（电力电子与电力传动专业论文）基于力控v60的east快控电源监控系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef a s tc o n t r o lp o w e rs u p p l yf f c p s ) ，w h i c hi su s e dt oc o n t r o lt h ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n to fp l a s m ai ne a s tt o k a m a k ，i so n ep a r to ft h ee a s th i g hp o w e rs u p p l y s y s t e m 1 1 1 ef c p sc o n s i s t so f2 4a c d c a cp o w e rm o d u l e si np a r a l l e l ，w h i c h v i r t u a l l yi s ac u r r e n ts u p p l yw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fv o l t a g es o u r c e n l ef c p sc o n t r o ls y s t e mi saw i n d o w s 2 0 0 0b a s e dc o n t r o ls y s t e m t h e r ea r eal o t o fd i s t r i b u t e ds i g n a l st ob ea c q u i r e da n dm o n i t o r e d i nt h i sp a p e r , a ne t h e r n e t b a s e d r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e ds u c c e s s f u l l y 1 1 1 es y s t e mi sc o n s t r u c t e di np l c ， v a r i o u sc 一51c o n t r o lb o a r d sa n dr e m o t em o n i t o r - c o n t r o lp cw i t ht h ei n d u s t r i a l e t h e m e tn e t w o r kp r o t o c 0 1 t h ep l ci n s p e c t st h es t a t es i g n a l so fs w i t c h e si nr e a lt i m e ， v a r i o u sa n a l o gs i g n a l sa n dt h es t a t es i g n a l so ff c p sw i l lb ea c q u i r e db yt h ec 一51 c o n t r o lb o a r d sb e f o r et r a n s m i t t e dt ot h er e a l - t i m ed a t a b a s eb yt c p i pp r o t o c o l o r , a n d f i n a l l ys h o w n i nt h ep cm a n - m a c h i n ep a n e lp r o g r a m m e db y c o m m e r c i a lc o n f i g u r a t i o n s o r w a r ef o r c e c o n t r o lv 6 0 i nt h i sp a p e r ，t h ec o n f i g u r a t i o na n dm o n i t o rm e n uo ft h ew h o l er e m o t e - c o n t r o l s y s t e mi sf u l f i l l e d ，i n c l u d i n gt h ep r o g r a m m ei np l ca n dc o m m u n i c a t i o ni nc - 5 1 c o n t r o lb o a r d s 1 1 1 es t r u c t u r et h a ts o r w a r e sa n dh a r d w a r e so ft h es y s t e mi sl a y o u t e d c o m m e n d a b l y i tw i l ld e t e c ta n ds e n do u ta l a r ms i g n a li nt i m e ，a n da l s or e s e r v ed a t a , r e m o t em o n i t o r c o m m i s s i o n i n gh a sb e e nc o m p l e t e dw i 也g