基于fpga的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，包括主控板、光纖板、VME總線機(jī)箱和底層單元，主控板和光纖板插在VME總線機(jī)箱的一個背板上，光纖板與主控板通過VME總線連接，光纖板與底層單元通過光纖連接。本實用新型可以根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展，克服了現(xiàn)有的技術(shù)可擴(kuò)展性較差，對于復(fù)雜運算難以達(dá)到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合礦用無功補償器的要求。
【專利說明】基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種控制系統(tǒng)，具體地，涉及一種基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]煤礦電網(wǎng)中的無功沖擊會引起電網(wǎng)電壓波動，諧波會造成使電網(wǎng)供電質(zhì)量惡化。諧波造成電機(jī)等機(jī)電設(shè)備的發(fā)熱或燒毀，會引起供電線路、用電設(shè)備絕緣下降，老化，易造成漏電、短路等故障。因此，采用有效地方法進(jìn)行諧波抑制和無功功率綜合治理對礦井安全生產(chǎn)及其系統(tǒng)節(jié)能、提高設(shè)備運行可靠性尤其重要。無功補償裝置是一種快速調(diào)節(jié)無功功率的裝置，它可使所需無功功率作隨機(jī)調(diào)整，從而保持在沖擊性負(fù)荷連接點的系統(tǒng)電壓水平的恒定。它可有效抑制沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動和閃變、高次諧波，提高功率因數(shù)，還可實現(xiàn)按各相的無功功率快速補償調(diào)節(jié)實現(xiàn)三相無功功率平衡，使負(fù)荷處于穩(wěn)定、安全、可靠的運行狀態(tài)。
[0003]現(xiàn)有礦用無功補償器控制系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差，對于復(fù)雜運算難以達(dá)到高速和高精度要求，控制性能難以達(dá)到礦用無功補償器的要求。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展，克服了現(xiàn)有的技術(shù)可擴(kuò)展性較差，對于復(fù)雜運算難以達(dá)到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合礦用無功補償器的要求。
[0005]根據(jù)本實用新型的一個方面，提供一種基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控板、光纖板、VME總線機(jī)箱和底層單兀,主控板和光纖板插在VME總線機(jī)箱的一個背板上，光纖板與主控板通過VME總線連接，光纖板與底層單元通過光纖連接。
[0006]所述底層單元由從控制器、IGBT和直流側(cè)電容組成，IGBT、直流側(cè)電容都與從控制器連接。
[0007]優(yōu)選地，所述從控制器由FPGA芯片、光纖發(fā)射和接收電路、電壓和電流檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、溫度檢測電路、IGBT驅(qū)動和故障返回電路和1驅(qū)動電路組成，電壓和電流檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA芯片、IGBT驅(qū)動和故障返回電路依次連接，光纖發(fā)射和接收電路、溫度檢測電路、1驅(qū)動電路都與FPGA芯片連接。
[0008]優(yōu)選地，所述IGBT采用英飛凌公司生產(chǎn)的FF650R17IE4型模塊；所述FPGA芯片采用愛特公司生產(chǎn)的ProASIC3A3P250型芯片；所述光纖發(fā)射和接收電路采用安華高科技公司生產(chǎn)的HFBR-1521Z型發(fā)射器和HFBR-2521Z型接收器，所述AD轉(zhuǎn)換電路采用亞德諾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的AD7656型芯片；所述IGBT驅(qū)動和故障返回電路采用CONCEPT公司生產(chǎn)的2SP0320V2A0型雙路IGBT驅(qū)動板；所述電壓和電流檢測電路采用德州儀器公司生產(chǎn)的0PA2277型運算放大器。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下的有益效果:本實用新型提供了一種基于FPGA的新型模塊化無功補償控制系統(tǒng)，主控板采用DSP+FPGA的架構(gòu)，通過VME總線與光纖板進(jìn)行通訊。光纖板與底層單元通過光纖連接，通過光纖頭將數(shù)據(jù)發(fā)送到底層單元，該控制系統(tǒng)采用模塊化思想，可以根據(jù)實際需要通過VME總線機(jī)箱對主控板、光纖板和底層單元進(jìn)行擴(kuò)展，克服了現(xiàn)有的技術(shù)可擴(kuò)展性較差，對于復(fù)雜運算難以達(dá)到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合礦用無功補償器的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本實用新型的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0011]圖1為本實用新型基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本實用新型中底層單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本實用新型中從控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4為本實用新型中電壓和電流檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
