一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元的製作方法
2023-04-30 09:42:01 1
專利名稱：一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及大功率直流整流技術，特別是一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元。
背景技術：
目前國內生產的大功率直流整流系統的功率櫃中普遍存在監測功能不全，通信技術和檢測技術落後等問題，無法實現智能化和自動均流，具體表現在以下幾個方面:1、均流問題:對於多個並聯運行的功率櫃目前一般採用長線均流、電抗器均流、及磁環均流等方式，以上均流方式都必須配合晶閘管元件參數，否則均流效果可能不盡人意。這些均流措施一方面對備件的質量和數量提出更高的要求；另一方面，隨時時間的推移，晶閘管的特性有可能發生變化，功率櫃主迴路的接觸電阻也有可能發生變化，這些因素都會引起電流分配的變化，影響均流效果；2、功率櫃的檢查功能很少，往往只檢查風機和快速熔斷器的接點，至於其它信號如橋臂電流的大小、晶閘管溫度、觸發脈衝是否正常等則少有檢測，甚至不檢測；3、傳統的功率櫃與調節系統之間採用硬線聯接，由於功率櫃與調節系統有一定距離，脈衝容易受到幹擾而影響輸出；4、功率櫃是一個整流裝置的孤立節點，只能被動接受主控制系統的命令，與其它功率櫃沒有聯繫，功率櫃的狀態一般採用繼電器節點方式傳輸，導致櫃內布線複雜。
實用新型內容本實用新型為解決上述技術問題，提供了一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，實現了在大功率直流整流裝置功率櫃中增加設計了具有通信、監測能力、高速檢測運算的智能功率控制單元，通過先進數字處理器的控制器解決了功率櫃中高速檢測控制、通信功能、信號監測、觸發導通監視和信號幹擾等控制問題，實現整流系統功率櫃的智能化和自動均流控制，增強了系統的魯棒性。本實用新型的技術方案如下:一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:包括中央處理器控制模塊、通信模塊、電源模塊、觸發模塊、採樣模塊、信號監視模塊、溫度檢測模塊，中央處理器控制模塊與通信模塊、電源模塊、觸發模塊、採樣模塊、信號監視模塊分別連接，所述中央處理器控制模塊採用DSP晶片，設置於CPU主板上；通信模塊連接DSP晶片的增強型控制器區域網路ECAN接口，電源模塊通過專用TPS73HD301晶片連接DSP晶片的引腳上，觸發模塊連接DSP晶片的脈寬調製模塊PWM，採樣模塊連接DSP晶片的模數轉換器ADC，信號監視模塊連接DSP晶片的輸出接口 GP10。所述中央處理器控制模塊採用的DSP晶片可以是美國德州儀器TI公司推出的32位浮點運算DSP TMS320F28335晶片，具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個直接存儲器訪問DMA通道支持模數轉換器ADC、多通道緩衝串行埠 McBSP和外部存儲器接口 EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的脈寬調製模塊PWM輸出(HRPWM)，雙窄觸發脈衝直接由晶片內部的定時器產生，觸發脈衝精度可達20000 碼/180。所述智能功率控制單元設置於大功率直流整流裝置的功率櫃中，作為功率櫃控制核心。所述通信模塊配置有MODBUS協議、PR0FIBUS協議的CAN接口，智能功率控制單元通過所述通信模塊的CAN接口與大功率直流整流裝置的主控制櫃控制調節系統交換信息，接受主控制調節系統控制命令，滿足通信要求。