專利名稱：一種相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 屬于電工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)及其脈沖信號(hào)生成方法。
背景技術(shù)：
在大容量電機(jī)傳動(dòng)場合，由于交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護(hù)方便，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速用變頻裝置增加的成本已能被采用交流電動(dòng)機(jī)所節(jié)約的成本所補(bǔ)償，而且采用矢量控制技術(shù)后，交流調(diào)速性能已經(jīng)與直流調(diào)速不相上下，因此，基于交交變頻器的變頻傳動(dòng)技術(shù)在大功率低轉(zhuǎn)速交流傳動(dòng)場合，如軋機(jī)、礦山卷揚(yáng)、風(fēng)洞、船舶推進(jìn)、水泥回轉(zhuǎn)窯等，得以廣泛應(yīng)用。同時(shí)，交交變頻器也可廣泛應(yīng)用于分頻風(fēng)電系統(tǒng)。我國風(fēng)能資源豐富，但是分布不均，因此，風(fēng)電的遠(yuǎn)距離輸送急需合理的輸送方案。目前，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的兩種接入方式主要是恒速恒頻和變速恒頻。其中，前者是指保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，從而得到恒定頻率的電能；后者則是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速變化，而通過某種特定的方式使頻率恒定。在恒速恒頻系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)相耦合，風(fēng)電的特性將直接對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響；另外，其發(fā)電設(shè)備大部分為異步發(fā)電機(jī)，它在發(fā)出有功功率的同時(shí)，還需要消耗無功功率。在雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接一個(gè)雙饋電機(jī)并網(wǎng)，但是這些方法中都是采用一塔一輪一電機(jī)控制的機(jī)組結(jié)構(gòu)，增加了風(fēng)力發(fā)電的成本。在永磁直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)端都裝設(shè)一臺(tái)全功率變送器，變流器容量較大，成本過高。2005年，西安交通大學(xué)發(fā)電教研室利用相控式交交變頻器在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了分頻輸電，證明了分頻輸電的實(shí)現(xiàn)不存在無法克服的技術(shù)障礙。由此可見，分頻輸電是除特高壓交流、特高壓直流輸電之外的另外一種遠(yuǎn)距離大容量的輸電方式。同樣，基于分頻輸電技術(shù)的分頻風(fēng)電系統(tǒng)能夠有效解決風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸送的難題。在分頻風(fēng)電系統(tǒng)當(dāng)中，關(guān)鍵設(shè)備是承擔(dān)電能變換任務(wù)的相控式交交變頻器，交交變頻器的性能決定了分頻風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)適合于分頻風(fēng)電系統(tǒng)的交交變頻器控制器(裝置)具有舉足輕重的意義。傳統(tǒng)的交交變頻器主要用于大容量的交流傳動(dòng)場合，并非用于不同頻率的電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，因此對(duì)于交交變頻器低頻側(cè)電壓諧波及無功吞吐沒有特別嚴(yán)格的要求，考慮到工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將相控式交交變頻器直接應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電時(shí)，尚有下述不足首先，受限于脈沖生成方法的局限性，晶閘管的觸發(fā)脈沖不能準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)低頻側(cè)輸出頻率在線調(diào)整，因此直接應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電時(shí)，只能按照恒速恒頻的方式運(yùn)行，達(dá)不到提高風(fēng)能利用率的目的；其次，當(dāng)交交變頻器主電路脈波數(shù)為12脈波及以上時(shí)， 需要的硬件資源較為龐大，且脈沖生成的實(shí)時(shí)算法對(duì)于CPU的浮點(diǎn)運(yùn)算性能也是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，通用CPU由于不具備運(yùn)動(dòng)控制所需的硬件資源而無能為力，而單片專用芯片，如TI公司TMS320系列DSP，也難以完成如此龐大的數(shù)值運(yùn)算運(yùn)和邏輯運(yùn)算量，因而無法準(zhǔn)確做到交交變頻器低頻側(cè)頻率和電壓的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，而且會(huì)造成交交變頻器特征諧波含量增大，不能滿足電力系統(tǒng)對(duì)于電能質(zhì)量的要求。第三，傳統(tǒng)的交交變頻器控制器沒有同期并列單元，因此無法直接與低頻側(cè)的發(fā)電機(jī)相連，限制了交交變頻器的使用范疇。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)及脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)生成的方法。