基於fpga的新型模塊化礦用無功補償器控制系統的製作方法
2023-08-02 03:28:16 1
基於fpga的新型模塊化礦用無功補償器控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，包括主控板、光纖板、VME總線機箱和底層單元，主控板和光纖板插在VME總線機箱的一個背板上，光纖板與主控板通過VME總線連接，光纖板與底層單元通過光纖連接。本實用新型可以根據實際需要進行擴展，克服了現有的技術可擴展性較差，對於複雜運算難以達到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合礦用無功補償器的要求。
【專利說明】基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種控制系統，具體地，涉及一種基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統。
【背景技術】
[0002]煤礦電網中的無功衝擊會引起電網電壓波動，諧波會造成使電網供電質量惡化。諧波造成電機等機電設備的發熱或燒毀，會引起供電線路、用電設備絕緣下降，老化，易造成漏電、短路等故障。因此，採用有效地方法進行諧波抑制和無功功率綜合治理對礦井安全生產及其系統節能、提高設備運行可靠性尤其重要。無功補償裝置是一種快速調節無功功率的裝置，它可使所需無功功率作隨機調整，從而保持在衝擊性負荷連接點的系統電壓水平的恆定。它可有效抑制衝擊性負荷引起的電壓波動和閃變、高次諧波，提高功率因數，還可實現按各相的無功功率快速補償調節實現三相無功功率平衡，使負荷處於穩定、安全、可靠的運行狀態。
[0003]現有礦用無功補償器控制系統可擴展性較差，對於複雜運算難以達到高速和高精度要求，控制性能難以達到礦用無功補償器的要求。
實用新型內容
[0004]針對現有技術中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，其可以根據實際需要進行擴展，克服了現有的技術可擴展性較差，對於複雜運算難以達到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合礦用無功補償器的要求。
[0005]根據本實用新型的一個方面，提供一種基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，其特徵在於，包括主控板、光纖板、VME總線機箱和底層單兀,主控板和光纖板插在VME總線機箱的一個背板上，光纖板與主控板通過VME總線連接，光纖板與底層單元通過光纖連接。
[0006]所述底層單元由從控制器、IGBT和直流側電容組成，IGBT、直流側電容都與從控制器連接。
[0007]優選地，所述從控制器由FPGA晶片、光纖發射和接收電路、電壓和電流檢測電路、AD轉換電路、溫度檢測電路、IGBT驅動和故障返回電路和1驅動電路組成，電壓和電流檢測電路、AD轉換電路、FPGA晶片、IGBT驅動和故障返回電路依次連接，光纖發射和接收電路、溫度檢測電路、1驅動電路都與FPGA晶片連接。
[0008]優選地，所述IGBT採用英飛凌公司生產的FF650R17IE4型模塊；所述FPGA晶片採用愛特公司生產的ProASIC3A3P250型晶片；所述光纖發射和接收電路採用安華高科技公司生產的HFBR-1521Z型發射器和HFBR-2521Z型接收器，所述AD轉換電路採用亞德諾半導體公司生產的AD7656型晶片；所述IGBT驅動和故障返回電路採用CONCEPT公司生產的2SP0320V2A0型雙路IGBT驅動板；所述電壓和電流檢測電路採用德州儀器公司生產的0PA2277型運算放大器。
[0009]與現有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果:本實用新型提供了一種基於FPGA的新型模塊化無功補償控制系統，主控板採用DSP+FPGA的架構，通過VME總線與光纖板進行通訊。光纖板與底層單元通過光纖連接，通過光纖頭將數據發送到底層單元，該控制系統採用模塊化思想，可以根據實際需要通過VME總線機箱對主控板、光纖板和底層單元進行擴展，克服了現有的技術可擴展性較差，對於複雜運算難以達到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合礦用無功補償器的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0011]圖1為本實用新型基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統的結構示意圖。