o o dr e s u l t , i tr u no ne a s t i nt h i sm a r c h f i g u r e4 1t a b l e5r e f e r e n c e61 k e y w o r d s ：t o k a m a k , f c p s ，m o n i t o r - c o n t r o l ，t c p i p , c o n f i g u r a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 3 5 - i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：塞立旦羌抱 日期：幽年月皇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞煎堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刘眈枷签字日期：硼年占月2 日 导师签名： 韧v 研 签字日期：w 1 年易月矿日 l 引言 l 引言 1 1核聚变研究历程与e a s t 装置介绍 1 1 1 核聚变研究历程 人类的生存和发展离不开能源，而目前主要依赖不可再生的矿物燃料，大约 在2 0 0 年之内矿物燃料就会采掘殆尽，这就促使人类去开辟能源，利用新途径， 寻找新能源。上世纪四五十年代原子弹和氢弹的相继研制并爆炸成功后，人们开 始探索利用核裂变、核聚变来获取新能源。从五十年代中期开始，部分国家建造 基于裂变原理的核电站，生产出大量电能供应国民生产生活之需。我国现在也有 秦山和大亚湾两座核电站，并在继续建设，这在一定程度上缓解了我国电能供应 的缺口。核裂变虽然能产生巨大的能量，但裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，而且 富矿储量少，贫矿浓缩费用昂贵，而且裂变反应产生的核废料具有很强的放射性， 很难处理，对环境的污染也很严重。这虽然可以暂时解决人类的能源之需，但不 是理想的最终能源。核聚变反应是指在高温条件下，两个轻核以极高的热速度相 互碰撞，发生核聚变，形成一个较重的原子核，并释放出能量。主要有以下优点： ( 1 ) 单位质量的聚交物质反应释放出的能量是单位质量裂变物质的4 倍，更是普通 矿物燃料的几百万倍。( 2 ) 储量丰富。聚变物质是氢的同位素，海水中储量丰富， 提取的成本也比较低。( 3 ) 聚变反应堆和裂变反应堆相比，聚变也比较安全，聚变 反应的产物基本没有放射性。但核聚变要在近亿度高温条件下进行，地球上只有 原子弹爆炸时可以达到这个温度，因此创造核聚变的条件是大难题【l 】。 二战后各国开始重视并深入开展核聚变研究。从那时至到现在，核聚变的研 究大体上经历了四个艰苦曲折的阶段。第一阶段，从开始到5 0 年代初，发明了各 种类型的聚变装置，例如仿真器、箍缩装置以及磁镜装置等。第二阶段，主要是 5 0 年代中期，由于对困难估计不足，认为在短期内便有可能建成核聚变反应堆， 并认识到具有潜在的军事用途，各国都在极其保密的情况下激烈竞争研制。第三 阶段，从五十年代末到六十年代末，认识到要实现受控聚变困难很大，必须开展 国际间的交流与合作，因此开始解密并将重点转移到高温等离子体基本性质的研 究1 2 1 。第四阶段，自从1 9 6 8 年，前苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所建成t - 3 装置， 并在这个装置上创造了奇迹以后，世界范围内形成了研究托卡马克的熟潮，并使 得核聚变研究从此获得了转机，世界各国先后建起了很多托卡马克装置，如早期 的有美国普林斯顿大学的s t 装置、日本原子能研究所的j f t - 2 装置、美国麻省理 安徽理丁大学硕士学位论文 工学院的a l c a t o r 装置、法国原子能委员会的t f r 、英国卡拉姆实验室的d i t e 装 置；中期的有美国普林斯顿大学的p l t 、苏联库尔恰托夫研究所的t - 1 0 、联邦德 国的a s d e x ；后期的有美国的t f t r ，欧共体的j e t ，日本的j t - 6 0 ，苏联的t - 1 5 。 它们的离子温度和聚变品质因数都取得了很大的进展，在通向实现热核点火条件 的道路上迈出了一大步。 1 1 2 我国的托卡马克装置研究概况3 1 我国目前已有的托卡马克装置是中国科学院等离子体物理研究所的h t - 7 装 置，它是在原苏联库尔恰托夫原子能所的t - 7 托卡马克装置的基础上改建而成的。 | 7 建造于1 9 7 9 年，它是世界上第一台超导环向场绕组的托卡马克装置，到1 9 8 7 由于库尔恰托夫所的主要工作转向t - 1 5 装置而将t - 7 装置关闭并于1 9 9 0 年赠送 中国，由等离子所改建成h t - 7 装置。由于t - 7 装置设计较早( 1 9 7 1 年) ，在设计 上存在一些不够完善的地方，难以满足各种物理实验的要求。我国把它加以改进 完善，建成了现在的h t - 7 装置。 