一种中高压晶闸管调功器功率单元及其控制系统的制作方法

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1.本实用新型属于电力电子领域，涉及一种中高压晶闸管调功器功率单元及其控制系统。

背景技术：

2.调功器具有输出功率、电压可控，安全性好，可靠性高的优点，被广泛应用于工业电加热场合，而目前市场上设备多为380或690v的低压设备，在很多采用6kv、10kv中高压电源的大型工业场合使用时，就需要加装变压器，对于同等的功率需求，低压调功器输出电流是中高压调功器输出电流的10～20倍，在功率需求较大的场合，需要更高要求的负载，增加了系统成本。
3.在多台调功器并列运行过程中，如果没有对调功器组统一的协同控制，而是开通和关断单独自由控制，就会出现多台调功器同时开通和同时关断的情况，从而对供电系统造成较大的冲击。目前调功器产品所采用的控制系统，多采用数码显示屏，通讯接口单一，只能进行设备单点控制，且显示内容极少，设备状态不直观，按键控制操作繁杂，使用体验感较差。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种中高压晶闸管调功器功率单元及其控制系统，使调功器控制操作简洁，实现设备状态及历史故障信息可视化以及舒适的人机交互。
5.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.方案一、一种中高压晶闸管调功器功率单元，该调功器功率单元1为三相独立且结构相同的晶闸管串联组件。每相有三组晶闸管串联组件，每组晶闸管串联组件根据电压等级选择相应个数的反并联晶闸管进行串联。三组晶闸管串联组件之间通过特制的散热器串联。在晶闸管两端并联有阻容均压电路。
7.可选地，阻容均压电路包括静态均压电阻rd、动态均压电阻r和动态均压电容c；动态均压电阻r与动态均压电容c串联后再与静态均压电阻rd并联。
8.方案二、用于调功器功率单元的控制系统，该系统包括同步检测装置2、电压电流检测装置3、pecs控制器4、plc控制器5、人机界面控制器7以及晶闸管触发装置10。
9.其中调功器功率单元1与晶闸管触发装置10连接。同步检测装置2、电压电流检测装置3和晶闸管触发装置10分别通过光纤8与pecs控制器4信号连接。pecs控制器4、plc控制器5和人机界面控制器7分别通过网线9与工业交换机6信号连接。
10.可选地，同步检测装置2包括依次信号连接的分压电阻、过零检测电路和二极管。
11.可选地，所述电压电流检测装置3包括依次信号连接的放大电路和压频转换芯片。
12.可选地，plc控制器5通过工业交换机6可同时与多台pecs控制器4信号连接。
13.可选地，晶闸管触发装置10包括电源板和触发板；一个触发板对应连接一个反并
联晶闸管，一个电源板对应连接一相的晶闸管组件中的所有触发板。
14.可选地，pecs控制器是以fpga+dsp为核心的高性能控制器，具备可选的单通讯端口，支持各种常用工业通讯协议，24对可编程光纤i/o接口，进行同步检测信号以及电压电流检测信号的解析，并发送晶闸管触发信号。
15.可选地，plc控制器具备一路网络通讯端口和一路标准485串口，网络通讯端口采用modbustcp协议通过工业交换机6完成与人机界面控制器7及pecs控制器4的信息交互。还可根据需求选择采用网线通过网络通讯端口连接远程操作系统，或者采用双绞线或屏蔽线通过标准485串口连接远程操作系统。
16.本实用新型的有益效果在于：本实用新型中调功器主回路系统具备电压等级扩展能力，能够应用于中高压电源系统，可通过协同控制改善网侧电能质量；本实用新型控制简便，操作简洁，通过设备状态及历史故障信息的可视化实现了舒适的人机交互。
17.本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
18.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：
19.图1为中高压晶闸管调功器功率单元及其控制系统组成框图；
20.图2为6kv调功器串联功率组件结构；
21.图3为电压电流检测装置示意图；
22.图4为多台调功器并联协同控制系统拓扑图。
23.附图标记：1-调功器功率单元；2-同步检测装置；3-电压电流检测装置；4-pecs控制器；5-plc控制器；6-工业交换机；7-人机界面控制器；8-光纤；9-网线；10-晶闸管触发装置。
