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电力电子开源变换器系统
    发布时间: 2020-05-12 15:26    

一、概述

开源变换产品本公司为了满足高校用户需求与行业市场,以助力高校用户快速研究出成果为出发点,精心打造的第四代变换器产品高性能高品质高功率密度设计以及在易用性、可靠性稳定性、兼容性、可维护性环保性和设计标准等方面显著提升进一步优化用户使用体验,只为激发开源逆变系统与应用环境的完美结合,专为高校和科研院所打造的科研设备与一体化解决方案。

1  开源变换器系统图

二、开源变换器系统工作原理

     开源变换器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP作为控制核心,下发指令送到转接系统进行放大隔离与信号调理,再将指令送到开源变换器进行处理:

1、将采集的电流电压等信号进行调理,及时处理故障保护及故障复位,间接控制数字输入输出信号等功能;

2、将弱电的数字信号转变成模拟信号,并进行调理放大传递给被控对象;将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象,从而实现电源的电力变换功能,从而可以实现比较复杂的控制算法,实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块IPMPIMIGBT碳化硅SIC为核心设计的逆变电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对变换器的冲击;功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电,经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型变换器来驱动电网,功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程;整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。 控制原理图:


2  开源变换器原理

下面依次介绍各个子系统的功能作用;

三、实时控制器

控制器主要功能如下:

控制器是整个系统里的核心,实时采集各类电流信号、各类电压信号、温度等实时数据,处理各类故障保护信号与复位信号,及时响应输入输出数字信号DIDO以便快速响应后级的被控对象;


3
  DSPACE实时仿真控制器


控制器优选选用DSPACE实时仿真控制器(单板系统DS1202与组件系统DS1007),其次DSP/ARM/FPGA控制板;前者最大优势:主频高达10GHZ运算速度非常之快100ns,由于DSPACEMATLAB无缝连接,用户可以在几分钟之内就可以完成模型参数修改,代码的生成与下载工作;从而可以在短期内完成对原型的反复修改和实验,尽快推出产品,完全避免了过去那种因为局部修改就要花费几周甚至几个月时间进行代码的修改与重新测试,大大节省了时间与费用。以下介绍DSP28377控制板主要功能参数:



4  DSP28377控制板

1DSP28377控制板包含多种功能模块电流采样信号调理模块、电压采样信号调理模块、温度采样信号调理模块、信号电平转换模块、晶振时钟振荡模块、DSP复位信号模块I2C模块EEPROM模块(SPI)232/485通信SCI模块CAN通信模块JTAG程序接口

2DSP主频200MHZ6.67ns周期1.9V/1.8V内核, 3.3V I/O设计);高性能 32 CPU,浮点运算;16 x 16 32 x 32 介质访问控制 (MAC) 运算16 x 16 MAC

3通道 DMA 处理器(用于ADCMcBSPePWMXINTF SARAM);16 位或 32 位外部接口 (XINTF)2M × 16 地址范围片载存储器:256K×16 闪存, 34K×16 SARAM1K x 16 一次性可编程 (OTP) ROM引导 ROM (8K X 16)

4 18 个脉宽调制 (PWM) 输出;高达 6 个支持 150ps 微边界定位 (MEP) 分辨率的高分辨率脉宽调制器 (HRPWM) 输出;高达 6 个事件捕捉输入;多达两个正交编码器接口;

5、高达 8 32 位定时器(6 eCAP 以及 2 eQEP);高达 9 32 位定时器(6 ePWM 以及 3 XINTCTR);三个 32 CPU 定时器;

6、多达 2 个控制器局域网 (CAN) 模块;多达 3 SCI (UART) 模块;高达 2 McBSP 模块(可配置为 SPI);一个SPI模块;一个内部集成电路 (I2C) 总线;

712 位模数转换器 (ADC)16 个通道转换速率80ns多达 88 个具有输入滤波功能可单独编程的多路复用通用输入输出 (GPIO) 引脚;

8支持直流输入电压与电流信号、三相输出电压与电流信号、温度实时在线监测等;

9支持故障复位、直流电容保护,提供直流输入过压检测、三相输出过压检测、过流检测、IGBT故障检测、过温检测;支持软件保护功能与报警功能;

10支持逆变模式PWM斩波开环控制,电流比例积分闭环、电压比例积分闭环;

 

四、转接系统

转接系统主要功能如下:

1实现DSPACE实时仿真系统与开源变换器系统之间的信号转接调理功能;

2、 具有高达10M传输速率,精密时序特性以及低功耗工作的优点,工作温度最高可达125

3为数字输入输出信号DIDO提供独立的隔离通道,保护DSPACE控制器的不受大功率电力电子设备的信号干扰;

4利用高速CMOS与空芯变压器,具有优于光耦合器等器件的出色性能特征;

5采用信号隔离方式来提高信号的抗干扰性,抑制信号噪声,隔离电压等级3KV保护DSPACE设备

6、用于保护DSPACE控制器 DIO 数字信号通道不因与外部连接而产生损坏, 避免长期的售后维修时间;

7、采用隔离优化等数字信号处理方式提升PWM 等高精度数字信号的
稳定性与抗扰性;

8、采用定制化硬件死区设置的方式来为测控系统节省通道、减小软件死区的设定范围。

9DS1202转接板的IO特性: 1数字PWM输出接口不少于24路,电压5V电流20mA,死区时间0.6us2数字信号输入DI接口不少于12路,电压5V电流20mA3)数字信号输出DO接口不少于12路,电压5V电流20mA4数字差分采样信号输入接口不少于12对,电压5V电流20mA;一台DS1202转接系统可以独立转接8台并网变换器的控制信号;


 

5  DS1202转接板



6  DS1202转接系统外观

10DS1007IO特性:根据2DS2004板卡,1DS3002板卡,1DS4002板卡,2DS5101板卡, 1数字PWM输出接口不少于24路,电压5V电流20mA,死区时间0.6us2数字信号输入输出DIDO接口不少于32路,电压5V电流20mA3模拟信号输入接口不少于32对,电压5V电流20mA4ABZ编码器差分信号输入接口不少于6对,电压5V电流20mA;一台DS1007转接系统可以独立转接4台并网变换器的控制信号;



7  DS1007转接板



8  DS1007转接系统外观

 

五、开源变换器

1、开源变换器主要工作原理如下:

开源变换器采用DSPACE实时仿真控制器或数字信号处理器DSP作为控制核心,下发指令送到转接系统进行放大隔离与信号调理,再将指令送到开源变换器进行处理:

1)、将采集的电流电压等信号进行调理,及时处理故障保护及故障复位,间接控制数字输入输出信号等功能;

2)、将弱电的数字信号转变成模拟信号,并进行调理放大传递给被控对象;将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象,从而实现电源的电力变换功能,从而可以实现比较复杂的控制算法,实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块IPMPIMIGBT碳化硅SIC为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对变换器的冲击;功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流,得到相应的直流电,经过整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM电压型变换器来驱动电网,功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程;整流单元(AC-DC)主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。


9  开源变换器原理

2开源变换器主电路采用交--交结构AC-DC-AC和直-交结构DC-AC同时均会设置缓冲电路,防止瞬间电流过大,母线电容形成短路引起炸机;


10  主电路结构


3变换器内部设计了有过电流、过压、过温、欠电压等故障检测保护电路。



11  保护功能

4变换器主要技术参数指标:

所有产品通过EMC检测,检测标准依据欧标EN61000


12  开源变换器系列


1)变换器由多个板卡组成:转接板、处理板、驱动板、母线电容板、EMC板等板卡

2变换多个模块组成:弱电信号隔离模块,PWM信号死区模块,采样模块(电压、电流、温度等等),数字输入模块DI,数字输出模块DO,多路电源模块,信号电平转换模块,保护模块(过压、过流、过温等等),故障复位模块,缓冲继电器模块EMC模块整流模块,母线电容滤波模块,母线均压模块制动模块,逆变模块升压驱动模块推挽电路模块

3支持多种输入电压等级:交流单相220V/三相220V/三相380V输入,直流0~600V输入

4)支持多种功率等级:额定输出功率(电流):2KW5A),15KW25A),30KW50A),55KW100A),75KW140A); 110KW200A);

5支持多种拓扑结构:单相全桥,两电平三相半桥,三电平T型,五电平及MMC等多种拓扑结构

6功率模块(普通IGBT与碳化硅SIC)全部采用全球第一Infineon品牌,最大承受电压1200V电流根据功率等级来选配,普通IGBT开关频率高达20KHZ碳化硅SIC开关频率高达200KHZ