h t - 7 装置是一个中型圆截面的超导托卡马克装置，它由带极向场线圈的铁芯 变压器和多层环状结构组成，环体包括以下几部分：内真空室、内冷屏、环向场 超导磁体、外冷屏和外真空室。加热场线圈和偏磁线圈套在铁芯变压器的铁芯上， 平衡场线圈则放在外真空室外壳的外面。液氦系统通过导管将液氦注入磁体中， 使磁体保持在超导状态。 1 9 9 5 年初，h t - 7 装置安装调试一次成功，它的建成使我国成为继俄罗斯、 法国和日本之后世界上第四个拥有超导托卡马克装置的国家，为我国的核聚变研 究奠定了坚实的基础。 1 1 3e a s t 超导托卡马克装置 h t - 7 装置的引进与改建，已经使我们取得了建设和运行大型超导制冷系统的 丰富经验，并获得研究长脉冲和准稳态高温等离子体的工程技术，这同时也为设 计与建造稳态全超导托卡马克核聚变装置提供了最重要的工程技术与理论基础。 1 9 9 8 年，为使我国的核聚变研究更上一个新台阶，跟踪并赶超世界先进水平， e a s t ( 原名h t - 7 u ) 装置项目受到了国家的重视，被列入国家九五大科学工程项 目。它作为我国自行设计研制的世界上第一个全超导托卡马克核聚变试验装置经 过长期的研制和建造于2 0 0 6 年3 月成功建成，并于2 0 0 6 年1 0 月成功了完成系统 工程联调与首次物理实验【3 】。 2 1引言 e a s t 是先进超导托卡马克试验装置( e x p e r i m e n t a la d v a n c e ds u p e r c o n d u c t i n g t o k m a k ) 的英文缩写，是一个能够产生大拉长非圆截面等离子体位形的全超导托 卡马克，目标在于探索在超导托卡马克上实现稳态运行以及在稳态运行条件下改 善约束条件，为未来稳态、先进的聚变反应堆奠定物理和工程技术基础。 1 2 课题背景 e a s t 高功率电源系统是e a s t 超导托卡马克核聚变试验装置一个重要的子 系统，为托卡马克超导磁体供电，完成向等离子体提供能量传输、功率变换、运 行控制等重要任务，为等离子体的产生、约束、维持、加热以及等离子体电流、 位置、形状、分布和破裂的控制提供必要的工程基础和控制手段。e a s t 高功率 电源系统主要由高功率变流电源和高压强流环流等子系统构成。e a s t 电源系统 包括极向场电源、纵场电源和快控电源等子系统。 e a s t 等离子体垂直位移快速控制电源( 简称：e a s t 快控电源) ，是高功率 电源系统的组成部分之一。由于e a s t 装置是一个具有非圆截面的大型超导托卡 马克装置，其等离子体在大拉长位形下有其固有的不稳定性，e a s t 快控电源旨 在维持等离子体在非圆截面时的动态平衡与准确位置，抑制等离子体在垂直方向 上的快速漂移。快控电源系统与装置真空室内的一组主动( 有源) 控制线圈( c ) ， 形成等离子体垂直位移的前向控制部分，同时与装置的被动反馈( 无源) 导体一 起，构成了等离子体垂直位移的反馈控制部分。由于等离子体在大拉长位形下会 以微秒级的速度快速漂移，这就要求e a s t 快控电源必须以较快的速度跟踪p c s ( p l a s m ac o n t r o ls y s t e m ，等离子体控制系统) 提供的垂直位移信号，维持等离子 体在非圆截面时的动态平衡与准确位簧。这就要求电源要有快速的频率响应，同 时还要提供足够高的功率输出。因此，e a s t 快控电源设计成一种整流一逆变( a c d c a c ) 并联电源，其逆变输出电流的幅值、频率皆能随等离子体实际位移 情况实时调整，同时为了能够提供足够磁场强度，电源要输出符合等离子体垂直 稳定要求的数千安的电流。因此，在逆变器拓扑上，采用了多重化并联逆变器结 构，以满足维持等离子体在垂直动态平衡所需要的磁场强度条件【7 1 。 快控电源是在高频率高功率工作条件下工作的多重化并联逆变电源，实时远 程监视控制和故障诊断与自动保护将直接影响到电源的正常运行乃至e a s t 的正 常工作，所以快控电源的实时监控和故障实时自动诊断的研究及实现对e a s t 的 正常运行具有重要的意义，同时研究成果对高功率电力电子装置故障诊断技术的 发展也有积极的意义。 3 一 安徽理i ：人学硕十学位论文 1 3电源监控系统研究现状 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的发展，远程网络监控技术的重要性 逐渐被人们认识和重视。远程监控技术是指服务器计算机系统通过网络对客户端 计算机行为进行检测和控制。其实质就是通过一个客户服务程序，在局域网络上 通过一台电脑( 主控端、客户端) 远距离去控制另一台电脑( 被控端服务器端) 的技术。 早期进行的快控电源监控，只能反映少量电源设备运行状况的开关量。电源 设备与环境参数的信息混在传输设备或交换设备的监控系统中进行传送和处理。 一般由传输设备或交换设备的监控系统提供1 至2 个字节供电源与环境监控使用。 这种第一代的电源监控系统，形式和功能都比较简单，所能提供的信息仅为少量 开关量信号。在实施了这种监控后，维护人员虽然能够更快地掌握系统在哪里出 现了故障，但知道故障时，系统供电也出现了问题。这种维护方式仍旧是被动的， 不能真正大幅度降低电源维护的工作量和提高电源维护质量。