具体实施方式
24.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.本实用新型提出一种中高压晶闸管调功器功率单元及其控制系统，如图1所示，主要包括调功器功率单元1、同步检测装置2、电压电流检测装置3、pecs控制器4、plc控制器5、人机界面控制器7以及晶闸管触发装置10，此外还包括用于实现信息传递的光纤8和网线9。其中，调功器功率单元1与晶闸管触发装置10连接；同步检测装置2、电压电流检测装置3和晶闸管触发装置10分别通过光纤8与pecs控制器4信号连接；pecs控制器4、plc控制器5和人
机界面控制器7分别通过网线9与工业交换机6信号连接。
26.其中调功器功率单元如图2所示，为三相独立且结构相同的晶闸管串联组件，每相有三组晶闸管串联组件，每组晶闸管串联组件根据电压等级选择相应个数的反并联晶闸管进行串联。三组晶闸管串联组件之间通过特制的散热器串联。在晶闸管两端并联阻容均压电路，从而使整体电路能够承受更高电压，接入中高压电源系统。对于6kv电压等级调功器设备，单相选取6500v高压晶闸管进行反并联后，通过散热器串联3组组成一相功率单元，实现6kv电压等级调功设备；且可通过增加串联的反并联晶闸管组数，提高系统电压等级。其中阻容均压电路包括静态均压电阻rd、动态均压电阻r和动态均压电容c。静态均压电阻rd为使阻断状态下的串联晶闸管元件电压均衡，并联于晶闸管元件旁；动态均压电阻r和动态均压电容c串联后与晶闸管元件并联。三个元器件参数按照主回路电压电流参数和晶闸管特性选取，具体如下：
27.(1)rd阻值选取为：
[0028][0029]
式中，u
tn
表示晶闸管额定电压，ir表示断态重复平均电流，πir表示近似漏电流峰值。
[0030]
(2)rd功率选取为：
[0031][0032]
式中，u
tm
表示作用于串联元件上的正、负向峰值电压，n表示串联晶闸管数，为系数，本实施例中取
[0033]
(3)c的容值选取为：
[0034]
c＝(2～4)i
ta
×
10-3
μf
[0035]
其中i
ta
表示晶闸管的额定电流，μf为容值单位微法。动态均压电容c的交流耐压值应大于u
tm
/n。
[0036]
(4)r的功率选取为：
[0037]
pr≥fc(u
tm
/n)2×
10-6w[0038]
其中f表示电源频率，动态均压电阻的阻值一般取10～30ω。
[0039]
同步检测装置2先通过电阻分压，根据不同电压等级设置不同档位的接线端，分压后信号经过过零检测电路，检测调功器功率单元输入电压v
ac
、v
ab
的过零信号，其中v
ac
表示a、c相之间的电压，v
ab
表示a、b相之间的电压，再通过二极管将正弦电压信号转换为方波信号，并通过光纤8传送至pecs控制器4，其中电压为正时输出1，电压为负时输出0。
[0040]
电压电流检测装置3先通过放大电路放大接收到的模拟信号，再通过压频转换芯片(可选用型号为ads7866)将模拟电压电流信号转换为对应频率的脉冲信号，并通过光纤8传送至pecs控制器4，如图3所示。其中光纤8的作用为实现高压系统与低压控制系统的安全隔离。
[0041]
pecs控制器4以fpga+dsp为核心，具备可选的通讯端口，支持各种常用工业通讯协议，24对可编程光纤i/o接口，其中fpga可选型号为cyclone v-5ceba4f23c8，dsp可选型号
为tms320c28346。该控制器对来自同步检测装置2和电压电流检测装置3的光纤信号分别进行处理，其中对于同步检测装置2的光纤信号进行处理后得到a、b、c三相的相位及相序信息，对于电压电流检测装置3的光纤信号进行处理后得到对应的实际电压、电流。
[0042]
pecs控制器4、plc控制器5和人机界面控制器7通过modbus tcp协议进行信息交互。其中人机界面控制器7用于参数和控制命令的输入，以及运行结果的显示。plc控制器5用于进行人机界面控制器7和pecs控制器4之间的通讯连接，此外还用于启停、故障控制，以及实现外部通讯扩展。
[0043]
pecs控制器4根据plc控制器5、人机界面控制器7的输入信息完成控制、保护等功能，并将功率、电压、电流、设备状态等信息输出至plc控制器5和人机界面控制器7。其中pecs控制器根据人机界面控制器7输入的调节目标得到各相对应的触发角，并进行处理后通过光纤8输出对应的触发脉冲。