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)交交變頻器高效穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)其低頻側(cè)可與發(fā)電機(jī)直接相連，不但可以解決大型風(fēng)電場的接入問題，也可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的大容量交流傳動(dòng)場合。為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，所述脈沖生成系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方案，包括以下相互連接的各個(gè)單元系統(tǒng)電源單元用于為整個(gè)實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)提供電源；電壓、電流測量單元用于測量變頻器兩側(cè)的電壓及電流，為整個(gè)系統(tǒng)提供輸入信號(hào)；所述的電壓、電流測量單元直接與主電路相連，并將主電路的高電壓、大電流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的低電壓、小電流，并通過送至信號(hào)調(diào)理單元。信號(hào)調(diào)理單元用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形、濾波；所述的信號(hào)調(diào)理單元對(duì)電壓、電流測量單元的測量結(jié)果進(jìn)行濾波、整形，并將調(diào)理后的信號(hào)分別送至脈沖生成及編碼單元、 邏輯控制單元及同期并網(wǎng)單元。串口通信單元用于外部為系統(tǒng)提供輸出頻率及電壓指令；所述的串口通信單元利用串口通信線將外部的頻率、電壓、相位指令及輸出電壓的直流、次諧波分量送至脈沖生成及編碼單元。中斷信號(hào)源用于為脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元提供定時(shí)器或外部中斷信號(hào)，使脈沖生成并進(jìn)入中斷子程序。脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元用于實(shí)時(shí)生成脈沖并對(duì)其進(jìn)行編碼；所述的脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元接受串口通信單元和信號(hào)調(diào)理單元的輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)生成脈沖，并對(duì)脈沖組進(jìn)行編碼，將編碼送至脈沖解碼單元。同時(shí)，該單元還將生成一個(gè)與低頻A相電壓同相的虛擬參考電壓，通過信號(hào)線送至同期并列單元。變頻器邏輯判斷單元用于利用低頻側(cè)電流進(jìn)行交交變頻器的正反橋切換；所述的變頻器邏輯判斷單元接受同期并列單元的啟停信號(hào)和信號(hào)調(diào)理單元的輸出信號(hào)，將變頻器正反橋切換指令送至脈沖解碼單元。同期并列單元；用于實(shí)現(xiàn)交交變頻器與低頻發(fā)電機(jī)的連接；所述的同期并列單元通過將信號(hào)調(diào)理單元的輸出信號(hào)與脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元的虛擬參考電壓相比較，判斷變頻器與發(fā)電機(jī)的同期并列時(shí)刻，并向變頻器邏輯判斷單元發(fā)送啟停信號(hào)。脈沖解碼單元用于脈沖解碼及驅(qū)動(dòng)控制；所述的脈沖解碼單元接收脈沖生成及編碼單元的脈沖編碼和變頻器邏輯控制單元的正反橋信號(hào)，將脈沖編碼轉(zhuǎn)化為各自晶閘管的脈沖信號(hào)，送至各自的觸發(fā)單元。晶閘管驅(qū)動(dòng)單元用于產(chǎn)生符合要求的晶閘管門極觸發(fā)脈沖；所述的晶閘管觸發(fā)電路單元接收脈沖解碼單元發(fā)送的信號(hào)，進(jìn)行光電隔離和電壓轉(zhuǎn)換后送至各晶閘管的門極。所 述電壓、電流測量單元與信號(hào)調(diào)理單元相連，信號(hào)調(diào)理單元分別與脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元相連，脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元分別與脈沖解碼單元相連，脈沖解碼單元與晶間管驅(qū)動(dòng)單元相連；其中，脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元分別與串口通信單元、同期并列單元相連；同期并列單元與變頻器邏輯判斷單元相連；所述系統(tǒng)電源單元通過電源線與信號(hào)調(diào)理單元、串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元相連。本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步特征在于所述系統(tǒng)電源單元為24V及士 12V直流電源。所述電壓、電流測量單元采用低頻及工頻的電壓電流互感器。所述串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元利用一個(gè)或數(shù)個(gè)相互連接的CPU或可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。多個(gè)器件之間僅用信號(hào)線相連，無需額外的通信設(shè)備和協(xié)議。所述CPU環(huán)節(jié)連接一個(gè)EEPR0M(電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)作為存儲(chǔ)單元。所述中斷信號(hào)源由定時(shí)器電路或外部倍頻電路提供。同時(shí)，本發(fā)明還給出了一種相控式交交變頻器控制器的實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成方法， 該方法包括以下步驟1)變頻器主電路通電，控制器系統(tǒng)電源單元向控制器供電，開始工作；2)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元進(jìn)行初始化，將變頻器主電路所有晶間管的觸發(fā)脈沖