第二代的监控管理 系统具有比较全面的遥测和遥控功能，可以通过记录模拟量信息来分析设备的运 行状况。近几年来，我国快控电源系统现有的分散看管式的旧维护体制已越来越 不适应新的形式，使得电源监控系统向节约运行成本、提高运行性能的少人、无 人值守和系统的集中维护管理的方向发展，特别是近两年来，随着电源技术的发 展，各电源设备的可靠性与智能化不断提高，计算机技术的飞速发展，都给实现 集中监控，少人、无人管理提供了技术基础。我国电源设备监控系统的发展历经 十几年，无论在技术上、系统建设规模上，还是在系统运行维护上，都有了长足 的进步。监控系统规模不断扩大，监控技术日趋成熟，系统模式日趋稳定：相关 技术不断发展与监控技术相互促进；监控系统的发展与运行维护体制的转变相互 促进；相关标准规范日趋完善；监控市场逐步走向规范化。 目前，国内外许多通信行业的厂商相继推出了各种监控系统。国内如深圳华 为通信股份有限公司的p s m s 动力设备及环境集中监控系统，香港丰联企业有限 公司的联讯一2 0 0 0 通信电源和空调设备集中监控系统，台湾p d u k e 的通信电源 监控系统等等；国外如瑞典e r i c s s o n 公司的e n e r g ym a s t e r 系统中的电子监控 子系统，美国v i c o r 、日本c o s e l 等也都有其各自的通信用开关电源监控系统。还 有像洲际、艾默生、中兴等约二三十家公司都在集中监控上投入了大量的人力物 力。 电源监控系统的发展趋势如下： 4 1 引言 ( 1 ) 、综合化。综合化是通信电源集中监控系统发展的一个必然趋势。监控系 统应由传统意义上的电源监控转向以电源监控为主，包含局站环境、消防、安防 管理以及基础、配套设施监控管理在内的通信电源及机房综合监控系统。 ( 2 ) 、网络化。网络化是监控系统发展的另一个必然方向，这也同时是实现综 合化的前提。监控系统本身就是一个网络化管理系统，在完善本地网络监控中心 的前提下建设总监控中心，更有利于通信电源的监控和监管。 ( 3 ) 、智能化。智能化也是监控系统发展的一个重要方向，因为这一点最能体 现计算机的优势，而恰恰是目前通信电源集中监控系统最为薄弱的环节。积极开 发监控系统的潜能，加强自动化，可提高其实用性，减轻维护人员的负担，减少 工作量，提高电源维护的效率和可靠性。 ( 4 ) 、w e b 技术。近些年来，许多网络软件和网络管理软件都运行了i n t e m e t 浏览器技术，并采用了浏览器方式的界面。在这种方式下，系统软件结构变得非 常简单。这种结构在理论上可以无限制的扩充，而不会影响全网的实时性。 1 4 论文主要研究的问题 根据托卡马克装置等离子体垂直不稳定性及其物理设计，e a s t 快控电源具 有较高的技术性能：高功率输出，快速电流跟踪，四象限运行，并具有高度的工 程可靠性即完善的自动保护，灵活性和可扩展性( 容量倍增) 。由于e a s t 装置是 受控核聚变试验装置，因而实验过程不可避免带来一定的辐射，因此快控电源作 为e a s t 的一个部分也必须能够在试验时能远程监控，不仅要实时控制现场电源 以及相关设备的工作同时还要对现场的工作状况有一个清楚及时的了解，并能在 出现问题时及时采取保护措施，这是本课题所要研究解决的主要问题。 系统主要组成有：高压断路器，整流变压器，a c d c 整流器，滤波与钳位， d c a c 逆变器，均流与保护，电流引线，负载，以及检测、控制、诊断与保护子 系统。其系统框图如图l 所示。快控电源系统采用了高功率电力电子与电源技术 领域的先进技术：模块化技术，p w m 调制技术，载波相移多重化技术，并联均 流技术，快速电流跟踪控制技术，冗余技术。采用高功率全控器件的p w m 调制 模式与晶闸管变流技术相比使电路的控制性能大为改善【s l 。 5 安徽理丁大学硕士学位论文 a ch v ：t r 一峨 l a c d c ：f i l t e r & c l a m p ：d c a c ：p r o t e c t i o n 高压! 多相整； 控制线圈及等 交流 流变压! 多相整流器i 滤波及钳位 l 逆变器 均流与保护 离了体负载 l o k v ：器 图le a s t 快控电源 f i g le a s tf a s tc o n t r o lp o w e r 采用了西门子s 7 2 0 0 系列p l c 作为快控电源系统逻辑控制器，针对其特点， 为控制系统增添以太网模块c p 2 4 3 1 ，构建了基于以太网协议的远程监控网络， 将p l c 控制系统，数据采集系统，以及远程的监控设备连成一个局域网。上位机 监控系统采用北京三维力控科技有限公司提供的力控v 6 0 进行组态，利用力控专 门为s 7 2 0 0 系列p l c 开发的y o 驱动程序进行通讯连接，实现了以太网通信的 p l c 控制系统远程监控。 6 - 2e a s t 快控电源系统主电路结构 2 e a s t 快控电源系统主电路结构 2 1e a s t 快控电源介绍 e a s t 快控电源，实质上是一个大容量的a c d c a c 单相逆变电路，是具有 电流源特性的电压源型逆变器。