行指令生成每个功率单元的三相桥臂的上桥驱动信号。
39.在本实施例中，光纤的设定具备同步性的优势，需要在信号发送和接收时根据约定的协议对信号进行编码和解码，例如六路驱动信号需要编码成三相对应的驱动信号。
40.可选地，作为本发明一个实施例，功率单元包括主回路部分和控制回路部分；其中主回路部分包括：整流模块、上电缓冲模块、储能滤波模块、逆变模块；控制回路部分包括：设置于子控板上的信号编码电路和死区产生电路；信号编码电路用于将采集状态信息编码成以光纤传递的数据通信格式；死区产生电路用于根据三路光纤发送igbt的上桥驱动信号，产生调制后的上桥驱动信号、下桥驱动信号；控制回路部分还包括：设置于驱动板上的igbt驱动电路和信号采集电路；所述igbt驱动电路用于根据调制后上桥驱动信号、下桥驱动信号驱动主回路逆变模块的上桥igbt、下桥igbt；所述信号采集电路用于采集功率单元主回路的状态信息。
41.下行驱动控制，控制单元中的主控dsp运算模块发出运行指令后，脉宽调制信号发波处理模块接收指令并生成多个功率单元的三相桥臂上桥驱动信号pwm，以其中一个功率
单元连接为例，驱动信号经过u+、v+、w+三相对应的三路上行光纤，发送到功率单元的子控板，子控板通过死区产生模块把三相桥臂的上桥驱动信号产生三相桥臂的六路驱动信号pwm后下发至驱动板，驱动板上的igbt驱动电路通过igbt进行导通控制，实现功率单元的逆变输出。在本实施例中控制单元可以控制n个功率单元，保证功率单元同时导通，输出并联实现大功率的输出。
42.上行信号采样，功率单元运行过程中的数据，由驱动板的信号采集电路采样主回路相关模拟量信号和故障信号，其中模拟量信号包括：输入电压采样信号、输入缺相信号、温度信号、电流信号，上传至子控板，经过信号处理模块后送至编码模块，再由上行光纤把采集的传送至控制单元，经过译码模块处理功率单元的相关信号，再由信号处理模块对于多个功率单元的信号进行整定合成处理后送入主控dsp运算模块，主控运算模块根据采集反馈的信息进行调整pwm输出。
43.可选地，作为本发明一个实施例，变频器所用主功率器件igbt的电流电压参数的不同，igbt开通时间与关断时间均不同，为保证同一个半桥的上下两个igbt不会因为开通关断延时造成桥臂直通，需要根据igbt额定电流电压参数，设置对应该igbt的死区时间，所述死区产生电路拨动n个拨码开关连接电源或者地对fpga对应管脚的输入信号置1或者置0，fpga通过内部程序可以产生2n种死区时间td，fpga通过信号调制将输入的上桥驱动信号在上升沿延时死区时间td后作为调制后的上桥驱动信号；对上桥驱动信号进行逻辑取反后在上升沿延时死区时间td后作为调制后的下桥驱动信号。
44.如图5所示，三相驱动信号由三相上桥驱动信号经过fpga调制生成有死区可调的三相驱动信号，以w相上桥驱动信号w+为例，当w+送入fpga后，fpga上升沿延时td成w+’，同时对于w+进行逻辑取反并且在该信号的上升沿同样延时td成w
‑’
，u相v相上桥驱动信号也经过该fpga电路产生相应的两相上下桥驱动信号。
45.本实施例通过拨码开关的拨码实现fpga输入管脚的置1或者置0，通过设定拨码开关的值确定死区时间，fpga内部程序死区时间与四个拨码开关真值表如图6所示，共给出16种死区时间，例如fpga四个输入管脚通过s1～s4四个拨码开关选择的值均接至地时，逻辑运算值为0000，死区时间td为预设时间区间2-32us的下限，即2us；fpga四个输入管脚通过s1～s4四个拨码开关选择的值均接至地时，逻辑运算值为1111，死区时间td为预设时间区间2-32us的上限，即32us。
46.以w相为例，最终原上桥驱动信号，以及添加死区时间后的上下桥驱动信号的时序对比如图7所示，其中w+输入fpga芯片对应管脚，执行两条命令，一是通过内部指令对w+信号的所有上升沿延时td(td由图5以及图6所述方法的产生的死区时间)生成w+’驱动信号输出，二是通过内部指令对w+信号进行逻辑取反得到w-信号，再通过内部指令对w-信号所有上升沿延时td(td由图5以及图6所述方法的产生的死区时间)生成w