信號(hào)置零；3)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元在內(nèi)存中生成一張正弦表；4)電壓、電流測量單元對(duì)變頻器工頻側(cè)電壓進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元；5)串口通信單元將外部信息和指令送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元；6)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元利用工頻側(cè)電壓測量結(jié)果和外部信息、指令，生成 12+3N個(gè)指向正弦表的指針，指針分別代表12個(gè)同步信號(hào)和3個(gè)調(diào)制信號(hào)，每個(gè)同步信號(hào)間互差30° ；并對(duì)指針進(jìn)行初始化，使每個(gè)指針分別指向正弦表的不同位置；其中每個(gè)同步信號(hào)由1個(gè)指針表示，而每個(gè)調(diào)制信號(hào)則由N個(gè)指針?biāo)笖?shù)值的和表示；7)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)外部指令設(shè)置電壓調(diào)制比；8)開啟并設(shè)置中斷信號(hào)源，使之每隔一個(gè)固定時(shí)間則向脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元發(fā)送中斷指令；9)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元接收中斷信號(hào)源提供的中斷信號(hào)，根據(jù)中斷信號(hào)源和外部指令，移動(dòng)所有指針在正弦表上的位置；10)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)12個(gè)指向同步信號(hào)指針的位置，直接得到12個(gè)同步信號(hào)的瞬時(shí)值；同時(shí)，將指向調(diào)制信號(hào)的N個(gè)指針的數(shù)值相加，并乘以電壓調(diào)制比，得到3個(gè)調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值；11)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元將對(duì)應(yīng)于變頻器主電路低頻A相電壓的調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值作為虛擬同期信號(hào)通過信號(hào)線傳送給同期并列單元；
12)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)余弦交點(diǎn)法原理，將應(yīng)開通的變頻器主電路正橋晶閘管的脈沖信號(hào)置1，并對(duì)所有正橋晶閘管的脈沖情況編碼，將得到的正橋晶閘管脈沖信號(hào)碼發(fā)送至脈沖解碼單元；13)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)余弦交點(diǎn)法原理，將應(yīng)開通的變頻器主電路反橋晶閘管的脈沖信號(hào)置1，并對(duì)所有反橋晶閘管的脈沖情況編碼，將得到的反橋晶閘管脈沖信號(hào)碼發(fā)送至脈沖解碼單元；14)變頻器邏輯判斷單元和同期并列單元生成正反橋切換信號(hào)發(fā)送至脈沖解碼單元；15)脈沖解碼單元根據(jù)正反橋切換信號(hào)對(duì)正反橋脈沖信號(hào)碼進(jìn)行解碼，并得到變頻器主電路所有晶閘管的脈沖信號(hào)；16)脈沖解碼單元將脈沖信號(hào)送至各自晶間管驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)脈沖進(jìn)行整形、放大后送至變頻器主電路晶間管門極，對(duì)變頻器主電路晶間管進(jìn)行觸發(fā)；17)不斷重復(fù)步驟9)-步驟16)過程，生成下一時(shí)刻的觸發(fā)脈沖并送至變頻器主電路晶閘管門極，對(duì)變頻器主電路晶閘管進(jìn)行觸發(fā)。本發(fā)明方法的進(jìn)一步特征在于所述步驟14)中的正反橋切換信號(hào)由下述步驟獲得1)電壓、電流測量單元測量變頻器主電路低頻側(cè)A相電壓，測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至同期并列單元；2)同期并列單元通過信號(hào)線接收脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元發(fā)出的虛擬同期信號(hào)；3)同期并列單元將低頻側(cè)A相電壓與虛擬同期信號(hào)進(jìn)行比較，判斷變頻器是否滿足同期條件；4)若變頻器不滿足同期條件，同期并列單元向變頻器邏輯判斷單元發(fā)出停止信號(hào)，當(dāng)變頻器邏輯判斷單元接到停止信號(hào)時(shí)，向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令“同時(shí)關(guān)閉正反橋”；5)若變頻器滿足同期條件，電壓、電流測量單元對(duì)變頻器主電路低頻側(cè)電流進(jìn)行測量，測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至變頻器邏輯判斷單元；6)若低頻側(cè)測量結(jié)果電流瞬時(shí)值為正，則變頻器邏輯判斷單元向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令“開通正橋，關(guān)閉反橋”；7)若低頻側(cè)測量結(jié)果電流瞬時(shí)值為負(fù)，則變頻器邏輯判斷單元向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令“開通反橋，關(guān)閉正橋”。