具有单元主动旁通功能的中压逆变器及其旁通控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种逆变器旁通实现技术，尤其涉及一种具有单元主动旁通功能的中压逆变器及其旁通控制方法，属于电机控制领域。
背景技术
中压逆变器是工厂系统中的重要动力设备，在工业节能方面的应用已经非常广泛。由于电动机是感性元件，运行中的无功功率损耗会造成系统容量的浪费，所以串入容性的器件——逆变器，可以提高用电设备的功率因数，改善供电电网的性能，并起到节能、降低环境污染的效果。尤其是输出单元串联、波形重组电压型逆变器的高质量的波形输出，使得普通高压电机乃至旧高压电机的变频应用成为可能。
中压逆变器，由于逆变器单元串联数量较多，如果因个别单元出现故障而停机，会使整机的可靠性受到影响。为了克服该缺点，一些厂家采用逆变器单元旁通技术，即当某个单元出现故障时将故障单元旁通运行，使系统设备在少数几个逆变器单元损坏的情况下仍然能够带负载连续运行，保证系统的安全。
现有的旁通技术中，逆变器单元主电路采用开关触点作为旁通控制开关，该触点闭合后单元进入旁通运行；主控系统软件同期进行波形运算调整，使设备在对称方式下旁通运行。旁通的策略是采用系统主动旁通方式实现旁通运行，即在实施旁通之前，主控系统主动停止向单元发送PWM信号，电动机进入自由停车状态；待旁通处理就绪之后，再重新向剩余单元发送PWM信号，进入旁通运行。
现有技术的缺陷在于，采用开关触点闭合接通旁通电路时，旁通开关合闸需要一定时间，一般为几百毫秒；采用系统主动旁通方式进行切换时，切换时间也设计为几百毫秒。一般工程设计中此切换延时为250ms。切换期间设备必须主动停止输出波形，否则故障单元会被充电而导致单元母线过压甚至硬件损坏。切换时间到后，再次向单元发送PWM脉冲，恢复设备运行。由于电路上的原因按原方式直接恢复PWM运行会导致过长的电气过渡过程，无法使用。为解决此问题，以前的旁通技术中必须配合采用飞车启动技术来实现旁通运行。但是该技术方案在恢复旁通运行过程中仍存在明显地过渡过程，会出现较大的电流波动，旁通成功率较低，容易造成故障停机。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有单元主动旁通功能的中压逆变器及其旁通控制方法，采用全数字化及软件的方法实现旁通控制，使得电机可以在不停机状态下实现无扰旁通切换，极大提高了旁通的成功率，并改善电网的运行质量。
本发明所述的具有单元主动旁通功能的中压逆变器，包括主变压器，由主控软件系统和主控硬件系统构成的主控系统，还包括：
逆变器单元主电路，接在主变压器一个副边绕组上，其包括一个三相全桥整流电路、一个单相全桥逆变电路和一个旁通电路，通过接收所述单元控制系统输出的功率器件开关时间控制信号，输出脉宽调制信号送给负载电机，在出现单元故障时，接收单元控制系统发出的旁通控制信号将该单元主电路旁通掉。
单元控制系统，通过单元故障接收与检测模块进行故障取样和分类编码；通过主控软件和单元控制逻辑模块配合进行运算和逻辑控制，输出控制功率器件开关时间的控制信号和旁通控制信号。
所述单元控制系统包括：
故障取样及编码模块，对故障进行分类、编码、上报；
旁通逻辑控制模块，根据主控系统的封锁信号，执行对功率开关管IGBT及可控硅SCR的驱动控制；主动向主控系统申请旁通处理，根据主控系统发送到单元的允许旁通指令执行并监测单元主电路的旁通运行状态，对旁通失败作出处理并上报主控系统；
下位光纤通信编解码模块，将单元状态编码后发送至主控系统，并将主控系统送来的单元控制信息解码后送至旁通逻辑控制单元。该单元与主控系统之间采用全双工串行通信方式进行信息交互，采用专用的通信协议进行握手。
所述的逆变器单元主电路包括：
由Dz1～Dz6和C1组成的三相全桥整流电路；接在其后的由大功率开关管Z1、Z2、Z3、Z4组成的逆变全桥电路，由旁通二极管Da、Db、Dc、Dd组成的旁通全桥电路，逆变全桥电路的输出与旁通全桥电路的输入相连接，在所述旁通全桥电路的两臂上，还并联一个旁通可控硅X1；大功率开关管Z1、Z2、Z3、Z4接收来自所述单元控制系统的驱动控制信号进行正常的脉宽调制，旁通可控硅X1的控制端接收旁通控制信号，以使发生故障的逆变器单元主电路的输出被旁通。
