十五相大容量感应推进变频器控制架构

摘要

本发明公开了一种十五相大容量感应推进变频器控制架构，所述十五相大容量感应推进变频器包括一台闭式循环水冷柜体、三台完全一致的逆变柜体及制动电阻柜，每台逆变柜体包括五个逆变单元、一个制动单元及五个输出滤波单元；控制架构具体为：设置一个主控制器，每个逆变柜体构成一个环网，每个逆变单元或制动单元设置一个从控制器，三个逆变柜体构成的十五相大容量感应推进变频器由三个独立环网构成。柜体间环网独立，确保了一个环网出现故障(控制器硬件或环网通讯)时，剩余环网的冗余运行，提高变频器的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于中高压大功率多相推进变频器技术领域，具体涉及 一种十五相大容量感应推进变频器控制架构。

背景技术

推进电机系统是综合电力系统船舶的核心主推设备，推进功率 大，同时，为达到机动性、声隐身性和高可靠性等战术指标，需要 其推进电机系统具有大容量、低振动噪声和高冗余性等特点，此外， 由于船舶内部空间有限，还要求推进电机系统兼具高转矩密度的特 点。推进电机作为船舶机动性的保证，对其高可靠性的要求不言而 喻，采用多套多相绕组方案可以减小每相功率器件的容量，增加安 全裕度，提高系统的冗余性。此外，相数越多，转矩脉动频率越高， 幅值越小，电机振动噪声降低。因而多相多通道大容量推进电机由于其冗余性、高功率密度、低转矩脉动等一系列优点，非常适合用 于船舶电力推进。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种冗余性高的十 五相大容量感应推进变频器控制架构。

为实现上述目的，本发明所设计的十五相大容量感应推进变频 器控制架构，所述十五相大容量感应推进变频器包括一台闭式循环 水冷柜体、三台完全一致的逆变柜体及制动电阻柜，每台逆变柜体 包括五个逆变单元、一个制动单元及五个输出滤波单元；所述控制 架构具体为：设置一个主控制器，每个逆变柜体构成一个环网，每 个逆变单元或制动单元设置一个从控制器，三个逆变柜体构成的十 五相大容量感应推进变频器由三个独立环网构成。

进一步地，所述控制架构具体为：每个逆变单元或制动单元设 置一个从控制器，主控制器与从控制器采用单光纤点对点高速通讯。

进一步地，所述主控制器负责PWM脉冲产生，通过单根光纤串 行下发到从控制器，从控制器将接收的PWM信息进行脉冲分配，通 过硬光纤直接驱动IGBT，每个从控制器对应连接一个功率模块，从 控制器同时将对应功率模块的电压数据、电流数据、IGBT状态信息通过单根光纤串行反馈给主控制器，通讯频率为12.5MHz。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通信速率高。该高速光纤环网通信网络控制拓扑采用了4B/5B 的通信编码技术、低摆幅的PECL传输信号和155MHz的高速光纤 收发模块，其最大通信速率可达155Mbps，根据实际工程应用需要 设计为125Mbps。点对点高速光纤通讯控制构架采用50Mbps高速光纤头进行数据收发，由于每个三电平H桥功率单元或制动单元PWM 脉冲位数8位，PWM脉冲下发通讯时间约0.64us，通讯延时小。

2)结构简单。单通道高速光纤环网通信网络控制拓扑采用了四 个通信网络，包括故障保护开环控制网络，开关机网络、同步网络 和高速数据通信网络三个闭环控制网络，每个控制网络只需一个单 光纤线连接即可，通信网络系统结构简单，四个通信网络各司其职， 保证了系统运行的可靠性和通信协议的简单化。点对点高速通讯控 制构架采用12.5Mbps光纤点对点通讯，从控制器采集本单元模拟量 或状态信息，通过通讯上传，只需要1对光纤，最大限度降低了整 个装置光纤网络互联。

3)同步效果好。单通道高速光纤环网通信网络控制拓扑设计了 一个专门用于同步控制的网络，各从控制器直接接收来自主控制器 的同步信号，而不需要主控制器发送系统的同步命令，也不需要经 过高速数据通信的编解码操作和转发，其同步延时较小，方便系统 进行相应的延时补偿处理，其同步精度在100ns以内，同步效果好， 且可靠性高。点对点高速通讯控制构架采用12.5Mbps光纤点对点通 讯，不同从控制器均通过主控制器进行PWM脉冲同步，主控制器 PWM脉冲通讯发送到各从控制器时间基本相同，各从控制器采用100MHz时钟对接受的PWM脉冲通讯数据进行解码，确保了不同相 之间的同步性能。

4)分布式、模块化程度高，且易重新配置。单通道高速光纤环 网通信网络控制拓扑每个H桥逆变单元或制动单元设置一个从控制 器，单个逆变柜体内多个从控制器通过单光纤线串联形成一个开环 或闭环的控制环网，每个从控制器可以集成在大容量电力电子系统 的每个功率单元模块上，形成一个功能较为完善的功率单元模块从 节点，因此整个电力电子系统将具有很明显的分布式和模块化的特 征。若需要增加系统中的节点数据，只需要将节点加入环形网络中， 将节点地址增加几位即可，因此系统易于重新配置，且可扩展性好。 点对点高速通讯控制构架每个H桥逆变单元或制动单元设置一个从 控制器，整个装置设置一个主控制器，主控制器与各从控制器采用 12.5Mbps光纤点对点通讯，不同从控制器均通过主控制器通讯下发 PWM进行控制，不同相从控制器程序完全一致，降低了维护性，通 过主控制器预留通讯接口，非常易于扩展。