所述步驟6)中N為正整數(shù)，且N < 10。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果1.由于存在同期并列單元這一環(huán)節(jié)，利用本控制系統(tǒng)后，交交變頻器可以實(shí)現(xiàn)與低頻發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，擴(kuò)大了交交變頻器的應(yīng)用范圍。2.可采用多器件并行計(jì)算，互為備用，減少了單片CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。同時(shí)，多器件間直接利用信號(hào)線相連，不需額外的通信環(huán)節(jié)，減少了硬件及軟件成本，為脈沖的實(shí)時(shí)生成創(chuàng)造有利條件。3.數(shù)值計(jì)算和邏輯運(yùn)算部分功能分離，代碼執(zhí)行效率較高，運(yùn)行可靠。
4.觸發(fā)脈沖實(shí)時(shí)生成，低頻側(cè)頻率和電壓可動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能利用，還可以根據(jù)系統(tǒng)潮流計(jì)算的結(jié)果和控制目標(biāo)實(shí)時(shí)調(diào)整低頻側(cè)電壓，調(diào)節(jié)低頻側(cè)無功潮流，以滿足系統(tǒng)電能質(zhì)量和無功優(yōu)化配置的需求。5.利用本發(fā)明所述方法，可實(shí)時(shí)判斷或提前計(jì)算晶閘管觸發(fā)時(shí)間，嚴(yán)格余弦交點(diǎn)觸發(fā)原則，大大降低變頻器低頻側(cè)的諧波含量。同時(shí)利用多個(gè)指針數(shù)值和代表調(diào)制信號(hào)，可在調(diào)制信號(hào)中增加低頻及直流信號(hào)，減少低頻側(cè)輸出電壓的次諧波及直流分量。6.模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用于大容量交流傳動(dòng)場合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電壓型變流器的U/f控制和電流型變流器的矢量控制。


圖1為本發(fā)明相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中Ua、Ub、U。 分別為變頻器低頻側(cè)電壓，UA, UB, Uc分別是變頻器工頻側(cè)電壓，Ia、Ib、Ic分別是變頻器低頻側(cè)電流。U' a是并網(wǎng)用虛擬參考電壓。圖2是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相控式交交變頻器觸發(fā)脈沖實(shí)時(shí)生成方法的流程圖。圖3是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成方法中同期并列單元與變頻器邏輯判斷單元生成正反橋切換信號(hào)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。如圖1所示，本發(fā)明相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)包括以下部分1.系統(tǒng)電源單元。利用直流電源對(duì)整個(gè)實(shí)時(shí)脈沖生成系統(tǒng)元器件供電，電源電壓為24V及士 12V直流電源。2.電壓、電流測量單元。用于測量變頻器兩側(cè)的電壓及電流，利用工頻、低頻電壓電流互感器將主電路的大電壓、大電流轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的低電壓、小電流，為整個(gè)系統(tǒng)提供輸入信號(hào)；電壓、電流測量單元直接與主電路相連，并將主電路的高電壓、大電流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的低電壓、小電流，并通過送至信號(hào)調(diào)理單元。3.信號(hào)調(diào)理單元。用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形、濾波；信號(hào)調(diào)理單元對(duì)電壓、電流測量單元的測量結(jié)果進(jìn)行濾波、整形，并將調(diào)理后的信號(hào)分別送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、 邏輯控制單元及同期并網(wǎng)單元。4.串口通信單元。用于外部為系統(tǒng)提供輸出頻率及電壓指令；串口通信單元利用串口通信線將外部的頻率、電壓、相位指令及輸出電壓的直流、次諧波分量送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元。利用串口線及串口規(guī)程，將外部指令和相關(guān)信號(hào)送進(jìn)系統(tǒng)。5.脈沖實(shí)時(shí)生成及其編碼單元。用于實(shí)時(shí)生成脈沖并對(duì)其進(jìn)行編碼；脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元接收串口通信單元和信號(hào)調(diào)理單元的輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)生成觸發(fā)，并對(duì)脈沖組進(jìn)行編碼，將編碼送至脈沖解碼單元。同時(shí)，該單元還將生成一個(gè)與低頻A相電壓同相的虛擬參考電壓，通過信號(hào)線送至同期并列單元。主要負(fù)責(zé)脈沖實(shí)時(shí)生成、編碼和分配，同時(shí)CPU 的I/O端口進(jìn)行編碼擴(kuò)展。6.