所述主控系统包括主控硬件系统和主控软件系统。其中主控硬件系统包括CPU模块、PWM逻辑处理模块、上位光纤通信编解码模块、I/O接口电路模块、电源模块。CPU模块实现计算和逻辑判断功能；PWM逻辑处理模块实现输出PWM电压波形逻辑处理；上位光纤通信编解码模块实现主控系统与单元之间的双向串行通信功能；I/O接口电路模块实现逆变器与外部用户系统的接口；电源模块用于主控系统供电。
主控软件系统为逆变器的应用软件，实现逆变器的各种功能。在本发明中包括实现逆变器的旁通控制功能。
本发明提出的中压逆变器的单元主动旁通控制方法，包括如下步骤：
第一步，单元控制系统的故障取样编码模块检测到故障发生后上报到旁通逻辑控制模块，进行延时滤波和故障分类后，将故障主动上报给主控系统；
第二步，主控系统接收到上报的故障信号后，判断是否需要进行旁通处理，如果是，则将旁通允许信号通过光纤通信方式发送到单元控制系统，否则发送旁通禁止信号；
第三步，主控系统对旁通是否成功进行检测，如果旁通成功，继续保持旁通运行状态，如果旁通不成功，进行第四步；
第四步，封锁单元控制系统的输出并向主控系统发故障报警信号。
上面所述的单元主动旁通控制方法，还包括，当单元控制系统接收到旁通允许/禁止信号后，将控制信号送至旁通逻辑控制模块，在允许旁通运行时通过旁通逻辑控制模块向驱动脉冲生成模块发出旁通控制信号，驱动单元主电路中的旁通可控硅实现单元旁通运行；禁止旁通时，则封锁单元控制系统的输出并向主控系统发故障报警信号。
上面所述的单元主动旁通控制方法还包括，旁通成功后，主控系统对旁通状态的运行进行监视，如果单元旁通失败，封锁单元控制系统的输出并向主控系统发故障报警信号。
上面所述的单元主动旁通控制方法中，系统允许故障单元的个数和方式可以预先设定，当系统中多于允许个数的单元发生故障时，按照旁通失败处理。
系统旁通运行时采用无扰旁通算法，即保持旁通运行前后，系统输出的电压幅值和相位保持连续一致。具体的做法是：旁通运行后，采用全数字化软件方法对输出PWM波形进行处理，输出电压幅值采用自动提升方法，输出电压相位采用直接连续计算方法，实现输出电压幅值和相位的连续。在无法实现幅值完全连续一致时，输出电压幅值采用最大极限提升计算方法。
本发明采用特殊的时序逻辑来实现旁通切换控制与状态监视；当某层某个单元出现故障，单元立即向主控系统进行故障报警，在收到主控系统批准旁通的信号之后主动进入旁通运行状态，并向主控系统报告旁通成功；主控系统接收到报警信号后立即进入旁通允许判断，如果主控系统允许旁通运行则立即批准此单元进入旁通运行状态，否则报警停机。旁通运行后对运行状态进行监视，任意时刻旁通失败都进行报警停机。旁通后采用三相对称输出波形，本发明可实现任意级数的旁通。
【附图说明】
图1为单元旁通时序图；
图2为主控系统旁通时序图；
图3为逆变器系统结构图；
图4为单元主电路结构图；
图5为单元控制系统结构图；
图6为主控系统结构图；
图7为单元正常运行时输出电压波形；
图8为单元旁通运行时输出电压波形；
图9为单元旁通控制流程图；
图10为主控系统旁通逻辑流程图。
【具体实施方式】
图1中说明了单元旁通时序，图2中说明了主控系统旁通时序。本发明所述旁通控制方法就是按照上述两个时序图，通过单元和主控系统两部分的时序配合来实现的。下面结合图1和图2进行具体说明。
单元和主控系统之间按照图1、图2中规定的时序逻辑进行信息交互，两图中的时间点t0、t1、t2、t3、t4、tk是相互对应的，各时间点按照如下描述进行相应事件处理。
各时间点及事件处理解释如下：
t0.单元收到故障信号，延时τ1，在此期间不上报任何故障信息
t1.满τ1之后，故障仍然存在，该单元上报故障类型并进行以下不同的处理：
单元锁存故障类型并上报主控系统，同时关断4只功率开关管IGBT；同时该单元开始τ2延时，等待主控系统对该单元的旁通批准。
t2.满τ2延时之后，判断此时刻主控系统发来的旁通允许控制信号是否为“1”：
如果此时刻的旁通允许控制信号为“0”(视为主控系统不允许该单元旁通)，单元继续锁存故障编码，并保持4只功率开关管IGBT为关断状态。
