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    IGBT開關(guān)式自并激微機勵磁系統(tǒng)的原理及應(yīng)用
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  •   發(fā)布日期: 2018-12-21  瀏覽次數(shù): 6,128

    1. 概述

    本文引用地址: http://power.21ic.com//poc/technical/201811/79462.html

    HWKT—09型微機勵磁調(diào)節(jié)器是武漢洪山電工技術(shù)研究所研制的新型的由IGBT作為功率輸出器件的自并激微機勵磁調(diào)節(jié)器。它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單,主控回路只需一塊面積為25×20(cm2)的印制電路板,以Intel公司準16位單片機(8098)為核心,加上外圍接口芯片組成的控制系統(tǒng)。該裝置于2000年12月在我站#1、#5機上成功投運,目前運行良好。

    2. IGBT自并激勵磁系統(tǒng)的組成及主回路原理

    2.1 勵磁系統(tǒng)組成及接線方式

    自并激勵磁系統(tǒng)也就是直接勵磁系統(tǒng)或稱靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。我站的HWKT—09型IGBT自并激勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、三相不可控整流橋及IGBT功率單元、滅磁單元、控制單元四部分組成。交流勵磁電源取自發(fā)電機端(也稱機端變壓器)勵磁變壓器,勵磁變壓器的付方輸出經(jīng)三相不可控全波整流橋整流輸出的直流電壓給發(fā)電機勵磁繞組勵磁,勵磁電流的調(diào)節(jié)經(jīng)串接于發(fā)電機勵磁回路的IGBT以直流斬波的方式實現(xiàn)。IGBT如同一只電子開關(guān),在自動勵磁調(diào)節(jié)器 AVR的控制下,連續(xù)處于導(dǎo)通或截止狀態(tài),以達到調(diào)節(jié)勵磁電流的目的。

    我站#1、#5機勵磁系統(tǒng)由控制部分和功率部分構(gòu)成。控制部分由兩臺HWKT-09型微機勵磁調(diào)節(jié)器及各種信號輸入、輸出轉(zhuǎn)換控制環(huán)節(jié)構(gòu)成一個勵磁調(diào)節(jié)器柜(標準屏); 功率部分三相不可控全波整流橋加一組IGBT開關(guān)控制單元及相應(yīng)濾波和保護回路構(gòu)成功率柜(標準屏),此外系統(tǒng)另包括發(fā)電機滅磁柜。

    因此整個發(fā)電機勵磁系統(tǒng)由機端勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器HWKT-09、HKL-02功率柜、HMC-02滅磁柜及其它單元組成。

    開關(guān)式自并激勵磁系統(tǒng)接線方式如圖一所示。

    2.2 功率單元的組成和原理

    IGBT器件結(jié)合了雙極型晶體管的功率特性和場效應(yīng)管控制簡單的優(yōu)點,將其應(yīng)用于勵磁領(lǐng)域可使功率部分簡化,也消除了SCR晶閘管可控整流方式的一些弊病。使系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性得到了提高。

    功率單元主要由兩部分組成: 整流、濾波裝置和功率開關(guān)。前者將交流勵磁電源變換為直流電源后供功率開關(guān)使用,并濾除大的紋波、毛刺和均衡三相電源的負載。后者受控于調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)功率開關(guān)的閉合時間即可控制勵磁電流的大小。也就是說,調(diào)整功率管的導(dǎo)通時間即可對發(fā)電機的勵磁輸入功率進行控制。

    2.3 勵磁調(diào)節(jié)器主回路

    IGBT勵磁系統(tǒng)主回路原理圖如圖二所示。

    把IGBT作為一只電子開關(guān),跨接在發(fā)電機勵磁繞組兩端。VIN為來自勵磁變壓器的三相交流電壓,L1為轉(zhuǎn)子繞組,當1K閉合后,三相交流勵磁電源通過D1~D6三相整流及電容C1濾波,得到直流電壓UE,當1K閉合IGBT導(dǎo)通時,二極管D7截止,UE通過繞組L1、IGBT使L1中電流增加; 當IGBT截止時,L1中電流減小,產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使D7導(dǎo)通,給L1續(xù)流。當IGBT導(dǎo)通期間,L1中的電流增加量大于在截止期間電流的減小量時,L1中的平均電流增加,反之L1中的平均電流減小。當增加量等于減小量時,L1中的平均電流不變,達到穩(wěn)定運行工作狀態(tài)。

     


     

    2.4 勵磁電壓、勵磁電流的計算

    設(shè)三相整流濾波后的直流電壓為UE,IGBT導(dǎo)通時間為TON,截止時間為TOFF。導(dǎo)通時,轉(zhuǎn)子兩端壓降為UE; 截止時,轉(zhuǎn)子電壓等于續(xù)流二極管D7管壓降,忽略為零。如圖三所示。