中斷信號(hào)源。用于為脈沖實(shí)時(shí)生成及其編碼單元提供中斷信號(hào)。中斷信號(hào)源可由CPU的定時(shí)器或者外部分頻電路搭建而成。當(dāng)中斷時(shí)間到達(dá)時(shí)，該單元向脈沖實(shí)時(shí)生成及其編碼單元提供一個(gè)高電平中斷信號(hào)，并通過程序或硬件設(shè)置下一次的中斷觸發(fā)時(shí)間。 中斷信號(hào)源由定時(shí)器電路或外部倍頻電路提供。7.變頻器邏輯判斷單元。用于利用低頻側(cè)電流進(jìn)行交交變頻器的正反橋切換；變頻器邏輯判斷單元接受同期并列單元的啟停信號(hào)和信號(hào)調(diào)理單元的輸出信號(hào)，將變頻器正反橋切換指令送至脈沖解碼單元。主要負(fù)責(zé)零電流檢測和邏輯無環(huán)流控制。零電流檢測電路采用霍爾傳感器零電流檢測法實(shí)現(xiàn)，邏輯無環(huán)流控制板將零電流檢測板檢測到的負(fù)載電流過零信號(hào)進(jìn)行邏輯分析和數(shù)字濾波，得到正、反組開通和關(guān)斷的準(zhǔn)確信號(hào)，送給主控板， 作為閉鎖脈沖之用，同時(shí)，合理設(shè)置正反組切換的死區(qū)時(shí)間長短，盡可能的在保證系統(tǒng)安全可靠工作的同時(shí)，減少交交變頻器輸出的非本征畸變。8.同期并列單元。用于實(shí)現(xiàn)交交變頻器與低頻發(fā)電機(jī)的連接；同期并列單元通過將信號(hào)調(diào)理單元的輸出信號(hào)與脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元的虛擬參考電壓相比較，判斷變頻器與發(fā)電機(jī)的同期并列時(shí)刻，并向變頻器邏輯判斷單元發(fā)送啟停信號(hào)。通過將虛擬參考電壓與檢測同步點(diǎn)電壓、頻率和相位相比較，判斷是否滿足同期并網(wǎng)的條件，給交交變頻器邏輯控制電路發(fā)出使能信號(hào)，以控制交交變頻器的啟/停。9.脈沖解碼單元。用于脈沖解碼及驅(qū)動(dòng)控制；脈沖解碼單元接收脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元的脈沖編碼和變頻器邏輯控制單元的正反橋信號(hào)，將脈沖編碼轉(zhuǎn)化為各自晶閘管的脈沖信號(hào)，送至各自的觸發(fā)單元。用來對(duì)脈沖控制板生成的觸發(fā)脈沖進(jìn)行解碼、分配和隔離放大。采用高性能CPLD或FPGA首先對(duì)脈沖進(jìn)行解碼，然后，將低頻脈沖經(jīng)過軟調(diào)制，得到IOkHz的脈沖列，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)部分的隔離和放大，送至晶閘管的觸發(fā)端。10.晶閘管驅(qū)動(dòng)單元用于產(chǎn)生符合要求的晶閘管門極觸發(fā)脈沖；晶閘管觸發(fā)電路單元接收脈沖解碼單元發(fā)送的信號(hào)，進(jìn)行光電隔離和電壓轉(zhuǎn)換后送至各晶間管的門極。本發(fā)明系統(tǒng)中，電壓、電流測量單元與信號(hào)調(diào)理單元相連，信號(hào)調(diào)理單元分別與脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元相連，脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元分別與脈沖解碼單元相連，脈沖解碼單元與晶間管驅(qū)動(dòng)單元相連； 其中，脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元分別與串口通信單元、中斷信號(hào)源、同期并列單元相連；同期并列單元與變頻器邏輯判斷單元相連；其中，系統(tǒng)電源單元通過電源線與信號(hào)調(diào)理單元、串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元相連。電壓、電流測量單元采用低頻及工頻的電壓電流互感器。串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元利用一個(gè)或數(shù)個(gè)相互連接的CPU或可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。多個(gè)器件之間僅用信號(hào)線相連，無需額外的通信設(shè)備和協(xié)議。CPU環(huán)節(jié)可連接一個(gè)EEPROM作為存儲(chǔ)單元。如圖2所示是變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成方法的流程圖，該方法包括以下步驟1)變頻器主電路通電，控制器系統(tǒng)電源單元向控制器供電，開始工作；2)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元初始化系統(tǒng)，將變頻器主電路所有晶閘管的脈沖指令設(shè)置為0 ；3)脈沖生成及編碼單元在內(nèi)存中生成一張正弦表，該正弦表由M個(gè)點(diǎn)組成，其中M 應(yīng)為12的整倍數(shù)；4)電壓、電流測量單元對(duì)變頻器工頻側(cè)電壓進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理