[0012]圖2為本實用新型中底層單元的結構示意圖。
[0013]圖3為本實用新型中從控制器的結構示意圖。
[0014]圖4為本實用新型中電壓和電流檢測電路的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本實用新型的保護範圍。
[0016]如圖1至圖3所不，本實用新型基於FPGA(Field — Programmable Gate Array,現場可編程門陣列)的新型模塊化礦用無功補償器控制系統包括主控板1、光纖板2、VME總線機箱3和底層單元4，其中主控板I和光纖板2插在VME總線機箱3的一個背板上，通過VME總線實現通訊；光纖板2與主控板I通過VME (VersaModule Eurocard,是一種通用的計算機總線)總線連接，即通過VME總線進行數據交換，並將數據轉換成每個底層單元4需要的數據；光纖板2與底層單元4通過光纖連接，通過光纖頭將數據發送到底層單元4，同時光纖板2具有光纖接收設施，能接收底層單元4發送的數據，通過分析主控板I發送的數據和底層單元4發送的數據來確定為每個底層單元4分配相應的數據。
[0017]所述主控板I採用DSP+FPGA的架構，通過VME總線與其它板卡進行通訊。主控板I中的DSP完成系統的算法、與FPGA數據交換、與上位機通訊等；FPGA主要完成脈衝的分配，與DSP數據交換、以及系統的保護等。在主控板I中放置存儲器可以作為數據交換的緩衝器，還可以在數據量比較大的時候存放重要數據。DSP與FPGA互相配合，主控板I完成頂層算法，系統的保護，子模塊的控制及保護等功能。主控板I在接收到電網電壓、電流以及每個底層單元4的電壓、電流信號後，主控板I計算系統的給定值，通過控制系統中的光纖板把信號發送到底層單元4中，底層單元4接收到信號後，在底層單元4的從控制器5中平衡電壓以及輸出相應的響應電流。主控板I採用運算功能較強的FPGA晶片，在晶片中嵌入數個軟核，可以運算複雜算法並與底層單元交換數據。主控板I在完成算法後，將計算出的數據通過光纖板傳到底層單元4中的從控制器5。與底層單元4交換數據採用兩根光纖傳輸，一根光纖控制數據的發送，另一根光纖控制數據的接收。
[0018]所述光纖板2採用FPGA控制的方式，通過VME總線與其它板卡通訊。光纖板2中的FPGA主要完成與控制板實現數據交換，並將數據轉換成底層每個底層單元4需要的數據，通過光纖頭將數據發送到底層單元4，同時光纖板具有光纖接收設施，能接收底層單元4發送的數據，通過分析主控板I發送的數據和底層單元4發送的數據來確定為每個底層單元4分配相應的數據。
[0019]所述VME總線機箱3採用VME總線通訊協議，VME通訊協議中數據的傳輸方式採用並行傳輸，有效的保證了傳輸的速度，在通訊協議中採用多個控制線來確保傳輸數據的實時性和準確性。VME總線協議的實現採用背板的連接方式。
[0020]所述底層單兀4 由從控制器 5、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)和直流側電容組成，IGBT、直流側電容都與從控制器連接。底層單元4主要完成主控板I發送的控制命令。其中從控制器5採用FPGA與主控板I交換數據，從而達到準確控制無功補償裝置的目的。底層單元4是輸出正弦電壓波形的最小階梯，同時底層單元4中必須配備保護電路，在底層單元4的電容短路或斷路時可以自動切除底層單元，保護整個系統的正常運行。
[0021]所述底層單元中4的從控制器5由FPGA晶片6、光纖發射和接收電路7、電壓和電流檢測電路8、AD轉換電路9、溫度檢測電路10、IGBT驅動和故障返回電路11和1驅動電路12組成，電壓和電流檢測電路8、AD轉換電路9、FPGA晶片6、IGBT驅動和故障返回電路11依次連接，光纖發射和接收電路7、溫度檢測電路10、10驅動電路12都與FPGA晶片6連接。光纖發射和接收電路7用於接收主控板I發送的數據和發送從控制器5採集和運算後的數據。AD轉換電路9對每個模塊中的直流電壓量採集。溫度檢測電路10採集IGBT的溫度，用於當IGBT過溫時切除驅動信號。IGBT驅動和故障返回電路11用於驅動IGBT的導通和關斷並接收IGBT的故障信號。1驅動電路12控制底層模塊的晶閘管。底層單元4的從控制器5主要完成底層IGBT模塊開關的控制，子模塊的保護，檢測並控制電容上電壓值，同時完成與光纖板2的接口。從控制器5需要控制IGBT導通、控制旁路開關吸合、控制晶閘管、檢測電容電壓、檢測IGBT溫度、IGBT過流、過壓保護，同時完成與主控板I通訊。