‑’
驱动信号输出，最终fpga输出w相驱动信号如图8所示。
47.此外本发明实施例针对上述大功率变频器，还提供一种大功率变频器的控制方法，包括：根据变频器主回路的采集信号确定主回路的运行指令；根据运行指令生成每个功率单元的三相桥臂的上桥驱动信号；将上桥驱动信号在上升沿延时死区时间td后作为调制后的上桥驱动信号；对上桥驱动信号进行逻辑取反后在上升沿延时死区时间td后作为调制后的下桥驱动信号；将调制后的上、下桥驱动信号驱动功率单元igbt。
48.尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内或任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种大功率变频器，其特征在于，包括：一个控制单元和至少两个功率单元，每个功率单元通过一组光纤与所述控制单元连接；所有功率单元的电源输入端相联，所有功率单元的输出端相连共同驱动负载；直流母线相连；每组光纤中包括三路用于控制单元向功率单元发送上桥驱动信号的光纤，以及一路用于接收功率单元状态信息并向控制单元传输的光纤。2.根据权利要求1所述的大功率变频器，其特征在于，包括：所述控制单元包括：译码模块、采集信号处理模块和主控运算dsp模块和脉宽调制信号发波处理模块；所述译码模块用于接收并解析解析功率单元以光纤传递的状态信息；所述采集信号处理模块用于采集编码译码模块解析的状态信息并发送给主控运算dsp模块；所述主控运算dsp模块用于根据采集信号处理模块反馈的信号确定功率单元的运行指令，并发送给脉宽调制信号发波处理模块；所述脉宽调制信号发波处理模块，用于根据运行指令生成每个功率单元的三相桥臂的上桥驱动信号。3.根据权利要求1所述的大功率变频器，其特征在于，功率单元包括主回路部分和控制回路部分；其中主回路部分包括：整流模块、上电缓冲模块、储能滤波模块、逆变模块；控制回路部分包括：设置于子控板上的信号编码电路和死区产生电路；信号编码电路用于将采集状态信息编码成以光纤传递的数据通信格式；死区产生电路用于根据三路光纤发送igbt的上桥驱动信号，产生调制后的上桥驱动信号、下桥驱动信号；控制回路部分还包括：设置于驱动板上的igbt驱动电路和信号采集电路；所述igbt驱动电路用于根据调制后上桥驱动信号、下桥驱动信号驱动主回路逆变模块的上桥igbt、下桥igbt；所述信号采集电路用于采集功率单元主回路的状态信息。4.根据权利要求1所述的大功率变频器，其特征在于，所述死区产生电路的fpga上设置n段拨码开关在预设时间区间内均分产生2
n
种死区时间td，fpga用于将上桥驱动信号在上升沿延时死区时间td后作为调制后的上桥驱动信号；对上桥驱动信号进行逻辑取反后在上升沿延时死区时间td后作为调制后的下桥驱动信号。5.一种大功率变频器的控制方法，其特征在于，包括：根据变频器主回路的采集信号确定主回路的运行指令；根据运行指令生成每个功率单元的三相桥臂的上桥驱动信号；将上桥驱动信号在上升沿延时死区时间td后作为调制后的上桥驱动信号；对上桥驱动信号进行逻辑取反后在上升沿延时死区时间td后作为调制后的下桥驱动信号；将调制后的上、下桥驱动信号驱动功率单元igbt。

技术总结
本发明提供一种大功率变频器及其控制方法，包括：一个控制单元和至少两个功率单元，每个功率单元通过一组光纤与所述控制单元连接；所有功率单元的电源输入端相联，所有功率单元的输出端相连共同驱动负载；直流母线相连；每组光纤中包括三路用于控制单元向功率单元发送上桥驱动信号的光纤，以及一路用于接收功率单元状态信息并向控制单元传输的光纤。本发明通过功率单元并联以及光纤并联控制的方式，解决了现有大功率变频器技术方案中的维护困难、工艺复杂、可靠性差、单元间存在环流的问题。单元间存在环流的问题。单元间存在环流的问题。


技术研发人员：阮敬稳 田其金 张长元 陈凯 姜圆九 马彦兵
受保护的技术使用者：新风光电子科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/10/6