CN101266265B - 检测高压变频器电网电压相位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测高压变频器电网电压相位的方法，它是通过变频器主控制***直接对变频器高压侧输入电压进行检测并处理；然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给各功率单元的控制芯片；各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网电压相位信息，进行控制算法的计算。本发明的有益效果是：使无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器在取消了网侧电抗器后，仍可以高性能地可靠运行，从而大大地降低了变频器的成本、体积和重量。

Description

检测高压变频器电网电压相位的方法
技术领域
本发明涉及一种检测电网电压相位的方法，具体地说，本发明涉及一种用于检测与无网侧电抗器、具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器相连的三相电网电压相位的方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，高压变频器作为节能降耗的主要手段，在国民经济的各个领域，如冶金、石化、供水、电力等行业得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。
在诸多拓扑结构的高压变频器中，图1所示的功率单元串联多电平型高压变频器，由于其电压输出能力强，对电网的谐波污染小，对电机输出电压的dv/dt小，成为高压变频器的最主流和最优的形式之一。
在功率单元串联多电平型高压变频器的实际应用中，对于需要电气制动的负载，如大惯量风机、矿井提升机、轧钢机等，在被控电机制动时需要将其制动能量从负载侧反馈至电网侧。为了使功率单元串联多电平型高压变频器具有能量回馈功能，每个功率单元的控制芯片必须要能够精确地检测其网侧电压的相位，控制其网侧电流。
为了使每个功率单元能够精确地检测其网侧电压的相位，以便控制功率单元内的可控整流桥逆变，将制动能量回馈至电网；也为了使每个功率单元的网侧电感值相同且已知，降低控制程序的难度，如图1所示，在现有技术中，通常在每个功率单元1的网侧与三相多副边绕组变压器2的副边绕组之间增设一个三相低压网侧电抗器3。
在具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器内安装如此多的低压网侧电抗器将显著地增加变频器的体积、重量和成本。
为了减小上述高压变频器的体积和重量，降低其制造成本，本发明人经过潜心研究开发了一种无网侧电抗器的、具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器，如图2所示。在研制的过程中，本发明人发现：当取消了每个功率单元1网侧与变压器2副边绕组之间的网侧电抗器后，各功率单元的电网侧即为其可控整流桥部分的电源输出侧，该处电压为功率单元可控整流桥部分的输出电压而非电网电压，各功率单元的控制部分无法测量电网电压的相位和幅值，因此，各控制单元的控制部分无法进行控制算法的计算，也就无法控制构成整流桥的各个开关元件的导通与关断，无法实现能量的回馈。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种用于检测与无网侧电抗器、具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器相连的三相电网电压相位的方法。
为实现上述的目的，本发明采用以下的设计方案：一种检测高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于：它是通过变频器主控制***直接对变频器高压侧输入电压进行检测并处理；然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给各功率单元的控制芯片；各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网电压相位信息，进行控制算法的计算。
即，本发明采用软件锁相方法对电网电压相位进行检测与处理的，具体方法如下：
1、首先，由变频器主控制***检测并采样变频器高压输入侧电压即电网电压，经过软件锁相环锁相后，得到电网电压的相位；
2、然后，将电网电压相位的数值转换成串行信号，通过光纤发送至各个功率单元；
3、各功率单元收到上述串行信号后，将其转换为并行信号，传送给功率单元内的控制芯片，进行控制算法计算。
本发明的有益效果是：使无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器在取消了网侧电抗器后，仍可以高性能地可靠运行，从而大大地降低了变频器的成本、体积和重量。
附图说明
图1为带有网侧电抗器的具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器的主电路拓扑结构；
图2为无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器主电路拓扑结构图；
图3为本发明主控制***采用软件锁相环锁相电网电压相位的原理框图；
图4为本发明主控制***采用的软件锁相环算法框图；
图5为本发明主控制***采用软件锁相环锁相功率单元解码光纤信号的原理框图。    
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，并非对本发明的限定。
为了检测与无网侧电抗器具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器相连的电网电压相位，本发明通过变频器主控制***4直接对变频器高压侧输入电压进行检测，然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤5传输给各功率单元1的控制芯片；各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网相位信息，进行控制算法的计算，对其直流母线电压和网侧电流进行独立的控制。
本发明主控制***采用软件锁相方法对电网电压相位进行检测与处理，具体方法如下：
1、首先，由变频器主控制***检测并采样变频器高压输入侧电压即电网电压，经过软件锁相环锁相后，得到电网电压的相位；
2、然后，将电网电压相位的数值转换成串行信号，通过光纤发送至各个功率单元；
3、各功率单元收到上述串行信号后，将其转换为并行信号，传送给功率单元内的控制芯片，进行控制算法(如矢量控制)计算。
由于对于某些控制算法，精确知道电网电压的幅值有助于提高控制的动态性能，因此可以通过软件算法计算出电网电压的幅值，与相位信号一同进行并行-串行转换，通过光纤发送至各个功率单元。
图3为本发明主控制***采用软件锁相方法检测和处理电网电压相位的原理框图。如图所示，主控制***将变频器高压输入侧三相电压(即电网电压)经过电阻分压后，得到与之相位相同、大小成正比的三相低压信号，经过隔离运放芯片(例如ISO124芯片)的隔离和放大，得到可供A/D采样器采样的三相电压信号；A/D采样器对这组信号进行模数转换后，交由主控制***中的微处理器进行软件锁相环计算，得到较为平稳的电网电压的幅值和相位，再通过并行-串行转换器，将电网电压的相位数值转换成为串行信号，通过光纤驱动器最终转换成为光信号后，通过光纤传输给各个功率单元。
图4为本发明软件锁相环的一种实现方式。如图所示，首先，主控制***微处理器将A/D采样器模数转换后的三相电网电压的瞬时值经过直角坐标系→极坐标系的数学变换，得到极坐标系下的电网电压瞬时值，即电网电压的幅值和相位的瞬时值；
然后，将电网电压的幅值瞬时值通过低通滤波器滤波后，得到相对稳定的电网电压幅值，发送至并行-串行转换器；
将电网电压的相位瞬时值与软件锁相环相位输出瞬时值之差，作为锁相环的相位控制误差，传输给比例-积分调节器(PI调节器)；再将调节器的输出与预先设定的电网频率基准值(在中国为50Hz)相加，得到当前锁相环的频率；将锁相环频率进行积分即得到锁相后的电网电压相位，然后将此相位的数值发送至并行-串行转换器，进而与滤波后的电网电压幅值一起通过光纤发送至各个功率单元。
图5为各个功率单元对接收到的光纤信号进行解码的原理框图。如图所示，各个功率单元接收到光纤信号后，通过光电转换器将其进行光电转换得到串行的电信号，该信号包含电网电压的幅值信息和相位信息；再将该信号经过串行-并行转换器转换后，得到并行的电网电压幅值信号和相位信号；功率单元上的微处理器芯片(即功率单元的控制芯片)从串行-并行转换器上取出这两个信号后，将其带入可控整流器控制算法的计算程序，进行精确的计算。
还有一种等效的方法是主控制***直接将采样到的三相电网电压瞬时值通过并行-串行转换器，转换成串行信号，再通过光纤发送至每个功率单元上。上述软件锁相环程序由各个功率单元上的微处理器芯片负责执行。
上述软件锁相环的优点在于计算精确，当检测到的电网电压信号受到干扰时，其输出的电网电压幅值与电网电压相位相对平稳，最终使得各个功率单元的可控整流桥工作平稳。
此外，还有一些其他的方法，如主控制***根据采样到的电网电压数值，直接计算电网电压相位，通过光纤送至功率单元，由功率单元自行计算其相位等等，由于篇幅所限不能枚举。
这些方法的共同点是：主控制***对变频器高压侧输入电压(即三相电网电压)进行检测，然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤发送至各个功率单元。
本发明的有益效果是：使无网侧电抗器的具有能量回馈功能的高压变频器在取消了网侧电抗器后，仍可以高性能地可靠运行，从而大大地降低了变频器的成本、体积和重量。