最终设计参数将达8 0 0 1 6 0 0 v 1 0 2 0 k a ，输出 电流跟踪频率1 0 0 - - - 2 0 0 h z 。但由于经费与预算有限，目前完成工程设计指标如 表1 所示。整套电源系统具有以下先进技术特点： 模块化技术； | 【 p w m 调制技术； 载波移相多重化技术； 并联均流技术； 快速电流跟踪控制技术。 表le a s t 快控电源主要技术参数表 t a b l e lt h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，o f e a s tf a s tc o n t r o lp o w e r 参数名称参数值 输出电压u n = + 8 0 0 v 额定输出电流i n = + 2 5 0 0 a ，1 0 0 1 5 0 s e e ，( 逆变环节四象限运行) 短时过载能力i m = + 5 0 0 0 a ， i s e e 电流跟踪频率f = 1 0 0 h z 2 0 0 h z 电流响应时间0 = 5 m s ( i = + 5 0 0 0 a , - - - , 一5 0 0 0 a ) ( 快速电流跟踪) 电流稳态偏差九s 士2 电流动态偏差 d 士5 电流纹波 丫s5 2 1 1e a s t 快控电源主要组成7 1 e a s t 快控电源系统组成主要有：高压进线柜、高压配电柜、隔离开关、真 空断路器、移相变压器、整流桥、滤波与钳位、功率逆变单元、撬棒保护、负载 线圈以及监测、控制诊断与保护子系统等。高压进线柜在电源的最前端，承担着 将来多组快控电源工作时的高压输入控制任务，柜内专门带有控制器，对电压、 电流等主要参数迸线监控和保护。高压配电柜对单组快控电源的高压输入进行控 制，除本身可自行按整定值进行监控和保护外，还与控制柜的可编程逻辑控制器 7 安徽理t 大学硕士学位论文 ( p l c ) 进行通信，由p l c 控制高压的分合。电源的结构框图如图2 所示。 隔 真 离 空 开 断 路 关 器 交 撬 流 整 钳 功率 棒 断 流 位 逆变 保 路 桥 滤 单元 波 护 器 图2e a s t 快控电源系统结构框图 f i 9 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fe a s t 触c o n t r o lp o w e r 2 1 2 功率单元输入侧电路 输入侧电路主要由隔离开关q s 、真空断路器k m l 、延时输入真空接触器 k m 2 、移相变压器t r 、交流断路器q a l 、q a 2 、整流桥d r 和刹车制动保护c p ( 钳位) 等部分组成，如图3 所示。 移相变压器是整流变压器的一种。e a s t 快控电源整流桥采用多相( 3 6 相) 干式整流变压器，变压器的容量是5 6 0 k v a ，变压器原边电压1 0 k v ，副边电压 0 7 k v ，短路阻抗u = 6 ；原边绕组具有士5 电压调节抽头，副边绕组与原边 绕组相位分别相差士5 0 、士1 5 0 、士2 5 0 。每一相位有两个同样的绕组，作为每个 a c d c a c 功率单元模块正负电源的交流输入，共有十二个绕组。共有六组整流 桥，每四个功率逆变单元共用同一组整流桥，共有二十四个功率逆变单元。变压 器具有温度和过压保护，当温度超过1 3 0 度( 默认值) 时或当输入电压超过1 0 5 k v 的1 2 倍时，系统会出现连续声音报警，并会自动切断高压。 交流断路器采用的是a b b 公司的t m a x 系列，t m a x 为双重绝缘结构，可将 主带电部分( 端子除外) 与装置前面部分完全隔离，保证操作者在正常操作装置 期间的安全性：t m a x 断路器所用的灭弧系统使得很高的短路电流被极快地切断， 相当高的触头动作速度、磁场产生的电动力以及灭弧室的结构有利于在最短的时 间内熄灭电弧，显著地限制允通能量1 2 t 和电流峰值。 经过二极管整流后直流母线电压正常时候是7 0 0 x 1 4 1 4 - - 9 9 0 v 。刹车制动保护 主要是检测母线电压，当母线电压超过1 1 0 0 v 时，刹车制动开始工作，i g b t 导 通从而使母线电压钳位在1 1 0 0 v ，压敏电阻起过压双重保护作用。 8 2e a s t 快控电源系统土电路结构 高 压 交 流 1 0 k v q sk m lr 2 1 3 功率单元 k m 2 c p f uo a l z2 母线+ 誊千二 l j ：古 1 j 、三；十一 、c 1 、r 1t二 一 l l l 0z、 f u o a 2j i ll l 兰三三 r 一1 i c 】 铝 二 一j l l 一 9母线 =j 一 一 ll z、 2 共 i 六 ：组 c p f u o a l 7 、7 6 母线+ ：= 广 i 。 1 一一 l。 、 r ”一t 、；= j 一 5151 、7 0 f u o a 2 、7、 7 、 ! c 1 y 铝 一 二= l = = 1 一一 ：=j x7、7 7 _ l一 e 9 母线- 一 图3 功率单元输入侧电路 f i 9 3t h ei n p u ts i d eo fp o w e ru n i tc i r c u i t 并 联 四 个 功 蜜 逆 变 单 一 兀 并 联 四 个 功 塞 逆 变 单 兀 系统由2 4 个功率逆变单元模块组成，每个单元采用三电平二极管钳位半桥逆 变器及电流闭环控制。