所述通信模塊採用美國德州儀器TI公司的IS0-1050晶片做為通信模塊的主要器件，該器件允許很大的共模電壓變化下保證不間斷的通信。通信模塊提供40kbps — IMbps的高速數據通信速率，同時每根總線能夠支持多達110個節點。增強的ESD防護能力使得該模塊能夠承受高達±4KV耐壓，而不會方式閉鎖或受損現象，使得整個通信模塊防幹擾能力大大增強。所述電源模塊採用性能優異的開關電源配合專用電源晶片，外部交流電源經過開關電源輸出+5V，該輸出再通過專用TPS73HD301晶片根據需要提供+3.3V、+1.9V等電源，供給所述DSP晶片使用，隔離電源變壓器初級次級絕緣在3000V以上，以滿足抗電性能和抗幹擾的要求，符合GB/T15290標準要求。所述觸發模塊包括光耦、場效應管、脈衝隔離變壓器(初級次級絕緣在3000V以上)，光耦連接場效應管，場效應管連接脈衝隔離變壓器，脈衝隔離變壓器將脈衝隔離放大後觸發晶閘管。所有脈衝隔離變壓器其基本原理與一般普通變壓器(如電力變壓器、電源變壓器等)相同，但就磁芯的磁化過程這一點來看是有區別的:(I)脈衝隔離變壓器是一個工作在暫態中的變壓器，也就是說，脈衝過程在短暫的時間內發生，是一個頂部平滑的方波，而一般普通變壓器是工作在連續不變的磁化中的，其交變信號是按正弦波形變化；(2)脈衝信號是重複周期，一定間隔的，且只有正極或負極的電壓，而普通變壓器交變信號是連續重複變化的，既有正的也有負的電壓值。所述溫度檢測模塊可以達到0.0625° C的解析度，以該解析度對晶閘管溫度進行監控和數位化；溫度檢測模塊包括溫度傳感器晶片，測得的溫度信號通過溫度傳感器晶片上13位模數轉換器ADC轉化為數字量，通過溫度傳感器晶片的數據總線I2C接口將數字量發送到智能功率控制單元的CPU。該溫度傳感器晶片可以採用ADT7420晶片，該晶片可在較寬的工業溫度範圍內提供突破性的性能。所述採樣模塊包括同步電壓信號檢測電路和直流信號檢測電路，同步電壓信號檢測電路檢測到的同步電壓信號經降壓整形濾波電路後，經過調理運放電路發送到智能功率控制單元的CPU捕捉模塊，同時直流電壓信號檢測電路檢測到的直流信號經調理運放電路後再經過24bit A/D晶片轉換將數字量發送到智能功率控制單元的CPU，計算出同步電壓相位和脈衝輸出角度。信號監視模塊將晶閘管導通監視狀態、風機運行狀態和熔斷器報警信號一系列的開關量、狀態量送至CPU輸入輸出GPIO接口，CPU將狀態量通過通訊模塊的CAN接口發送到大功率直流整流裝置的主控制櫃控制調節系統，便於監視。[0021]該智能功率控制單元在傳統電力發電勵磁系統和冶金、化工行業中大功率直流整流裝置應用較多。本實用新型的工作原理如下:智能功率控制單元作為大功率直流整流裝置功率櫃的控制核心，主要實現移相觸發和功率器件的監視功能，通過CAN總線聯接，將CAN總線構造成系統上的一個智能節點，並通過CAN總線完成櫃間通信，可在電子級實現功率櫃間的自動均流，並完成對功率櫃的監測。採用美國德州儀器TI公司的IS0-1050通信晶片做為CAN通信模塊的主要器件，耐壓、防幹擾能力大大增強；功率櫃中的智能功率控制單元接收大功率直流整流主控制櫃調節系統的控制信號和觸發控制信號，同時通過功率櫃中的電量傳感器對功率櫃的直流電流進行實時、快速採樣，將採樣信號發送到智能功率控制單元，由智能功率控制單元分析各功率櫃的均流情況，通過實時計算得到該功率櫃需要調整修正的觸發角度後發給整流元件，改變觸發角均在5ms內完成,動態特性優秀,使得每個功率櫃的直流電流輸出快速達到均衡,從而實現整流裝置中功率櫃的自動均流控制。