7母线电压支持额定直流电压DC600V,最高720V(过压阈值);

8过载能力目前最大支持3倍过载(过载时间1秒);

9电压采样模块(10):母线电压1路,变换器输出电压3路,入网电压3路,负载电压3路;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

10电流采样模块(13):母线电流1路,变换器输出电流4路,入网电流4路,负载电流4路;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz

11)数字输入模块DI3路高速隔离输入(双向),最大频率50KHZ

12)数字输模块DO3路高速隔离输出,最大频率50KHZ,电流3A/AC250V1A/DC30V

13保护功能:母线过压、变换器输出电流过流、过温保护、制动功能等等;

14所有电路板全部采用6层板设计,具有抗干扰能力强,信号可靠性高、EMC电磁兼容功能强等特点

15功率模块的驱动芯片采用AVAGO品牌,具有高性能驱动电流达到2.5A电源欠压短路保护功能等特点

16DCDC电源模块采用MORNSUN品牌,具有输出电源的纹波小噪声小发热低等特点

17)霍尔电压/电流传感器采用ZX品牌,能在电气隔离条件下准确的测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电压/电流;

18)保护电路采用TI品牌新推出DQ触发器组成的保护电路具有响应灵敏功耗低等特点



13  EMC电磁兼容板




14  开源变换器布局布线

6支持并网控制:实现单相并网逆变功能,三相三桥臂并网逆变功能,三相四桥臂并网逆变功能,;广泛应用风电,光伏,储能系统,UPS系统有源滤波,谐波治理,无功补偿,三相不平衡等等领域。

7处理板功能与作用

功能将采集的电流电压等信号进行调理,及时处理故障保护及故障复位,间接控制数字输入输出信号等功能;

处理板多个模块组成

1)采样信号调理模块(电压、电流、温度等等);

2)数字输入模块DI

3)数字输出模块DO

4)多路电源模块(3.3V5V+15V-15V24V);

5保护模块(过压、过流、过温等等);

6)故障复位模块;



15  处理板(典型代表)

8驱动板功能与作用

功能:1、将弱电的数字信号转变成模拟信号,并进行调理放大传递给被控对象;2、将工频交流电源或直流电源逆变成各种频率的交流电源提供给被控对象,从而实现电源的电力变换功能;

驱动板多个模块组成

1)信号电平转换模块

2)弱电信号隔离模块;

3)缓冲继电器模块

4)整流模块

5)母线电容滤波模块;

6)母线均压模块

7)采样模块(电压、电流、温度等等);

8)制动模块

9)逆变模块

10升压驱动模块

11推挽电路模块

12多路电源模块-9V+15V+17V);

13EMC模块

14有源米勒钳位模块

15功率模块短路保护模块




16  驱动板(典型代表)

9、开源变换器包含硬件电路有采样电路、驱动电路、保护电路等,实验系统硬件部分采用模块化设计,主电路和采样电路等易于拓展,便于实现各类电网并网算法的控制。dSPACE控制器作为整套系统的控制核心通过采集的电压、电流等信号,通过SVPWM控制算法,对开源变流器进行控制,以下针对个功能模块作用介绍如下:

1通用三相桥模块

该模块电路与通用变换器主电路相似,直流母线电压600V,额定容量15KVA。直流母线和三相桥交流侧均安装螺栓式熔断器。使用通用三相桥模块可以方便实现三相PWM变换器或三相PWM整流器,两台通用三相桥模块级联可以实现6PWM变换器或三相全桥变换器或三相背靠背变换器。




17  通用三相桥模块

2IGBT驱动模块

该模块采用专用IGBT驱动芯片,非传统光耦方案,稳定性和安全性显著提升。该IGBT驱动模块驱动能力较大,保护功能全面,最大可以50KHz频率驱动1200V 200A IGBT。每路IGBT驱动都采用双路推挽扩流,配合优良的散热设计,以较小的温升获得4A的驱动能力。在IGBT保护方面,采用管压降检测和有源电压钳位结合的方法,有效防止IGBT因短路和瞬间过压而损坏。逻辑接口方面,除PWM接口外,还包括短路、过流、电压异常信号输出,实时反馈驱动模块工作状态。




18  IGBT驱动模块

3)继电器模块

该继电器模块针对控制系统中的交流接触器,可直接输出220V交流电,控制交流接触器分合,简化接线。急停按钮输入可在紧急情况下,手动切断交流接触器动作电源,将控制系统与动力电源分离。