Claims (6)

1.一种检测高压变频器电网电压相位的方法，针对无网侧电抗器具有能量回馈功能的功率单元串联多电平型高压变频器设计，其特征在于：它是通过变频器主控制***直接对变频器高压侧输入电压进行检测并处理；然后，将包含电网电压相位信息的信号通过光纤传输给各功率单元的控制芯片；各功率单元控制芯片根据从光纤接收到的电网电压相位信息，进行控制算法的计算。
2.根据权利要求1所述的检测高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于：所述变频器主控制***检测并采样变频器高压输入侧电压，经过软件锁相环锁相后，得到包含电网电压相位的信息。
3.根据权利要求2所述的检测高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于：所述软件锁相是指主控制***微处理器将采样到的三相电网电压瞬时值经过直角坐标系→极坐标系的数学变换，得到极坐标系下的电网电压瞬时值，即电网电压的幅值和相位的瞬时值；
然后，将电网电压的幅值瞬时值通过低通滤波器滤波后，得到相对稳定的电网电压幅值，发送至并行-串行转换器；
将电网电压的相位瞬时值与软件锁相环相位输出瞬时值之差，作为锁相环的相位控制误差，传输给比例-积分调节器；再将调节器的输出与预先设定的电网频率基准值相加，得到当前锁相环的频率；将锁相环频率进行积分即得到锁相后的电网电压相位，然后将此相位的数值发送至并行-串行转换器，进而与滤波后的电网电压幅值一起通过光纤发送至各功率单元。
4.根据权利要求2或3所述的检测高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于：所述变频器主控制***将包含电网电压相位的数值转换成串行信号，再通过光纤驱动器最终转换成为光信号后，通过光纤传输给各个功率单元。
5.根据权利要求4所述的检测高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于：所述各功率单元收到上述串行信号后，将其转换为并行信号，传送给功率单元内的控制芯片，进行控制算法计算。
6.根据权利要求5所述的检测高压变频器电网电压相位的方法，其特征在于：所述各功率单元接收到光纤信号后，通过光电转换器将其进行光电转换得到串行的电信号，该信号包含电网电压的相位信息；再将该信号经过串行-并行转换器转换后，得到并行的包含电网电压相位的信号；功率单元上的微处理器芯片从串行-并行转换器上取出该信号后，将其带入包含控制算法的计算程序，进行精确的计算。
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