如果此时刻的旁通允许控制信号为“1”(视为主控系统对该单元旁通的批准)，单元继续锁存故障状态并保持4只功率开关管IGBT为关断状态，同时向旁通电路发出旁通驱动信号(可控硅触发脉冲串)，并开始新的延时τ3，等待旁通成功检测模块发出的旁通成功信号。旁通成功检测模块通过检测旁通可控硅两端电压输出单元旁通状态，检测电压为低电平表明旁通成功，电压为高电平表明旁通失败。
t3.满τ3延时等待，判断旁通是否成功：
如果收到旁通电路发出的旁通成功信号，由旁通逻辑控制模块将上报主控系统的故障类型编码转换为旁通成功编码，并锁存旁通成功状态，同时保持4只功率开关管IGBT为关断状态。
可控硅触发信号发满τ3之后，如果没有收到旁通成功信号，停止可控硅触发脉冲，继续锁存故障编码，并保持4只功率开关管IGBT为关断状态。
t4.单元旁通检测结束后，主控系统进行旁通成功检测，如果系统旁通成功，则系统继续按照旁通方式运行，否则单元向主控系统进行故障报警，主控系统接收到故障信号后停机处理。
tk.系统旁通成功后，单元通过故障取样编码模块监视单元旁通运行状态看是否一直保持旁通成功。该模块检测旁通可控硅两端的电压情况来判断是否旁通成功，如果一直保持为低电平为旁通成功，如果电压变为高电平则旁通失败。任意时刻tk出现旁通失败则单元取消旁通运行，恢复故障报警，4只功率开关管IGBT为关断状态。
主控系统停机后，旁通允许控制信号变为低电平，故障单元立即将旁通成功编码转换为故障编码，同时继续触发可控硅，使其维持导通状态；正常单元正常停机，停止单元输出。
图3给出的是本发明所述逆变器的系统结构示意图，其中：
逆变器整体采用n级电路结构，变压器输入为三相，输出为3n个隔离三相绕组，接到3n个单元输入侧，n个单元输出串联形成一相，共构成A、B、C三相绕组，三个绕组中性点共地，输出三相接至三相电机。
变压器1采用移相变压器结构，输出绕组中同相上的各副边绕组相位相差60°/n，各输出绕组接至各单元主电路2。其对应关系按照图3中标示的顺序A1绕组接A1单元，B1绕组接B1单元，C1绕组接C1单元......An绕组接An单元，Bn绕组接Bn单元，Cn绕组接Cn单元。
单元主电路2为采用旁通方式的主电路，正常运行时三相全桥整流电路工作输出直流母线电压，四个IGBT大功率开关管工作输出PWM波形，单元故障时旁通可控硅导通实现旁通运行。单元主电路2接收单元控制系统3的控制信号实现单元的运行控制和故障检测。单元输出按照图3中所示顺序连接，A、B、C每相上n个单元输出首尾相连合成一个新的相电压，三相的一端连接在一起形成中性点，另外三端构成新的三相交流电压源接至电机5，以驱动电机。正常运行时每个单元主电路输出PWM波形，n级叠加形成多重化多电平PWM输出，谐波量小于2％。单元主电路的结构如图4所示。
单元控制系统3接收来自主控系统4的控制信号，进行逻辑综合处理后输出PWM驱动信号到单元主电路2，实现正常运行。有故障时接收来自单元主电路2的故障信号故障上报至主控系统4，并根据主控系统的要求进行停机、运行处理。单元控制系统3具有主动旁通功能，在出现故障后，主动向主控系统4申请旁通运行，申请批准后输出旁通驱动信号到单元主电路2，单元进入旁通运行，如未获批准，则报警停机。单元与主控系统4之间通过图3中的光纤通信线路A1COM、B1COM、C1COM...AnCOM、BnCOM、CnCOM进行通信，用来传递控制信号与故障信息，通信采用全双工方式。单元控制系统3的结构如图5所示。
主控系统4按照软件逻辑输出多级多重化控制信号到单元，实现脉宽调制PWM的正常运行；有故障时，接收单元控制系统3发送来的故障，进行旁通判断、旁通运行计算、旁通运行监视、旁通失败及停机处理。主控系统4的结构如图6所示。
电机5是一般的异步或同步电机，供电采用逆变器多级串联叠加后的三相输出电源。
图4中给出图3中单元主电路2的示意图。图4中Dz1～Dz6为三相全波整流桥；C1为母线电容；Z1、Z2、Z3、Z4为主功率器件IGBT；D1、D2、D3、D4为反并联二极管；Da、Db、Dc、Dd为旁通二极管，X1为旁通可控硅；BPCTRL为旁通触发信号。
正常运行时电路中Dz1～Dz6和电容C1组成一个三相全桥整流电路，输出直流电压；Z1、Z2、Z3、Z4、D1、D2、D3、D4按照不同的开关方式实现单元PWM输出；旁通运行时，通过Da、Db、Dc、Dd、X1实现单元旁通运行，由于X1导通，该单元输出相当于短路状态。