[0022]其中，所述絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)採用英飛凌公司生產的FF650R17IE4型模塊；所述電壓傳感器採用LEM公司生產的AV 100-2000型電壓傳感器；所述電流傳感器採用LEM公司生產的LT508-S6型電流傳感器；所述數位訊號處理器(DSP)採用德州儀器公司生產的TMS320F28335型晶片；所述現場可編程門陣列(FPGA)晶片6採用愛特公司生產的ProASIC3A3P250型晶片；所述光纖發射和接收電路7採用安華高科技公司生產的HFBR-1521Z型發射器和HFBR-2521Z型接收器；所述AD轉換電路9採用亞德諾半導體公司生產的AD7656型晶片。所述IGBT驅動和故障返回電路10採用CONCEPT公司生產的2SP0320V2A0型雙路IGBT驅動板。如圖4所示，所述電壓和電流檢測電路8採用德州儀器公司生產的0PA2277型運算放大器。電壓和電流檢測電路的工作原理:採樣信號經過採樣電阻Rl轉變為所需的電壓信號，電壓信號輸入到電壓跟隨器UlA的第三引腳，電壓跟隨器UlA起到緩衝和隔離作用，電壓跟隨器UlA的第一引腳(即輸出引腳)連接到RC低通濾波電路UlB的輸入端，RC低通濾波電路UlB起到濾除高次諧波和幹擾信號，RC低通濾波電路UlB的輸出信號連接到AD轉換電路。
[0023]本實用新型提供了一種基於FPGA的新型模塊化無功補償控制系統，主控板I採用DSP+FPGA的架構，通過VME總線與光纖板2進行通訊。光纖板2與底層單元4通過光纖連接，通過光纖頭將數據發送到底層單元4，該控制系統採用模塊化思想，可以根據實際需要進行擴展，克服了現有的技術可擴展性較差，對於複雜運算難以達到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合無功補償設備的要求。
[0024]以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本實用新型的實質內容。
【權利要求】
1.一種基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，其特徵在於，包括主控板、光纖板、VME總線機箱和底層單兀,主控板和光纖板插在VME總線機箱的一個背板上，光纖板與主控板通過VME總線連接，光纖板與底層單元通過光纖連接。
2.根據權利要求1所述的基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，其特徵在於，所述底層單元由從控制器、IGBT和直流側電容組成，IGBT、直流側電容都與從控制器連接。
3.根據權利要求2所述的基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，其特徵在於，所述從控制器由FPGA晶片、光纖發射和接收電路、電壓和電流檢測電路、AD轉換電路、溫度檢測電路、IGBT驅動和故障返回電路和10驅動電路組成，電壓和電流檢測電路、AD轉換電路、FPGA晶片、IGBT驅動和故障返回電路依次連接，光纖發射和接收電路、溫度檢測電路、10驅動電路都與FPGA晶片連接。
4.根據權利要求3所述的基於FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統，其特徵在於，所述IGBT採用英飛凌公司生產的FF650R17IE4型模塊；所述FPGA晶片採用愛特公司生產的ProASIC3A3P250型晶片；所述光纖發射和接收電路採用安華高科技公司生產的HFBR-1521Z型發射器和HFBR-2521Z型接收器，所述AD轉換電路採用亞德諾半導體公司生產的AD7656型晶片；所述IGBT驅動和故障返回電路採用CONCEPT公司生產的2SP0320V2A0型雙路IGBT驅動板；所述電壓和電流檢測電路採用德州儀器公司生產的0PA2277型運算放大器。
【文檔編號】H02J3/18GK204089204SQ201420459796
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】蘇海, 孫應軍, 史紅邈, 陳繼剛, 權紅星, 衛軍, 黃勇, 楊曉國, 賈威彪, 郝軍, 姜建國, 喬樹通 申請人:山西潞安集團餘吾煤業有限責任公司, 上海交通大學