控制上分为2 组，采用p w m 调制技术，功率模块的开关 频率为7 5 k h z ，每组1 2 个功率单元模块应用载波相移多重化技术，等效合成频 率为9 0 k h z 。每个功率单元主要由一个d c a c 模块组成，如图4 所示。每个功 率单元机构上完全一致，可以互换。功率逆变单元采用二极管中性点钳位的三电 平半桥逆变电路，其电路特点是桥臂上由四个i g b t ( q 1 1 、q 1 2 、q 1 3 、q 1 - 4 ) 串联组成，直流回路中性点由两个钳位二极管引出，分别接到上下桥臂的中间。 9 安徽理 ：人学硕士学位论文 2 1 4 系统输出侧电路 图4 功率单元电路结构 f i 9 4t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fp o w e rm o d u l e 输 出 电 路 系统输出侧由每个功率单元的输出端子并联后输出，主要由撬棒保护、真空 接触器、接地电阻组成，如图5 所示。 图5 系统输出侧电路图 f i 9 5t h eo u t p u t - s i d ec i r c u i to fs y s t e m 当输出电压1 2 0 0 v 或输出电流大于6 0 0 0 a 时触发撬棒，撬棒后首先关断每个 功率单元的i g b t ，然后晶闸管g 导通，接着1 2 个交流断路器依次断开，切断高 1 0 2e a s t 快控电源系统主电路结构 雎o 2 2 系统信号分析四1 针对e a s t 快控电源系统的主回路，可以将系统中的信号分为三类：模拟量 输入信号、数字量输入信号和数字量输出信号。 2 2 1 模拟量输入信号 模拟量输入信号主要包括每个功率单元的母线电压+ 信号、母线电压一信号、 输出电流信号、输出电压信号、功率单元温度信号和电流引线负载上的总输出电 流信号、输出总电压信号、负载温度信号。每个功率单元的故障控制板实时采集 该功率单元的五个模拟量信号和负载上的三个总信号，进行数据处理后，用于 p w m 控制。 2 2 2 数字量输入信号 数字量输入信号包括：所有的开关状态信号、现场控制柜门信号、急停信号 和变压器故障信号。 开关信号包括延时缓冲输入真空接触器状态信号、真空断路器状态信号、隔 离开关状态信号和输出接触器状态信号。这些信号均来自与各个开关的辅助触点， p l c 通过巡检其开合状态，可以判断系统和功率单元是否处于正常工作运行状态。 一旦有开合状态异常就意味着某单元或系统出现故障，需要及时进行故障处理。 现场控制柜门信号包括控制电合、控制电断、高压合、高压分、风机运行、 报警复位和u p s 信号。柜门信号全部来自于现场控制柜柜门上的按钮信号和显示 信号，p l c 巡检这些信号来监视系统的整体运行状况，检查系统是否处于待命状 态，并且是否一切准备就绪。在风机或u p s 出现故障时，可以直观地发现这些故 障显示的状态发生改变( 由绿色变成红色) ，另外在急停后可以通过报警复位按钮 将系统进行初始化。 在系统正常运行时，由于人工或其它原因需要系统停止运行时，可以按下急 停按钮，产生急停信号，由p l c 程序控制断开延时缓冲输入真空接触器k m l ， 切断高压输入。急停按钮在现场控制柜门和远程控制室中各有一个，并且并联在 一起。远程控制室的急停按钮通过模拟线路传到快控电源高压柜。只要分控室现 场或快控电源现场中的一个急停按钮按下，快控电源的高压接触器就会断开。 变压器故障信号就是变压器过压信号和温度异常信号，都来自于变压器自带 安徽理丁大学硕士学位论文 的传感器，通过这两个信号可以判断变压器工作是否j 下常。变压器的异常工作将 会导致单元母线电压的异常，从而影响到整个系统的运行。 2 2 - 3 数字量输出信号 数字量输出信号包括功率单元过压保护信号、功率单元过流保护信号、功率 单元短路保护信号、功率单元温度异常保护信号、撬棒保护信号、软件故障和熔 断器故障。快控电源系统所有的故障信号如表2 所示。 表2 故障信号统计表 t a b l e 2t h et a b l eo ff a u l ts i g n a lt a b l e 故障名称 个数说明 功率单元过压 2 4 个 控制板对采集的功率单元母线电压、输出电压、输出 功率单元过流 2 4 个 电流、功率单元温度进行数据处理与分析，进行相应 功率单元短路 2 4 个 的故障判断和处理。一旦有故障产生，就会发出相应 功率单元温 的故障信号。这些故障信号都属于对功率单元模拟量 输入信号的故障判断。 度异常 2 4 个 控制板产生，属于对总输出模拟量信号进行的故障判 撬棒保护i f 断。 远程监控计算机根据功率单元母线电压信号进行的故 熔断器故障1 4 障判断 软件故障 1 个 远程监控计算机本身的软件故障信号 急停2 个 远程控制室和现成各一个手操急停按钮，信号进入p l c 变压器过压1 个 变压器的传感器信号，直接送入p l c ，便于判断变 变压器温度 压器是否正常工作。 