5)可靠性高。相对于传统的主控制器PWM点对点光纤控制 IGBT的集中式控制方式来说，单通道高速光纤环网通信网络控制拓 扑连线简单，不存在因大量IGBT点对点的电气连接线，且所有信号 均是通过光纤传输，抗干扰能力强，因此整个系统的可靠性显著提高。点对点高速通讯控制构架下主控制器与各从控制器采用 12.5Mbps光纤点对点通讯，PWM脉冲通过串行高速通讯下发进行控 制，PWM脉冲下发到从控制器后，从控制器进行解码，此后通过从 控制器脉冲分配光纤驱动IGBT，避免了传统的主控制器与IGBT直 接众多的点对点硬线，且所有信号均是通过光纤传输，抗干扰能力 强。

附图说明

图1为本发明十五相大容量感应推进变频器高速光纤环网控制 架构图；

图2为图1的高速光纤环网控制结构细节图；

图3为本发明另一种点对点高速通讯控制构架图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明十五相大容量感应推进变频器控制架构，十五相大容量 感应推进变频器包括一台闭式循环水冷柜体、三台完全一致的逆变 柜体及制动电阻柜，每台逆变柜体包括五个逆变单元、一个制动单 元及五个输出滤波单元，其中，输出滤波单元采用滤波电感对称设 计，减少了输出共模电压。每个逆变柜体构成一个环网，每个逆变 单元或制动单元设置一个从控制器，整个装置设置一个主控制器， 则三个逆变柜体构成的十五相大容量推进变频器由三个独立环网构 成。柜体间环网独立，确保了一个环网出现故障(控制器硬件或环 网通讯)时，剩余环网的冗余运行，提高变频器的可靠性，见图1 所示。

本发明的单通道高速光纤环网通信控制网络拓扑由四个光纤环 形网络组成，包括一个开环和三个闭环的环形网络，其网络控制拓 扑结构如图2所示。

开环的环形网络为故障保护网络。故障保护网络主要负责将系 统中各节点的故障状态以及环形网络中节点之间的断线故障上传主 控制器，由于主节点可以检测自己的故障，故无需再将故障状态信 息上传，因此故障保护网络设计为开环网络，为了确保断线故障的 上传，即无光传输为系统故障，且所使用的光纤接收头为接收反逻 辑功能，故都将每个从节点的故障与前一节点发送过来的故障进行 或非操作后再发送到下一节点。

三个闭环的环形网络分别为开关机网络、同步网络和高速数据 通信网络。开关机网络由系统主控制器发送开关机命令，系统中各 从控制器在接收到来自主控制器的开关机命令后，分别执行本从控 制器的开、关机操作，为了实现主控制器监控开关机信号有没正确 送出，将开关机命令返回主控制器进行监控，因此开关机网络设计 为闭环网络。由于所使用的光纤接收头为接收反逻辑功能，故每个 从控制器在接收到开、关机命令信号后，都进行“反相”逻辑操作， 再执行相应的操作并发送至一下节点。

同步网络主要用于根据主控制器发送的同步命令信号来对各从 控制器进行系统控制的同步处理，各从控制器在接收到来自主控制 器的同步命令信号后，经过各自相应的延时补偿处理产生本控制器 的同步控制信号，从而保证系统中各从控制器之间控制的同步性， 由于所使用的光纤接收头为接收反逻辑功能，故每个从控制器在接 收到同步命令信号后，都进行“反相”逻辑操作，再执行相应的操作 并发送至一下节点。高速数据通信网络主要用于传输系统各从控制 器所需要的控制数据与命令信息和各从控制器反馈数据的上传，该 网络采用155MHz的高速数据收发模块，但实际的通信速率为 125Mbps。

本发明的点对点高速串行光纤通信控制网络拓扑由光纤发送和 光纤接收构成，其网络控制拓扑结构如图3所示。

主控制器一般采用DSP+FPGA硬件构架，DSP负责调制波闭环 运算，FPGA负责将各相调制波与三角波比较形成PWM脉冲，并将 PWM脉冲按一定次序编码。对于异步高速串行通讯，则主控制器将 从控制器所需8个IGBT驱动PWM脉冲按一定次序编码，并按照串 行通讯协议增加起始位、奇偶校验，停止位，以12.5MHz频率发送 给从控制器，从控制器将接收的PWM脉冲信息进行解码，解码成功 则直接用于驱动IGBT，同时设置通讯校验标记，用于判断通讯状态。 从控制器除开接收主控制器PWM脉冲信息外，同时采集从控制器对 应模块功率单元电压、电流、温度及IGBT状态等信息，并按12.5Mbps 通讯速率串行反馈上传给主控制器。由于反馈数据对实时性、同步 性要求没有控制脉冲高，同时为提高串行通讯的准确性，一般采用 更为复杂的CRC校验。此外，由于采用串行通讯，没有单独的硬光 纤故障保护，为提高功率单元故障保护的快速性，对于IGBT报警、 过流、过压等严重故障，则从控制器直接按三电平拓扑规定的次序 封锁IGBT脉冲，此后再将故障状态通讯上传给主控制器，主控制器 对接收的数据进行解码，校验判断，后确定下一步措施。

该点对点高速串行光纤网络采用50Mbps的高速数据收发模块， 但实际的通信速率为12.5Mbps。

除上述实例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替 换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围内。