旁通时开关管配合的方式如下：
检测到单元故障后，断开主电路中的四只主功率器件IGBT Z1、Z2、Z3、Z4；
向旁通可控硅X1发导通信号，旁通电路导通；单元进入旁通状态；图4中，BPCTRL＝0时，旁通可控硅X1不导通，BPCTRL＝1时，旁通可控硅X1导通，单元进入旁通运行状态；
单元通过图5中的故障取样编码模块53检测旁通是否成功：旁通成功则进入旁通状态，向主板上报旁通成功信号；旁通失败则立即封锁旁通信号BPCTRL，旁通可控硅X1断开，单元向主控系统故障报警；
单元控制电路监视旁通运行状态。任意时刻出现旁通失败立即封锁旁通信号BPCTRL，使得旁通可控硅X1断开，单元向主控系统故障报警。
图5给出的是图3中单元控制系统3的结构示意图。本发明中采用专用的集成电路实现光纤通信编解码、故障取样编码、旁通逻辑控制、驱动脉冲生成等功能。该电路中包括以上列举的各功能模块。
故障取样编码模块53，用于接收单元主电路的故障信号，编码后送给旁通逻辑控制模块51；
旁通逻辑控制模块51在故障态下对接收到的故障编码信号进行延时，故障时锁存故障、主动上报主控系统并申请旁通处理。再根据主控系统送来的旁通允许/禁止信号，形成IGBT及可控硅的驱动信号。模块执行并监测单元主电路的旁通运行，对旁通失败作出处理并上报主控系统。在正常态下接收光纤通信编解码模块送来的控制信号，对PWM控制信号进行逻辑处理，形成最终的IGBT驱动信号。模块完成逻辑综合后将IGBT和可控硅的触发信号送至驱动脉冲生成模块54。
下位光纤通信编解码模块52，用于该单元与主控系统之间采用全双工串行通信方式进行信息交互，采用专用的通信协议进行握手将单元状态编码后发送至主控系统，并将主控系统送来的单元控制信息解码后送至旁通逻辑控制模块51。
驱动脉冲生成模块54将接收到的器件控制信号转化为实际的驱动信号，送给单元各元件，实现正常运行和旁通运行控制功能。
图6为图3中主控系统4的示意图。主控系统包括主控硬件系统和主控软件系统。其中主控硬件系统包括CPU模块61、PWM逻辑处理模块62、上位光纤通信编解码模块63、I/O接口电路模块64、电源模块65。CPU模块61实现计算和逻辑判断功能；PWM逻辑处理模块62实现输出PWM电压波形逻辑处理；上位光纤通信编解码模块63实现主控系统与单元之间的双向串行通信功能；I/O接口电路模块64实现逆变器与外部用户系统的接口；电源模块65用于主控系统供电。
主控软件系统66为逆变器的应用软件，实现逆变器的各种功能。在本发明中包括实现逆变器的旁通控制功能。
本发明中主控硬件系统和主控软件系统相配合，采用全数字化及软件方法实现PWM波形计算和逻辑判断功能。
图7为单元正常运行时输出电压波形，正常运行时单元逆变电路工作，输出为PWM波形。
图8为单元旁通运行时输出电压波形；旁通运行时，单元旁通电路工作，单元被旁通时输出相当于短路状态。
图9为本发明所述单元旁通控制流程图。本流程用于实现图1中设计的旁通控制逻辑。
第一步：单元上电清除各类故障，单元正常工作并监视各类故障；
第二步：单元接收到故障报警，延时τ1，如果故障消失循环监视单元故障，故障未消失进行第三步；
第三步：锁存单元故障，并向主控系统上报故障类型；后关闭IGBT，开始τ2延时。延时到后判断主控系统是否允许单元旁通运行，允许则发出旁通驱动输出信号使单元进入旁通运行状态，并开始τ3延时；不允许旁通运行时则立即向主控系统进行故障报警，并等待停机；
第四步，旁通运行延时τ3到后判断单元旁通是否成功，旁通成功时将单元故障编码改为旁通成功编码，锁存此编码并上报主控系统，然后循环监视单元旁通状态；旁通失败则立即向主控系统进行故障报警，等待停机。
图10为本发明所述主控系统旁通逻辑流程图。本流程用于实现图2中设计的主控系统旁通时序。
第一步：主控系统上电正常运行，监视运行状态及各类故障；
第二步：主控系统接收到故障信号后，延时τ4，如果故障仍然存在进行第三步，故障消失则对故障进行循环监视；
第三步：读取故障编码分析故障类型，向单元发送旁通允许信号，计算旁通运行参数，按旁通方式计算并输出旁通方式的PWM脉冲，延时τk后进行第四步；
第四步：旁通运行延时到后检测系统旁通状态，判断系统是否旁通成功。旁通成功时继续旁通运行，连续监视旁通状态；旁通失败立即接收故障信号进行报警停机处理。