     


     

    由此可見,我們根據(jù)發(fā)電機機端電壓、轉(zhuǎn)子電流或無功負荷等因素的變化改變KC,亦即改變IGBT驅(qū)動方波的占空比,即可改變勵磁繞兩端的電壓,從而達到調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓、無功的目的。

    2.5 IGBT的驅(qū)動條件及方法

    2.5.1 IGBT的輸入特性要求其驅(qū)動電路滿足以下條件:

    (1)IGBT導(dǎo)通時提供12V——18V柵極電壓;

    (2)IGBT截止時提供0V——(-18V)柵極電壓(為保證可靠截止,一般為-5V);

    (3)IGBT開關(guān)瞬間提供足夠大的電容充放電電流;

    (4)和控制電路隔離;

    (5)完成IGBT過流保護。

    2.5.2 驅(qū)動方法

    到目前為止,IGBT有多種驅(qū)動方法,基本上是由混合集成電路組成。日本富士電機公司生產(chǎn)的厚膜集成電路如EXB840/841、EXB850/851是專為IGBT設(shè)計的驅(qū)動模塊,符合上述所有驅(qū)動條件,是理想的驅(qū)動電路模塊。HWKT—09型微機IGBT開關(guān)式勵磁裝置采用了這種專用芯片。驅(qū)動模塊的原理框圖如圖四所示。

     


     

    VCC、VEE為(±20V供電電源,光耦PC1提供控制電路和IGBT的隔離。Dz為5V穩(wěn)壓管,在IGBT截止時提供-5V反向偏壓。當15腳到14腳有4mA電流通過時,光耦PC1導(dǎo)通,通過放大器G使輸出三極管T1導(dǎo)通、T2截止,VCC通過T1、R8、IGBT的柵極G、射極E,穩(wěn)壓管Dz給IGBT柵極提供+15V正向偏置,IGBT導(dǎo)通; 當15腳到14腳無電流時,PC1不通,T1截止、T2導(dǎo)通,穩(wěn)壓管DZ上+5V電壓通過IGBT的射極E、柵極G、R8、T2使IGBT柵極電壓為-5V,保證其可靠截止。當IGBT過電流時,VCE增加,通過檢測二極管D使過流保護動作,關(guān)閉放大器G,起到護作用。

    2.6 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護

    該回路由高能氧化鋅壓敏電阻組件和專用快速直流開關(guān)為主組成。滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護原理接線圖如圖五所示。圖中YMR表示氧化鋅壓敏電阻,它是一種非常優(yōu)良的非線性元件,其電壓與電流關(guān)系可用下式描述:

     


     

    與此相對應(yīng)的伏安特性如圖六所示??梢詫⒎蔡匦詣澐譃閮蓚€工作區(qū)域: I是小電流區(qū),II是大電流區(qū),A稱為轉(zhuǎn)折點。

     


     

    由于YMR與FLQ是并聯(lián)連接,當正常工作時,F(xiàn)LQ兩端電壓較低,YMR工作在小電流I區(qū),流過它的電流較小,僅為數(shù)百微安,稱為泄露電流。它既不能消耗能量,也不影響被保護對象的工作狀況。一旦有過電壓發(fā)生,氧化鋅壓敏電阻本身無任何延時,其響應(yīng)時間大約為100毫秒,因此,它立即過渡到大電流II區(qū)工作,使得過電壓得到限制并被吸收,保護了發(fā)電機轉(zhuǎn)子免受過電壓侵襲。

    當需要滅磁時,指令快速直流開關(guān)FMK分斷,它很快切斷轉(zhuǎn)子繞組與勵磁電源的聯(lián)系。轉(zhuǎn)子作為一個大電感,使di/dt上升,即勵磁繞組兩端電壓急劇增加,當超過氧化鋅壓敏電阻件的轉(zhuǎn)折電壓時,YMR立即工作在II區(qū)而呈現(xiàn)低阻狀態(tài),轉(zhuǎn)子電流從FMK轉(zhuǎn)移到壓敏電阻上,迅速完成換流過程。轉(zhuǎn)子能量得以通過壓敏電阻釋放,實現(xiàn)滅磁。在滅磁過程中,YMR兩端亦即轉(zhuǎn)子電壓幾乎為一恒定值。因此,這種滅磁方式接近于理想滅磁狀態(tài)。從FMK開斷到安全建壓僅需要數(shù)毫秒,而整個滅磁過程經(jīng)歷的時間大約為400毫秒??梢?,這種新型的滅磁方式確實具有操作簡單,滅磁速度快,開關(guān)容量大,過電壓保護水平可控等獨特優(yōu)點。