[0016]如圖1至圖3所不，本實用新型基于FPGA(Field — Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)包括主控板1、光纖板2、VME總線機(jī)箱3和底層單元4，其中主控板I和光纖板2插在VME總線機(jī)箱3的一個背板上，通過VME總線實現(xiàn)通訊；光纖板2與主控板I通過VME (VersaModule Eurocard,是一種通用的計算機(jī)總線)總線連接，即通過VME總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成每個底層單元4需要的數(shù)據(jù)；光纖板2與底層單元4通過光纖連接，通過光纖頭將數(shù)據(jù)發(fā)送到底層單元4，同時光纖板2具有光纖接收設(shè)施，能接收底層單元4發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過分析主控板I發(fā)送的數(shù)據(jù)和底層單元4發(fā)送的數(shù)據(jù)來確定為每個底層單元4分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0017]所述主控板I采用DSP+FPGA的架構(gòu)，通過VME總線與其它板卡進(jìn)行通訊。主控板I中的DSP完成系統(tǒng)的算法、與FPGA數(shù)據(jù)交換、與上位機(jī)通訊等；FPGA主要完成脈沖的分配，與DSP數(shù)據(jù)交換、以及系統(tǒng)的保護(hù)等。在主控板I中放置存儲器可以作為數(shù)據(jù)交換的緩沖器，還可以在數(shù)據(jù)量比較大的時候存放重要數(shù)據(jù)。DSP與FPGA互相配合，主控板I完成頂層算法，系統(tǒng)的保護(hù)，子模塊的控制及保護(hù)等功能。主控板I在接收到電網(wǎng)電壓、電流以及每個底層單元4的電壓、電流信號后，主控板I計算系統(tǒng)的給定值，通過控制系統(tǒng)中的光纖板把信號發(fā)送到底層單元4中，底層單元4接收到信號后，在底層單元4的從控制器5中平衡電壓以及輸出相應(yīng)的響應(yīng)電流。主控板I采用運算功能較強(qiáng)的FPGA芯片，在芯片中嵌入數(shù)個軟核，可以運算復(fù)雜算法并與底層單元交換數(shù)據(jù)。主控板I在完成算法后，將計算出的數(shù)據(jù)通過光纖板傳到底層單元4中的從控制器5。與底層單元4交換數(shù)據(jù)采用兩根光纖傳輸，一根光纖控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，另一根光纖控制數(shù)據(jù)的接收。
[0018]所述光纖板2采用FPGA控制的方式，通過VME總線與其它板卡通訊。光纖板2中的FPGA主要完成與控制板實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成底層每個底層單元4需要的數(shù)據(jù)，通過光纖頭將數(shù)據(jù)發(fā)送到底層單元4，同時光纖板具有光纖接收設(shè)施，能接收底層單元4發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過分析主控板I發(fā)送的數(shù)據(jù)和底層單元4發(fā)送的數(shù)據(jù)來確定為每個底層單元4分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0019]所述VME總線機(jī)箱3采用VME總線通訊協(xié)議，VME通訊協(xié)議中數(shù)據(jù)的傳輸方式采用并行傳輸，有效的保證了傳輸?shù)乃俣?，在通訊協(xié)議中采用多個控制線來確保傳輸數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性。VME總線協(xié)議的實現(xiàn)采用背板的連接方式。
[0020]所述底層單兀4 由從控制器 5、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)和直流側(cè)電容組成，IGBT、直流側(cè)電容都與從控制器連接。底層單元4主要完成主控板I發(fā)送的控制命令。其中從控制器5采用FPGA與主控板I交換數(shù)據(jù)，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制無功補償裝置的目的。底層單元4是輸出正弦電壓波形的最小階梯，同時底層單元4中必須配備保護(hù)電路，在底層單元4的電容短路或斷路時可以自動切除底層單元，保護(hù)整個系統(tǒng)的正常運行。
[0021]所述底層單元中4的從控制器5由FPGA芯片6、光纖發(fā)射和接收電路7、電壓和電流檢測電路8、AD轉(zhuǎn)換電路9、溫度檢測電路10、IGBT驅(qū)動和故障返回電路11和1驅(qū)動電路12組成，電壓和電流檢測電路8、AD轉(zhuǎn)換電路9、FPGA芯片6、IGBT驅(qū)動和故障返回電路11依次連接，光纖發(fā)射和接收電路7、溫度檢測電路10、10驅(qū)動電路12都與FPGA芯片6連接。光纖發(fā)射和接收電路7用于接收主控板I發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送從控制器5采集和運算后的數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換電路9對每個模塊中的直流電壓量采集。溫度檢測電路10采集IGBT的溫度，用于當(dāng)IGBT過溫時切除驅(qū)動信號。IGBT驅(qū)動和故障返回電路11用于驅(qū)動IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷并接收IGBT的故障信號。1驅(qū)動電路12控制底層模塊的晶閘管。底層單元4的從控制器5主要完成底層IGBT模塊開關(guān)的控制，子模塊的保護(hù)，檢測并控制電容上電壓值，同時完成與光纖板2的接口。從控制器5需要控制IGBT導(dǎo)通、控制旁路開關(guān)吸合、控制晶閘管、檢測電容電壓、檢測IGBT溫度、IGBT過流、過壓保護(hù)，同時完成與主控板I通訊。
