基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统

摘要

本发明公开了一种基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统，其包括主控板、光纤板、VME总线机箱和若干个底层单元，其中所述主控板和所述光纤板插在所述VME总线机箱的背板上，二者之间通过VME总线实现通讯，所述光纤板与主控板进行数据交换，并将数据转换成所述每个底层单元需要的数据；所述光纤板与所述底层单元通过光纤连接，所述光纤板具有光纤接收器，以接收所述底层单元发送的数据，所述光纤板通过分析所述主控板发送的数据和所述底层单元发送的数据来确定为所述每个底层单元分配相应的数据。本发明克服了现有的技术可扩展性较差，对于复杂运算难以达到高速和高精度要求的缺陷，其控制性能符合无功补偿设备的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力驱动数字控制系统，特别地，涉及一种基于集成门极换流 晶闸管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)五电平技术的管线压缩机同 步电机数字控制系统。

背景技术

多电平的基本思想是由多个电平台阶来合成阶梯波，以逼近正弦输出电压。电 平数越多，所得到的阶梯电平台阶越多，从而越逼近正弦波，谐波成分越少。从理 论上讲，多电平变换器可以通过合成无穷多个电平台阶，最终实现零谐波的输出。 但在实际应用中，由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在满足性能指标的 前提下，并不追求过高的电平数。

从目前发展趋势看，在油气工业中，管线压缩机的全电力驱动将替代燃气透平 驱动。数十MW的大功率压缩机需要大容量、高速交流电机传动。基于IGCT的 五电平逆变器(变频器)在管线压缩机电机传动应用中可以实现高速、大容量、高 效、高可靠性、平滑输出电压波形的目标。传统的逆变器控制系统的控制信号和反 馈信号通常采用模拟信号传输，其存在硬件电路复杂、调试困难、编程复杂和抗干 扰性差等缺点。针对基于IGCT技术的五电平逆变器控制系统，传统控制系统无论 在控制精度还是响应速度上都无法满足要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于 IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统，其克服现有的控制系统的 不足，对于复杂运算难以达到高速和高精度要求的缺陷，提供了一种编程方便、响 应快、抗干扰能力强和精度高的数字控制系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步 电机数字控制系统，其包括主控板、光纤板、VME总线机箱和若干个底层单元， 其中所述主控板和所述光纤板插在所述VME总线机箱的背板上，二者之间通过 VME总线实现通讯，所述光纤板与主控板进行数据交换，并将数据转换成所述每 个底层单元需要的数据；所述光纤板与所述底层单元通过光纤连接，所述光纤板具 有光纤接收器，以接收所述底层单元发送的数据，所述光纤板通过分析所述主控板 发送的数据和所述底层单元发送的数据来确定为所述每个底层单元分配相应的数 据。

根据上述的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统，其中， 所述光纤板通过光纤头将数据发送到所述底层单元。

根据上述的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统，其 中，所述主控板包括DSP和FPGA，通过VME总线与其它板卡进行通讯。

根据上述的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统，其 中，所述光纤板与所述底层单元交换数据采用两根光纤传输，其中，一根光纤控制 数据的发送，另一根光纤控制数据的接收。

根据上述的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统，其 中，所述底层单元由从控制器、IGCT和直流侧电容组成。

进一步地，根据上述的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制 系统，其中，所述从控制器由FPGA、光纤发射和接收电路、电压和电流检测电路、 AD转换电路、温度检测电路、IGCT驱动和故障返回电路和IO驱动电路组成，其 中，所述电压和电流检测电路、所述AD转换电路、所述FPGA和所述IGCT驱动 和故障返回电路依次连接，所述光纤发射和接收电路、所述温度检测电路和所述 IO驱动电路均连接于所述FPGA上。

因此，本发明的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统提 供了一种基于FPGA的新型模块化无功补偿控制系统，主控板采用DSP+FPGA的 架构，通过VME总线与光纤板进行通讯。光纤板与底层单元通过光纤连接，通过 光纤头将数据发送到底层单元，该控制系统采用模块化思想，可以根据实际需要进 行扩展，克服了现有的技术不足，对于复杂运算难以达到高速和高精度要求的缺陷， 控制性能符合五电平逆变器设备的要求。