本實用新型的有益效果如下:本實用新型與大功率直流整流裝置主控制調節系統配合使用，智能功率控制單元主要用於實現移相觸發和功率器件的監視功能，它們之間通過CAN總線聯接，將CAN總線構造成系統上的一個智能節點，並通過它完成櫃間通信，可在電子級實現功率櫃間的自動均流，並完成對功率櫃的監測；通過對功率櫃的直流電壓和直流電流的採樣，將採樣信號發送給智能功率控制單元，智能功率控制單元中的中央處理器可計算出實時的觸發脈衝角度，當大功率直流整流裝置主控制調節系統出現故障或CAN通信出現問題時，智能功率控制單元可以作為主控制調節系統的備用通道投入運行，發出觸發脈衝，使功率櫃繼續正常工作；智能功率控制單元內DSP晶片的數據總線、地址總線、控制總線均在CPU主板內，提高了抗幹擾能力；軟體不出片，即程序在運行中不需要向外設調用，以此確保程序的高速、可靠運行；當CAN通訊出現異常或者主控制調節系統故障而得不到觸發角α後，智能功率控制單元根據自己採集的直流電壓、電流計算出觸發角α，經過放大及隔離迴路觸發晶閘管，維持整流系統的穩定運行；智能功率控制單元還具備橋臂電流檢測、觸發導通監視、同步信號的斷線、相序判斷，快速熔斷器節點、風機運行、晶閘管溫度監視等功能；通過本實用新型可以大大提高整流系統的可靠性，實現整流系統中功率櫃的智能化和自動均流。
圖1為本實用新型用於大功率直流整流裝置的組成結構示意圖圖2為本實用新型的智能功率控制單元的結構框圖圖3為本實用新型的通信模塊的結構示意圖圖4為本實用新型的電源模塊的結構示意圖圖5為本實用新型的觸發單元模塊的結構示意圖圖6為本實用新型的溫度檢測模塊的結構示意圖其中，附圖標記為:1中央處理器控制模塊、2通信模塊、3電源模塊、4觸發模塊、5採樣模塊、6信號監視模塊、7溫度檢測模塊。
具體實施方式
如圖1所示，大功率直流整流裝置包括主控制櫃、並聯功率櫃、滅磁櫃，其中功率櫃中採用智能功率控制單元作為功率櫃控制核心。大功率直流整流裝置主控制調節系統和功率櫃中的智能功率控制單元配合使用，主控制調節系統實現整流裝置的採樣、計算、限制保護功能，智能功率控制單元主要實現移相觸發和功率器件的監視功能，它們之間通過CAN總線聯接，將CAN總線構造成系統上的一個智能節點，並通過它完成櫃間通信，可在電子級實現功率櫃間的自動均流，並完成對功率櫃的監測。採用TI公司的IS0-1050通信晶片做為CAN通信模塊2的主要器件，耐壓、防幹擾能力大大增強。如圖2所示，用於實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，包括中央處理器控制模塊1、通信模塊2、電源模塊3、觸發模塊4、採樣模塊5、信號監視模塊6、溫度檢測模塊7，中央處理器控制模塊I與通信模塊2、電源模塊3、觸發模塊4、採樣模塊5、信號監視模塊6分別連接，所述中央處理器控制模塊I採用DSP晶片，設置於CPU主板上；通信模塊2連接DSP晶片的增強型控制器區域網路ECAN接口，電源模塊3通過專用TPS73HD301晶片連接DSP晶片的引腳上，觸發模塊4連接DSP晶片的脈寬調製模塊PWM，採樣模塊5連接DSP晶片的模數轉換器ADC，信號監視模塊6連接DSP晶片的輸出接口 GP10。所述中央處理器控制模塊I採用的DSP晶片可以是美國德州儀器TI公司推出的32位浮點運算DSP TMS320F28335晶片，具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個直接存儲器訪問DMA通道支持模數轉換器ADC、多通道緩衝串行埠 McBSP和外部存儲器接口 EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的脈寬調製模塊PWM輸出(HRPWM)，雙窄觸發脈衝直接由晶片內部的定時器產生，觸發脈衝精度可達20000 碼/180。如圖3所示，所述智能功率單元控制系統通信模塊2配置有MODBUS協議、PR0FIBUS協議的CAN接口通訊，智能功率單元控制系統通過該通信模塊2CAN接口與大功率直流整流裝置的主控制櫃控制調節系統交換信息，接受主控制調節系統控制命令，滿足通信要求。