10單元進(jìn)行整形、濾波后送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元；5)串口通信單元根據(jù)系統(tǒng)串口協(xié)議，將變頻器低頻側(cè)頻率、電壓、相位指令以及低頻側(cè)電壓直流分量、次諧波分量等信息送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元；6)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元利用工頻側(cè)電壓測量結(jié)果和外部信息、指令，根據(jù)實(shí)際需求，生成12+3N個(gè)(N為正整數(shù)，且N小于10)指針代表12個(gè)同步信號(hào)和3個(gè)調(diào)制信號(hào)， 每個(gè)同步信號(hào)間互差30° ；并對(duì)指針進(jìn)行初始化，使每個(gè)指針分別指向正弦表的不同位置； 其中每個(gè)同步信號(hào)由1個(gè)指針表示，而每個(gè)調(diào)制信號(hào)則由N個(gè)指針?biāo)笖?shù)值的和表示，其中的一個(gè)指針用來表征低頻電壓的指令值，其余N-I個(gè)指針用來消除低頻電壓中的直流及次諧波分量；7)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)外部指令設(shè)置電壓調(diào)制比；8)開啟并設(shè)置中斷信號(hào)源，使之開始向脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元發(fā)送中斷指令。9)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元接收中斷信號(hào)源提供的中斷信號(hào)，并根據(jù)中斷信號(hào)源和外部指令，移動(dòng)所有指針在正弦表上的位置；10)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)12個(gè)指向同步信號(hào)指針的位置，直接得到12個(gè)同步信號(hào)的瞬時(shí)值；同時(shí)，將指向調(diào)制信號(hào)的N個(gè)指針的數(shù)值相加，并乘以各自的電壓調(diào)制比，得到3個(gè)調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值；11)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元將對(duì)應(yīng)于變頻器主電路低頻A相電壓的調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值作為虛擬同期信號(hào)通過信號(hào)線傳送給同期并列單元；12)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)余弦交點(diǎn)法原理，當(dāng)調(diào)制信號(hào)與同期信號(hào)的下降沿相交時(shí)，開通對(duì)應(yīng)的變頻器主電路正橋晶閘管，將其脈沖信號(hào)設(shè)置為1，對(duì)所有正橋晶閘管的脈沖情況編碼，將得到的正橋脈沖信號(hào)碼發(fā)送至脈沖解碼單元；13)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)余弦交點(diǎn)法原理，當(dāng)調(diào)制信號(hào)與同期信號(hào)的上升沿相交時(shí)，開通對(duì)應(yīng)的變頻器主電路反橋晶閘管，將其脈沖信號(hào)設(shè)置為1，對(duì)所有反橋晶閘管的脈沖情況編碼，將得到的反橋脈沖信號(hào)碼發(fā)送至脈沖解碼單元；14)變頻器邏輯判斷單元和同期并列單元生成正反橋切換信號(hào)發(fā)送至脈沖解碼單元；15)脈沖解碼單元根據(jù)正反橋切換信號(hào)對(duì)正反橋脈沖信號(hào)碼進(jìn)行解碼，并得到所有晶閘管的脈沖信號(hào)；16)脈沖解碼單元將脈沖信號(hào)送至各自晶間管驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)脈沖進(jìn)行整形、放大后送至變頻器主電路晶間管門極，對(duì)變頻器主電路晶間管進(jìn)行觸發(fā)；17)不斷重復(fù)步驟9)-步驟16)過程，生成下一時(shí)刻的觸發(fā)脈沖并送至變頻器主電路晶閘管門極，對(duì)變頻器主電路晶閘管進(jìn)行觸發(fā)。至此，在變頻器主電路通電情況下，不斷生成下一時(shí)刻的觸發(fā)脈沖對(duì)變頻器主電路晶閘管進(jìn)行觸發(fā)。如圖3所示，是變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成方法中的正反橋切換信號(hào)的生成方法， 包括以下步驟1)電流、電壓測量單元測量低頻側(cè)A相電壓，測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、 濾波后送至同期并列單元；2)同期并列單元通過信號(hào)線接收脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元發(fā)出的虛擬同期信號(hào)；3)同期并列單元將低頻側(cè)A相電壓與虛擬同期信號(hào)進(jìn)行比較，判斷變頻器是否滿足同期條件，即兩電壓信號(hào)的頻率相等、幅值相等、相位相等三個(gè)條件；4)若變頻器不滿足同期條件，同期并列單元向變頻器邏輯判斷單元發(fā)出停止信號(hào)，當(dāng)變頻器邏輯判斷單元接到停止信號(hào)時(shí)，則向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令，指令內(nèi)容為“同時(shí)關(guān)閉正反橋”；5)若變頻器滿足同期條件，電壓、電流測量單元對(duì)測量變頻器低頻側(cè)電流進(jìn)行測量，測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至變頻器邏輯判斷單元；6)若低頻側(cè)電流瞬時(shí)值為正，則變頻器邏輯判斷單元向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令，內(nèi)容為“開通正橋，關(guān)閉反橋”；7)若低頻側(cè)電流瞬時(shí)值為負(fù)，則變頻器邏輯判斷單元向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令，內(nèi)容為“開通反橋，關(guān)閉正橋”。
權(quán)利要求