附图说明

图1为本发明的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字控制系统的 结构示意图；

图2为本发明中底层单元的从控制器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，根据本发明的基于IGCT五电平技术的管线压缩机同步电机数字 控制系统，其包括主控板1、光纤板2、VME总线机箱3和若干个底层单元4。其 中主控板1和光纤板2插在VME总线机箱3背板上，二者通过VME总线实现通 讯。光纤板2与主控板1进行数据交换，并将数据转换成每个底层单元4需要的数 据；光纤板2与底层单元4通过光纤连接，并由光纤头将数据发送到底层单元，同 时光纤板2采用具有光纤接收功能的光纤接收器，以接收底层单元4发送的数据。 光纤板2通过分析主控板1发送的数据和底层单元4发送的数据来确定为每个底层 单元分配相应的数据。

主控板1采用DSP+FPGA的架构，通过VME总线与其它板卡进行通讯。主 控板1中的DSP完成系统的算法、与FPGA数据交换、与上位机通讯等功能；FPGA 主要完成脉冲的分配、与DSP数据交换、以及系统的保护等功能。在主控板1中 放置存储器，其可以作为数据交换的缓冲器，还可以在数据量比较大的时候存放重 要数据。DSP与FPGA互相配合，主控板1完成顶层算法、系统的保护、子模块 的控制及保护等功能。主控板1在接收到电网电压、电流以及每个底层单元的电压、 电流信号后，计算系统的给定值，通过控制系统中的光纤板2把信号发送到底层单 元4中，底层单元4接收到信号后，在底层单元4的从控制器中平衡电压以及输出 相应的响应电流。主控板1采用运算功能较强的FPGA芯片，在FPGA芯片中嵌 入数个软核，可以运算复杂算法并与底层单元交换数据。主控板1在完成算法后， 将计算出的数据通过光纤板传到底层单元4中的从控制器。光纤板2与底层单元4 交换数据采用两根光纤传输，一根光纤控制数据的发送，一根光纤控制数据的接收。

光纤板2采用FPGA控制的方式，通过VME总线与其它板卡通讯。光纤板2 中的FPGA主要完成与主控板1之间的数据交换，并将数据转换成每个底层单元 需要的数据，通过光纤头将数据发送到底层单元4，同时光纤板2具有光纤接收设 施，能接收底层单元4发送的数据，通过分析主控板1发送的数据和底层单元4 发送的数据来确定为每个底层单元分配相应的数据。

VME总线机箱3采用VME总线通讯协议，VME通讯协议中数据的传输方式 采用并行传输，有效的保证了传输的速度，在VME通讯协议中采用多个控制线来 确保传输数据的实时性和准确性。VME总线协议的实现采用背板的连接方式。

底层单元4由从控制器、IGCT和直流侧电容组成。底层单元4主要完成主控 板1发送的控制命令。其中从控制器5采用FPGA与主控板1交换数据，从而达 到准确控制无功补偿装置的目的。底层单元4是输出正弦电压波形的最小阶梯，同 时底层单元4中必须含有保护电路，在底层单元4的电容短路或断路时可以自动切 除底层单元，保护整个系统的正常运行。

如图2所示，底层单元4中的从控制器5由FPGA6、光纤发射和接收电路7、 电压和电流检测电路8、AD转换电路9、温度检测电路10、IGCT驱动和故障返回 电路11和IO驱动电路12组成。其中，电压和电流检测电路8、AD转换电路9、 FPGA6和IGCT驱动和故障返回电路11依次连接，光纤发射和接收电路7、温度 检测电路10和IO驱动电路均连接于FPGA6上。光纤发射和接收电路7用于接收 主控板1发送的数据和发送从控制器5采集和运算后的数据。AD转换电路9对每 个底层单元4中直流侧电容的直流电压进行采集。温度检测电路10采集IGCT的 温度，用于当IGCT过温时切除驱动信号。IGCT驱动和故障返回电路11用于驱动 IGCT的导通和关断并接收IGCT的故障信号。IO驱动电路12控制底层模块的晶 闸管。底层单元4的从控制器5主要完成底层IGCT模块开关的控制、子模块的保 护、检测并控制电容上电压值，同时完成与光纤板2的接口。从控制器5需要控制 IGCT导通、控制旁路开关吸合、控制晶闸管、检测电容电压、检测IGCT温度、 IGCT过流、过压保护，同时完成与主控板1通讯。

本发明的基于FPGA的新型模块化无功补偿控制系统，主控板1采用 DSP+FPGA的架构，通过VME总线与光纤板2进行通讯。光纤板2与底层单元4 通过光纤连接，通过光纤头将数据发送到底层单元4，该控制系统采用模块化思想， 可以根据实际需要进行扩展，克服了现有的技术可扩展性较差，对于复杂运算难以 达到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合五电平逆变器设备的要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需 创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中 技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验 可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。