[0022]其中，所述絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)采用英飛凌公司生產(chǎn)的FF650R17IE4型模塊；所述電壓傳感器采用LEM公司生產(chǎn)的AV 100-2000型電壓傳感器；所述電流傳感器采用LEM公司生產(chǎn)的LT508-S6型電流傳感器；所述數(shù)字信號處理器(DSP)采用德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F28335型芯片；所述現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片6采用愛特公司生產(chǎn)的ProASIC3A3P250型芯片；所述光纖發(fā)射和接收電路7采用安華高科技公司生產(chǎn)的HFBR-1521Z型發(fā)射器和HFBR-2521Z型接收器；所述AD轉(zhuǎn)換電路9采用亞德諾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的AD7656型芯片。所述IGBT驅(qū)動和故障返回電路10采用CONCEPT公司生產(chǎn)的2SP0320V2A0型雙路IGBT驅(qū)動板。如圖4所示，所述電壓和電流檢測電路8采用德州儀器公司生產(chǎn)的0PA2277型運算放大器。電壓和電流檢測電路的工作原理:采樣信號經(jīng)過采樣電阻Rl轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧碾妷盒盘?，電壓信號輸入到電壓跟隨器UlA的第三引腳，電壓跟隨器UlA起到緩沖和隔離作用，電壓跟隨器UlA的第一引腳(即輸出引腳)連接到RC低通濾波電路UlB的輸入端，RC低通濾波電路UlB起到濾除高次諧波和干擾信號，RC低通濾波電路UlB的輸出信號連接到AD轉(zhuǎn)換電路。
[0023]本實用新型提供了一種基于FPGA的新型模塊化無功補償控制系統(tǒng)，主控板I采用DSP+FPGA的架構(gòu)，通過VME總線與光纖板2進(jìn)行通訊。光纖板2與底層單元4通過光纖連接，通過光纖頭將數(shù)據(jù)發(fā)送到底層單元4，該控制系統(tǒng)采用模塊化思想，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行擴(kuò)展，克服了現(xiàn)有的技術(shù)可擴(kuò)展性較差，對于復(fù)雜運算難以達(dá)到高速和高精度要求的缺陷，控制性能符合無功補償設(shè)備的要求。
[0024]以上對本實用新型的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本實用新型并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本實用新型的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，其特征在于，包括主控板、光纖板、VME總線機(jī)箱和底層單兀,主控板和光纖板插在VME總線機(jī)箱的一個背板上，光纖板與主控板通過VME總線連接，光纖板與底層單元通過光纖連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述底層單元由從控制器、IGBT和直流側(cè)電容組成，IGBT、直流側(cè)電容都與從控制器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述從控制器由FPGA芯片、光纖發(fā)射和接收電路、電壓和電流檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、溫度檢測電路、IGBT驅(qū)動和故障返回電路和10驅(qū)動電路組成，電壓和電流檢測電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA芯片、IGBT驅(qū)動和故障返回電路依次連接，光纖發(fā)射和接收電路、溫度檢測電路、10驅(qū)動電路都與FPGA芯片連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于FPGA的新型模塊化礦用無功補償器控制系統(tǒng)，其特征在于，所述IGBT采用英飛凌公司生產(chǎn)的FF650R17IE4型模塊；所述FPGA芯片采用愛特公司生產(chǎn)的ProASIC3A3P250型芯片；所述光纖發(fā)射和接收電路采用安華高科技公司生產(chǎn)的HFBR-1521Z型發(fā)射器和HFBR-2521Z型接收器，所述AD轉(zhuǎn)換電路采用亞德諾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的AD7656型芯片；所述IGBT驅(qū)動和故障返回電路采用CONCEPT公司生產(chǎn)的2SP0320V2A0型雙路IGBT驅(qū)動板；所述電壓和電流檢測電路采用德州儀器公司生產(chǎn)的0PA2277型運算放大器。
【文檔編號】H02J3/18GK204089204SQ201420459796
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】蘇海, 孫應(yīng)軍, 史紅邈, 陳繼剛, 權(quán)紅星, 衛(wèi)軍, 黃勇, 楊曉國, 賈威彪, 郝軍, 姜建國, 喬樹通 申請人:山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司, 上海交通大學(xué)