1.一種相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖生成系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方案，包括以下相互連接的各個(gè)單元系統(tǒng)電源單元用于為整個(gè)實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)提供電源； 電壓、電流測量單元用于測量變頻器兩側(cè)的電壓及電流，為整個(gè)系統(tǒng)提供輸入信號(hào)； 信號(hào)調(diào)理單元用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形、濾波； 串口通信單元用于為系統(tǒng)提供輸出頻率及電壓指令； 脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元用于實(shí)時(shí)生成脈沖并對(duì)其進(jìn)行編碼； 中斷信號(hào)源用于為脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元提供定時(shí)器或外部中斷信號(hào)，使脈沖生成并進(jìn)入中斷子程序；變頻器邏輯判斷單元用于利用低頻側(cè)電流進(jìn)行交交變頻器的正反橋切換； 同期并列單元；用于實(shí)現(xiàn)交交變頻器與低頻發(fā)電機(jī)的連接； 脈沖解碼單元用于脈沖解碼及驅(qū)動(dòng)控制； 晶閘管驅(qū)動(dòng)單元用于產(chǎn)生晶閘管門極觸發(fā)脈沖；所述電壓、電流測量單元與信號(hào)調(diào)理單元相連，信號(hào)調(diào)理單元分別與脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元相連，脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元分別與脈沖解碼單元相連，脈沖解碼單元與晶間管驅(qū)動(dòng)單元相連；其中，脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元分別與串口通信單元、中斷信號(hào)源、同期并列單元相連；同期并列單元與變頻器邏輯判斷單元相連；所述系統(tǒng)電源單元通過電源線與信號(hào)調(diào)理單元、串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元相連。
2.如權(quán)利要求1所述的相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)電源單元為24V及士 12V直流電源。
3.如權(quán)利要求1所述的相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓、電流測量單元采用低頻及工頻的電壓電流互感器。
4.如權(quán)利要求1所述的相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，其特征在于，所述串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元利用一個(gè)或數(shù)個(gè)相互連接的CPU或可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。
5.如權(quán)利要求4所述的相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，其特征在于，所述 CPU環(huán)節(jié)連接一個(gè)EEPROM作為存儲(chǔ)單元。
6.如權(quán)利要求1所述的相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)，其特征在于，所述中斷信號(hào)源由定時(shí)器電路或外部倍頻電路提供。
7.一種相控式交交變頻器控制器的觸發(fā)脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)生成方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)變頻器主電路通電，控制器系統(tǒng)電源單元向控制器供電，開始工作；2)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元進(jìn)行初始化，將變頻器主電路所有晶間管的觸發(fā)脈沖信號(hào)置零；3)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元在內(nèi)存中生成一張正弦表；4)電壓、電流測量單元對(duì)變頻器工頻側(cè)電壓進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元；5)串口通信單元將外部信息和指令送至脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元；6)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元利用工頻側(cè)電壓測量結(jié)果和外部信息、指令，生成12+3N 個(gè)指向正弦表的指針，指針分別代表12個(gè)同步信號(hào)和3個(gè)調(diào)制信號(hào)，每個(gè)同步信號(hào)間互差 30° ；并對(duì)指針進(jìn)行初始化，使每個(gè)指針分別指向正弦表的不同位置；其中每個(gè)同步信號(hào)由 1個(gè)指針表示，而每個(gè)調(diào)制信號(hào)則由N個(gè)指針?biāo)笖?shù)值的和表示；7)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)外部指令設(shè)置電壓調(diào)制比；8)開啟并設(shè)置中斷信號(hào)源，使之每隔一個(gè)固定時(shí)間則向脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元發(fā)送中斷指令；9)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元接收中斷信號(hào)源提供的中斷信號(hào)，根據(jù)中斷信號(hào)源和外部指令，移動(dòng)所有指針在正弦表上的位置；10)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)12個(gè)指向同步信號(hào)指針的位置，直接得到12個(gè)同步信號(hào)的瞬時(shí)值；同時(shí)，將指向調(diào)制信號(hào)的N個(gè)指針的數(shù)值相加，并乘以電壓調(diào)制比，得到3 