异常 1 个 总计1 0 6 个 总共分为三类故障信号：控制板判断的故障信号、 直接进入p l c 的故障信号和软件判断的故障信号。 功率单元过压保护信号、功率单元过流保护信号、功率单元短路保护信号、 功率单元温度异常保护信号和撬棒保护信号都是由各个单元控制板对模拟量输入 信号进行相应的故障判断而产生的。功率单元过压保护信号的设定值是1 1 5 0 v ， 功率单元输出过流保护信号的设定值是2 2 0 a ，功率单元短路保护信号的设定值是 4 0 0 a ，功率单元温度异常保护信号的设定值是7 5 c 。出现上述故障后，单元控制 板产生相应的故障信号给单元信号保护板，并进行故障处理，按照控制逻辑关断 故障单元的i g b t ，断开该功率单元的交流断路器，切断功率单元的高压输入。 1 2 2e a s t 快控电源系统主电路结构 当负载总输出电压信号超过1 2 0 0 v 或总输出电流信号超过6 0 0 0 a 时，单元控制板 判断产生撬棒保护信号，根据控制逻辑关断所有功率单元的i g b t ，接着导通输 出电路中的晶闸管，最后断开所有功率单元的交流断路器，切断所有的高压输入。 熔断器故障信号和软件故障信号都是由远程监控计算机产生的。当远程监控 计算机的软件出现故障或者是和p l c 或控制板通讯出现故障时，产生软件故障信 号，在网络中组播。控制板收到软件故障信号后，根据设定程序进行相应的故障 处理。熔断器故障信号由远程监控计算机通过对功率单元母线电压信号进行故障 判断产生的，设定值是6 5 0 v ，当功率单元母线电压信号大于6 5 0 v 时，软件判断 熔断器出现故障，产生熔断器故障信号，在控制网络中组播，控制板收到该故障 信号后，根据程序设定，关断所有功率单元i g b t ，导通输出电路中的晶闸管t h ， 断开所有功率单元的交流断路器，切断所有的高压输入。 2 3 监控系统的设计方案 1 0 , 1 3 , 1 8 1 快控电源的可靠性直接关系到整个e a s t 的正常运行，因此电源的控制系统 必须在此高频高功率大电流的条件下进行快速、准确、可靠地进行控制，同时诊 断系统必须在模块出现故障还没有影响整个电源正常运行之前就进行处置，使可 能存在故障的功率单元不至于影响到整个电源系统的工作，从而保证多功率单元 工作模式下的系统可靠性。同时此电源系统的工作是在分控室进行控制的，同时 还受总控制室以及等离子体控制系统p c s 的控制，所以远程监控系统的实时性和 可靠性也关系到电源系统乃至整个e a s t 系统的安全运行。 快控电源的远程监控网络主要实现的功能包括：l 、远程控制计算机对p l c 的控制，电源系统中各个接触器的开合控制，u p s 电源的控制，以及各个控制对 象的状态监视。2 、对各个电源中各个逆变单元的电压、电流、温度，以及电源总 输出电流，电压的状态监视。3 、各个逆变单元随时可能发生的各种故障监视。 由于电源的实时故障保护通过模拟电路或单片机来实现，并没有远程监控网 络来实现，因此该网路对实时性要求并不是特别高。但对于电源的控制操作要求 通信的高可靠性。考虑到单元电压、电流、温度信号以及总输出电流，电压信号 数据量庞大等因素，综合各方面的分析最后确定工业以太网是一个很好的选择， 这将在第四章进行介绍。 所设计的电源远程监控网路主要包括：分控室的控制诊断计算机和在现场的 现场监控计算机、现场采集计算机、控制用u p s 、网络交换机、p l c 、高压配电 控制以及相应的调理电路和电压、电流、温度传感器等。电源控制计算机在监控 1 3 安徽理：，l ：= 大学硕+ 学位论文 机房通过现场的百兆以太网交换机把现场监控计算机、现场采集计算机、控制用 u p s 、设备用u p s 、p l c 、单元信号保护板、撬棒保护记录板连成一个局域网， 所有监控数据和对电源的控制都是通过以太网实现的，为了防止现场的电磁干扰 使用了光纤传输。其中单元信号保护板的输入是单元控制板处理过的数字故障信 号，记录每个单元的状态：有正常、温度异常、过压、短路等状态。因为单元信 号保护板只有串口没有网口，如果直接利用串口讲其连入远程监控计算机，需要 很长的串口线而且增加网络布线的复杂性。本文利用现有的资源，通过串口转以 太网口的板卡转成以太网输出。撬棒记录板是后来为了发生撬棒故障时能及时判 断出何种类型的故障添加进去的，其输入也是数字信号，它的通信方式和单元信 号保护板类似。，它记录发生撬棒保护时的状态：有输出过流、输出负过压、输出 正过压、反时限保护、输入过压等状态。撬棒记录板和单元信号保护板串联共用 一个串口转以太网口的板卡转成以太网连接到交换机。因为单元信号保护板和撬 棒保护板的串口都是r s 2 3 2 的，而r s 2 3 2 接口只能实现一对一的连接，这样就 无法实现将单元信号保护板和撬棒保护板都通过串口和z n e 1 0 0 t i 板卡连接进行 串口到以太网口的转换。这里用了一个r s 一2 3 2 到r s - - 4 8 5 的转换器，因为r s 2 4 8 5 能够实现一对多的连接。 控制室部分：远程监控计算机通过光纤光缆连接到位于现场的网络交换机上， 同时通过w e b 将监控界面发布到e a s t 系统控制网络中，方便总控和其它子系统 查看快控电源运行情况。