所述通信模塊2採用美國德州儀器TI公司的IS0-1050晶片做為通信模塊2的主要器件，該器件允許很大的共模電壓變化下保證不間斷的通信。通信模塊2提供40kbps—IMbps的高速數據通信速率，同時每根總線能夠支持多達110個節點。增強的ESD防護能力使得該模塊能夠承受高達±4KV耐壓，而不會方式閉鎖或受損現象，使得整個通信模塊2防幹擾能力大大增強。如圖4所示，所述電源模塊3採用性能優異的開關電源配合專用電源晶片，外部交流電源經過開關電源輸出+5V，該輸出再通過專用TPS73HD301晶片根據需要提供+3.3V、+1.9V等電源，供給智能功率控制單元DSP晶片使用，隔離電源變壓器初級次級絕緣在3000V以上，以滿足抗電性能和抗幹擾的要求，符合GB/T15290標準要求。如圖5所示，所述觸發模塊4包括光耦、場效應管、脈衝隔離變壓器(初級次級絕緣在3000V以上)，光耦連接場效應管，場效應管連接脈衝隔離變壓器，脈衝隔離變壓器將脈衝隔離放大後觸發晶閘管。所有脈衝隔離變壓器其基本原理與一般普通變壓器(如電力變壓器、電源變壓器等)相同，但就磁芯的磁化過程這一點來看是有區別的:[0041](I)脈衝隔離變壓器是一個工作在暫態中的變壓器，也就是說，脈衝過程在短暫的時間內發生，是一個頂部平滑的方波，而一般普通變壓器是工作在連續不變的磁化中的，其交變信號是按正弦波形變化；(2)脈衝信號是重複周期，一定間隔的，且只有正極或負極的電壓，而普通變壓器交變信號是連續重複變化的，既有正的也有負的電壓值。如圖6所示，所述溫度檢測模塊7包括溫度傳感器晶片，該溫度檢測模塊7可以達到0.0625° C的解析度，以該解析度對晶閘管溫度進行監控和數位化。測得的溫度信號通過溫度傳感器晶片上13位模數轉換器ADC轉化為數字量，通過溫度傳感器晶片數據總線I2C接口將數字量發送到智能功率控制單元的CPU。該溫度傳感器晶片可以採用ADT7420晶片，該晶片可在較寬的工業溫度範圍內提供突破性的性能。所述採樣模塊5包括同步電壓信號檢測和直流信號檢測，同步電壓信號經降壓整形濾波後，經過調理運放電路發送到智能功率控制單元的CPU捕捉模塊，同時直流信號經調理運放後再經過24bit A/D晶片轉換將數字量發送到智能功率控制單元的CPU，計算出同步電壓相位和脈衝輸出角度。信號監視模塊6將晶閘管導通監視狀態、風機運行狀態和熔斷器報警信號一系列的開關量、狀態量送至CPU輸入輸出GPIO接口，CPU將狀態量通過通訊模塊的CAN接口發送到大功率直流整流裝置的主控制櫃控制調節系統，便於監視。該智能功率控制單元在傳統電力發電勵磁系統和冶金、化工行業中大功率直流整流裝置應用較多。本實用新型的工作原理如下:智能功率控制單元作為大功率直流整流裝置功率櫃的控制核心，主要實現移相觸發和功率器件的監視功能，通過CAN總線聯接，將CAN總線構造成系統上的一個智能節點，並通過CAN總線完成櫃間通信，可在電子級實現功率櫃間的自動均流，並完成對功率櫃的監測。採用美國德州儀器TI公司的IS0-1050通信晶片做為CAN通信模塊2的主要器件，耐壓、防幹擾能力大大增強；功率櫃中的智能功率控制單元接收大功率直流整流主控制櫃調節系統的控制信號和觸發控制信號，同時通過功率櫃中的電量傳感器對功率櫃的直流電流進行實時、快速採樣，將採樣信號發送到智能功率控制單元，由智能功率控制單元分析各功率櫃的均流情況，通過實時計算得到該功率櫃需要調整修正的觸發角度後發給整流元件，改變觸發角均在5ms內完成,動態特性優秀,使得每個功率櫃的直流電流輸出快速達到均衡,從而實現整流裝置中功率櫃的自動均流控制。