[0044]
本实施例中plc控制器5采用西门子smart200控制器，可采用modbustcp协议通过网络交换机和网线实现与多台pecs控制器连接，进行协同控制，如图4所示；也可以采用网线通过网口与工业现场控制系统实现远程连接，或者采用双绞线或屏蔽线通过485接口与工业现场控制系统实现远程连接，进行远程控制和状态显示。
[0045]
晶闸管触发装置10包括电源板和触发板，一个触发板对应连接一个反并联晶闸管，一个电源板对应连接一相晶闸管串联组件中的所有触发板，电源板将从pecs控制器4发送的脉冲信号同步转送至所连接的一相串联组件中所有晶闸管的触发板，并为触发板提供驱动电源，触发板将光信号转换为电信号，输出至晶闸管pk、pg端，保证串联组件中晶闸管同步开通。
[0046]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种中高压晶闸管调功器功率单元，其特征在于：该调功器功率单元(1)为三相独立且结构相同的晶闸管串联组件；每相的晶闸管串联组件之间为串联连接，晶闸管串联组件根据电压等级选择相应个数的反并联晶闸管串联，晶闸管两端并联阻容均压电路。2.根据权利要求1所述的调功器功率单元，其特征在于：晶闸管串联组件之间通过散热器串联。3.根据权利要求1所述的调功器功率单元，其特征在于：所述阻容均压电路包括静态均压电阻r
d
、动态均压电阻r和动态均压电容c；所述动态均压电阻r与动态均压电容c串联后再与所述静态均压电阻r
d
并联。4.用于权利要求1～3任一项所述的调功器功率单元的控制系统，其特征在于：包括同步检测装置(2)、电压电流检测装置(3)、pecs控制器(4)、plc控制器(5)、人机界面控制器(7)以及晶闸管触发装置(10)；所述调功器功率单元(1)与晶闸管触发装置(10)连接；所述同步检测装置(2)、电压电流检测装置(3)和晶闸管触发装置(10)分别与pecs控制器(4)信号连接；所述pecs控制器(4)、plc控制器(5)和人机界面控制器(7)分别与工业交换机(6)信号连接。5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述同步检测装置(2)、电压电流检测装置(3)和晶闸管触发装置(10)分别通过光纤(8)与pecs控制器(4)信号连接。6.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述pecs控制器(4)、plc控制器(5)和人机界面控制器(7)分别通过网线(9)与工业交换机(6)信号连接。7.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述同步检测装置(2)包括依次信号连接的分压电阻、过零检测电路和二极管。8.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述电压电流检测装置(3)包括依次信号连接的放大电路和压频转换芯片。9.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述plc控制器(5)通过工业交换机(6)同时与多台pecs控制器(4)信号连接。10.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于：所述晶闸管触发装置(10)包括电源板和触发板；一个所述触发板对应连接一个反并联晶闸管，一个所述电源板对应连接一相的晶闸管组件中的所有触发板。

技术总结

本实用新型涉及一种中高压晶闸管调功器功率单元及其控制系统，属于电力电子领域。该调功器功率单元的控制系统包括同步检测装置、电压电流检测装置、PECS控制器、PLC控制器、人机界面控制器以及晶闸管触发装置。调功器功率单元与晶闸管触发装置连接；同步检测装置、电压电流检测装置和晶闸管触发装置分别通过光纤与PECS控制器信号连接；PECS控制器、PLC控制器和人机界面控制器分别通过网线与工业交换机信号连接。本实用新型中调功器主回路系统具备电压等级扩展能力，能够应用于中高压电源系统，可通过协同控制改善网侧电能质量，操作简洁，实现舒适的人机交互。实现舒适的人机交互。实现舒适的人机交互。