個(gè)調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值；11)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元將對(duì)應(yīng)于變頻器主電路低頻A相電壓的調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值作為虛擬同期信號(hào)通過信號(hào)線傳送給同期并列單元；12)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)余弦交點(diǎn)法原理，將應(yīng)開通的變頻器主電路正橋晶閘管的脈沖信號(hào)置1，并對(duì)所有正橋晶閘管的脈沖情況編碼，將得到的正橋晶閘管脈沖信號(hào)碼發(fā)送至脈沖解碼單元；13)脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元根據(jù)余弦交點(diǎn)法原理，將應(yīng)開通的變頻器主電路反橋晶閘管的脈沖信號(hào)置1，并對(duì)所有反橋晶閘管的脈沖情況編碼，將得到的反橋晶閘管脈沖信號(hào)碼發(fā)送至脈沖解碼單元；14)變頻器邏輯判斷單元和同期并列單元生成正反橋切換信號(hào)發(fā)送至脈沖解碼單元；15)脈沖解碼單元根據(jù)正反橋切換信號(hào)對(duì)正反橋脈沖信號(hào)碼進(jìn)行解碼，并得到變頻器主電路所有晶閘管的脈沖信號(hào)；16)脈沖解碼單元將脈沖信號(hào)送至各自晶間管驅(qū)動(dòng)單元，對(duì)脈沖進(jìn)行整形、放大后送至變頻器主電路晶閘管門極，對(duì)變頻器主電路晶閘管進(jìn)行觸發(fā)；17)不斷重復(fù)步驟9)-步驟16)過程，生成下一時(shí)刻的觸發(fā)脈沖并送至變頻器主電路晶閘管門極，對(duì)變頻器主電路晶閘管進(jìn)行觸發(fā)。
8.如權(quán)利要求7所述相控式交交變頻器控制器的觸發(fā)脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)生成方法，其特征在于，所述步驟14)中的正反橋切換信號(hào)由下述步驟獲得1)電壓、電流測量單元測量變頻器主電路低頻側(cè)A相電壓，測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至同期并列單元；2)同期并列單元通過信號(hào)線接收脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元發(fā)出的虛擬同期信號(hào)；3)同期并列單元將低頻側(cè)A相電壓與虛擬同期信號(hào)進(jìn)行比較，判斷變頻器是否滿足同期條件；4)若變頻器不滿足同期條件，同期并列單元向變頻器邏輯判斷單元發(fā)出停止信號(hào)，當(dāng)變頻器邏輯判斷單元接到停止信號(hào)時(shí)，向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令“同時(shí)關(guān)閉正反橋”；5)若變頻器滿足同期條件，電壓、電流測量單元對(duì)變頻器主電路低頻側(cè)電流進(jìn)行測量，測量結(jié)果經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行整形、濾波后送至變頻器邏輯判斷單元；6)若低頻側(cè)測量結(jié)果電流瞬時(shí)值為正，則變頻器邏輯判斷單元向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令“開通正橋，關(guān)閉反橋”；7)若低頻側(cè)測量結(jié)果電流瞬時(shí)值為負(fù)，則變頻器邏輯判斷單元向脈沖解碼單元發(fā)出正反橋切換指令“開通反橋，關(guān)閉正橋”。
9.如權(quán)利要求7所述相控式交交變頻器控制器的觸發(fā)脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)生成方法，其特征在于，所述步驟6)中N為正整數(shù)，且N < 10。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)及其脈沖信號(hào)生成方法。其中系統(tǒng)包括相互連接的電壓、電流測量單元、信號(hào)調(diào)理單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、串口通信單元、中斷信號(hào)源、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、脈沖解碼單元和晶閘管驅(qū)動(dòng)單元；其中系統(tǒng)電源單元通過電源線與信號(hào)調(diào)理單元、串口通信單元、脈沖實(shí)時(shí)生成及編碼單元、變頻器邏輯判斷單元、同期并列單元及脈沖解碼單元相連。其中方法包括相控式交交變頻器實(shí)時(shí)觸發(fā)脈沖生成系統(tǒng)采用一種多指針法實(shí)現(xiàn)脈沖的實(shí)時(shí)生成，還可降低輸出電壓的直流分量與次諧波分量。因此，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于包括分頻風(fēng)電系統(tǒng)在內(nèi)的各種大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102201741SQ20111014203
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者寧聯(lián)輝, 滕予非, 王錫凡 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)