19  继电器模块

4 dSPACE接口模块

dSPACE接口模块连接dSPACE和控制系统,dSPACE接口与输入电源和其他输入输出接口均隔离。三相桥控制接口可直接与IGBT驱动模块相连,包含两组dSPACE内部的三相PWM接口和3IO模拟PWM端口,其中3IO模拟PWM端口和1dSPACE内部PWM接口进行了互补扩展。三相桥控制接口中的状态反馈可连接至保留IO接口。通用输出接口可直接驱动继电器模块,或驱动其他开关量输入设备。

20  接口模块

5)电流采样模块

电流采样模块可采样4路交流或直流电流信号,电流采样输出与输入电源隔离。采用电流传感器与信号调理电路分离的设计方案,根据系统容量选择不同量程的电流传感器模块。在采样信号链路关键部分采用高精度低温漂设计,在工作温度范围内,保证输入至输出增益的稳定性。每路采样均配置二阶有源低通滤波器,截止频率可调,大幅降低高频干扰,简化采样系统设计。可设置电流上限,输出过流信号。针对三相无中线系统,每两路电流采样组成三相电流采样系统,可输出三相电流绝对值和,便于判断系统工作状态。



21  电流采样模块

6)电流传感器模块

该模块可使用不同量程的霍尔电流传感器,额定电流25A100A。电流传感器与电流采样模块分离,增加系统灵活性,方便电源线布线。



22  电流传感器模块

7)电压采样模块

该模块以霍尔电压传感器为核心,可采样4路交流或直流电压,电压采样输出与输入电源和高压侧隔离。霍尔电压传感器原边电阻可灵活配置,适应不同电压范围(最大DC600VAC400V),采用加强散热设计,提高系统稳定性,降低增益漂移。在霍尔电压传感器副边信号链路关键部位采用低温漂高精度设计,在工作温度范围内降低输入至输出增益漂移,并提高各通道间增益的一致性。在软件校正传感器本身零点漂移后,可获得较高采样精度。输出电压范围为正负10V,可直接与dSPACE模拟采样接口连接,传感器本身形成的一阶低通滤波器与信号链路中低通滤波器相结合,降低采样系统噪声水平。


23  电压采样模块

六、LCL滤波器

1LCL滤波器作用:因电网属于工频系统,必须要把高频部分谐波信号滤掉,而LCL滤波器具有更优的高频谐波衰减性,滤波效果较好;LCL滤波器具有抑制高频谐波功能,属于三阶系统;

2LCL滤波器可以多种拓扑结构使用,可以当作L滤波器和LC滤波器;拓扑结构如下:


24  LCL滤波器拓扑结构

3LCL滤波器技术参数:

1额定输入电压三相380V输入;

2)额定输出功率(电流)2KW(5A)15KW(25A)

3)滤波电容C可配置0~50UF

4滤波电感L参数可选1.73.46.8mH

5)电压采样模块(6):入网电压采样3路,负载电压采样3路;相电压和线电压采样可选;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

6)电流采样模块(8):入网电流采样4路,负载电流采样4路;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz



25  LCL滤波器内部布局图




26  LCL滤波器外观

七、双向DCDC变换器

1双向DCDC变换器作用:本质就是DC-DC变换器的双象限运行,它的输入、输出电压极性不变,但输入、输出电流的方向可以改变。变换器的输出状态可在Vo-lo 平面的一、二象限内变化。变换器的输入、输出端口调换仍可完成电压变换功能,功率不仅可以从输入端流向输出端,也能从输出端流向输入端。

2双向DCDC变换器可以多种拓扑结构使用,包括非隔离型与半桥型结构;拓扑结构如下:



27  双向DCDC非隔离变换器拓扑结构



28  双向DCDC隔离变换器拓扑结构


3、双向DCDC变换器技术参数:

1额定输入电压0~DC300V

2)额定输出功率(电流)2KW(5A)15KW(25A)

3额定输出电压:0~DC600V

4)电压采样模块(1)1路直流母线电压,相电压和线电压采样可选;精度0.5%,响应时间小于40us,频率200Hz

5)电流采样模块(2)1路直流母线电流、1路输出电流;精度0.5%,响应时间小于1us频率100KHz

6效率95%

7噪声小于70dB


29  双向DCDC变换器变换板





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