權利要求1.一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:包括中央處理器控制模塊、通信模塊、電源模塊、觸發模塊、採樣模塊、信號監視模塊、溫度檢測模塊，中央處理器控制模塊與通信模塊、電源模塊、觸發模塊、採樣模塊、信號監視模塊分別連接，所述中央處理器控制模塊採用DSP晶片，設置於CPU主板上；通信模塊連接DSP晶片的增強型控制器區域網路ECAN接口，電源模塊通過專用TPS73HD301晶片連接DSP晶片的引腳上，觸發模塊連接DSP晶片的脈寬調製模塊PWM，採樣模塊連接DSP晶片的模數轉換器ADC，信號監視模塊連接DSP晶片的輸出接口 GPIO ;所述中央處理器控制模塊採用的DSP晶片採用DSPTMS320F28335 晶片。
2.根據權利要求1所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述智能功率控制單元設置於大功率直流整流裝置的功率櫃中。
3.根據權利要求2所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述通信模塊配置有MODBUS協議、PR0FIBUS協議的CAN接口，CAN接口與大功率直流整流裝置的主控制櫃連接。
4.根據權利要求1或3所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述通信模塊採用IS0-1050晶片。
5.根據權利要求1或3所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述電源模塊包括開關電源和專用電源晶片，所述專用電源晶片採用TPS73HD301晶片；開關電源的輸入端連接交流電源，開關電源的輸出連接TPS73HD301晶片，TPS73HD301晶片連接DSP晶片。
6.根據權利要求1或3所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述觸發模塊包括光耦、場效應管、脈衝隔離變壓器，光耦連接場效應管，場效應管連接脈衝隔離變壓器。
7.根據權利要求1或3所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述溫度檢測模塊包括溫度傳感器晶片，溫度傳感器晶片具有13位模數轉換器ADC和數據總線I2C接口，溫度傳感器晶片的數據總線I2C接口連接至智能功率控制單元的CPU ;所述溫度傳感器晶片採用ADT7420晶片。
8.根據權利要求1或3所述的一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，其特徵在於:所述採樣模塊包括同步電壓信號檢測電路和直流信號檢測電路，同步電壓信號檢測電路連接有降壓整形濾波電路，降壓整形濾波電路連接有調理運放電路，調理運放電路連接至智能功率控制單元的CPU捕捉模塊；同時直流電壓信號檢測電路連接有調理運放電路，調理運放電路連接至24bit A/D晶片，通過24bit A/D晶片連接至智能功率控制單元的CPU。
專利摘要本實用新型涉及一種實現智能化和自動均流控制的智能功率控制單元，包括中央處理器控制模塊、通信模塊、電源模塊、觸發模塊、採樣模塊、信號監視模塊、溫度檢測模塊，中央處理器控制模塊為設置於CPU主板上的DSP晶片，通信模塊連接DSP晶片的ECAN接口，電源模塊通過TPS73HD301晶片連接DSP晶片的引腳上，觸發模塊連接DSP晶片的PWM，採樣模塊連接DSP晶片的ADC，信號監視模塊連接DSP晶片的GPIO接口；本實用新型與大功率直流整流裝置主控制調節系統配合，用於實現移相觸發和功率器件的監視功能，通過CAN總線聯接並完成櫃間通信，可在電子級實現功率櫃間的自動均流，並完成對功率櫃的監測。
文檔編號H02J13/00GK203056684SQ20122067503
公開日2013年7月10日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者陳繼軍, 劉智棟 申請人:樂山晟嘉電氣有限公司