监控计算机通过工业以态网与p l c 的c p 2 4 3 1 模块通信， 实时读取p l c 的各输入节点状态，。远程监控计算机采用力控6 0 组态编程，建 立实时数据库，与p l c 、单元信号保护板进行通讯，将所有信号都写入实时数据 库中方便调用，同时组态监控界面对于所有从数据库中调用的变量进行数据处理、 界面显示、操作记录、故障分析及报警记录，并且向p l c 发布远程操作指令( 如： 远程柜门操作、运行模式设置等) 。e a s t 快控电源远程监控网络结构如图6 所示。 整个e a s t 快控电源监控系统最终实现了以下功能：第一，对电源中的各个 逆变功率单元的电压、电流、温度、母线电压等信号的监控，从而监控功率单元 运行状态；第二，对电源输出负载上的电压、电流、温度等信号的监控，从而监 控整个系统的运行状态；第三，对所有的故障进行远程报警，并打印详细信息； 第四，对控制柜进行远程上电和退电操作；第五，对各个接触器、开关和u p s 的 状态进行远程监控。六、与总控的通信。 1 4 2e a s t 快控电源系统主电路结构 p l c c p u 2 2 6 e m 2 2 3 c p 2 4 3 1 匿 采集采集e a s t 故采集采集共享共享 12障信号34卡1 卡2 奉年+ ： 牛 快控现场 二一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 彘矗 故障r e a d v 镪号穗毒 v 快控快控 控崩控制 i2 尚 图6e a s t 快控电源远程监控网络结构图 f 9 6t h er e m o t em o n t o r - c o n t r o ln e t w o r ks 劬c t u r eo fe a s tf o p s 与总控通信计算机及远程监控计算机还与总控组网并与总控交换数据。p c s ( 总控) 发出的给定信号通过光纤传到电源现场的共享内存卡再给电源作为给定 信号送入主电路的控制器中。 e a s t 故障信号由总控传给分控室，再经由分控室的光纤转接箱通过光纤传 到快控电源现场的转接箱，再送到网络交换机至光电转换板，转换成电信号。其 中放电零点信号( 电信号) 通过一个继电器k a 0 8 送给极向场电源系统，由极向 场产生脉冲封锁信号送给快控电源从而控制快控电源的上电和断电，e a s t 故障 信号送到快控电源的保护板上。 电源r e a d y 信号由快控电源产生，由p l c 发出。故障信号也由p l c 发出， 信号来自p l c 的输出q 1 o ，该信号来自k a 3 4 继电器。电源r e a d y 信号经由光电 转换板以及分控室的光纤转接箱送到总控。 分控室中的控制计算机以及数据采集计算机分别通过2 对光纤( 数据网络光 纤、控制网络光纤) 连入快控电源控制柜内的交换机，与p l c 、u p s 、现场控制 用计算机、现场采集计算机连成局域网。与总控通信计算机和数据采集计算机通 过双绞网线连接到控制网。总控通信计算机接受总控发出的炮号，并进行计时， 1 5 安徽理- t 大学硕士学位论文 在电源开始工作时由该计算机发出信号，让数据采集计算机开始采集数据：电源 退高压后，也是由与总控通信计算机发出信号让数据采集计算机停止采集，然后 保存数据。 e a s t 快控电源与总控通信连接如图7 所示。 i i 光电 转换 t b ： 三 板 l箍 l 蚕 f 量 八 赢鬟pfps i 嘉 i i l l 快 卜励稽 控 l电 i源 l iu li i电源现场 图7e a s t 快控电源与总控通信连接图 f i 9 7t h eg r a p ho fe a s tf c p sw i t ht o t a l c o n t r o lc o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o n 2 4 系统硬件方案设计 2 4 1 工业计算机的选择 随着计算机技术的加速发展，现在不管是从速度上还是存储容量上都有不同 档次的计算机满足我们各行各业不同的需求，对应用到工业上的计算机，也即是 工控机来说，其可靠性是最重要也是首要考虑的问题，它必须具有以下特点：首 先，环境通常比较恶劣，如工业现场比较容易存在粉尘、高温、潮湿、噪声、冲 击、振动、各种电磁信号干扰、辐射、腐蚀、野外作业条件以及操作人员素质等 环境因素；其次，要求计算机必须能长期、无故障地连续运行，如果计算机发生 问题，可能会带来比较严重的后果；第三，在一旦发生故障时，能够较快地恢复。 因此它必须具有以下几种能力：过程控制能力，能较轻松地执行给出的关键任务； 可靠性，能长时间地重复完成给出的关键任务；容错性，当突发事件发生时，能 - 1 6 2e a s t 快控电源系统主电路结构 很快执行应变措施，维持系统的功能并能在较短的时间内恢复至正常状态。基于 以上考虑，电源工业现场的现场控制计算机选用了联想天工工业控制计算机。该 计算机主要用于现场实时显示电源工作状态，并通过触摸屏控制电源的工作。 2 4 2电源监控计算机的选择 电源监控计算机处于分控机