    3. IGBT勵磁系統(tǒng)控制單元

    3.1 硬件控制電路

    HWKT-09型微機勵磁調(diào)節(jié)器的控制回路由主控電路、鍵盤顯示電路、測量電路、同步電路、開關(guān)量輸入電路、調(diào)寬脈沖輸出電路、信號輸出電路、電源等部分組成。

    在設(shè)計HWKT-09的主控電路時,充分利用該單片機的一些獨特之處,使得這樣一塊小小芯片能充分、合理的控制一套復(fù)雜的勵磁系統(tǒng)。運行經(jīng)驗表明,它功能完善、性能可靠?,F(xiàn)舉幾例說明HWKT-09如何充分應(yīng)用單片機所擁有的資源。

    ◆四通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D),可以十分方便地用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在裝置中,直接采集四路模擬信號: 發(fā)電機勵磁PT電壓UFL、發(fā)動機儀表PT電壓UFY、發(fā)電機定子電流IF及勵磁電流IL。

    ◆四路高速輸入通道HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3,可用以記錄外部事件。在本裝置中,利用HSI.1通道測量同步脈沖信號,利用HSI.0通道測量功率脈沖信號。

    ◆六路高速輸出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。在本裝置中利用這些輸出通道輸出IGBT器件的觸發(fā)信號。

    ◆WATCHDOG功能,使得系統(tǒng)在故障情況下能夠自動恢復(fù)正常工作。

    ◆數(shù)據(jù)通訊功能,可根據(jù)用戶的需要,增加與電廠監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。

    另外,該單片機指令系統(tǒng)極其豐富,采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu),增設(shè)了乘、除法指令,使編程簡潔方便。另外,CPU能接收17個中斷源信號,使中斷系統(tǒng)簡練適用。一只CPU芯片幾乎包含了一臺計算機的所有部件。再經(jīng)過有針對性的設(shè)計,使HWKT-09系列微機勵磁調(diào)節(jié)器較國內(nèi)其它廠家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等,在用于實時控制方面,功能更強,性能更優(yōu),抗干擾性能更好,可靠性更高。

    由于全部采用了進口大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路芯片,及其它工業(yè)級器件,可靠性得到保證。由于硬件極其簡單,給調(diào)試及維護帶來極大的方便。另外輸入、輸出信號經(jīng)過多重全隔離,采用了高質(zhì)量的雙套開關(guān)電源電路,又采取了有效的抗干擾措施以及嚴格的制造工藝,使得本裝置不僅有很高的可靠性,而且性能優(yōu)良。

    3.1.1 主控電路的組成

    由單片微機(8098)CPU、程序存儲器(EPROM)、工作參數(shù)存儲器(E2PROM)、石英晶體等組成。

    3.1.2 鍵盤顯示電路

    該電路由鍵盤顯示控制芯片、8位數(shù)碼管、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動芯片、16位鍵盤、鍵盤譯碼芯片等組成。通過特殊按鈕的開關(guān)信息和鍵盤中斷來實現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置、顯示切換、(10%階躍試驗等功能。

    3.1.3 測量電路

    發(fā)電機電壓UFY、系統(tǒng)電壓UFL、發(fā)電機電流IF、勵磁電流IL四路模擬量經(jīng)降壓(或變流)整流,再經(jīng)運放緩沖放大、送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換器。通過對電壓、電流相位的檢測來計算功率因數(shù)角及有功、無功。

    3.1.4 同步電路

    直流勵磁系統(tǒng)中,通過單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生一組同步信號,分別發(fā)送到另一套調(diào)節(jié)器,經(jīng)過邏輯判斷,形成脈寬調(diào)制脈沖的同步信號。

    3.1.5 開關(guān)量輸入電路

    共有八路開關(guān)量輸入,均經(jīng)抗干擾處理及光電隔離,再送到相應(yīng)的檢測芯片。八路開關(guān)量分別是: 增加勵磁接點、減少勵磁接點、風(fēng)機位置接點、手動接點、油開關(guān)位置接點、滅磁接點、關(guān)機接點、開機接點。

    調(diào)節(jié)器面板配設(shè)相應(yīng)的按鈕,能“就地”、“單套”調(diào)節(jié)以及模擬發(fā)電機的運行狀態(tài)。

    3.1.6 調(diào)寬脈沖輸出電路

    由CPU的高速輸出口HSO輸出單相脈寬調(diào)制矩形波,經(jīng)光電隔離、功率放大輸出,可以直接驅(qū)動IGBT功率器件。矩形波上升沿小于5us,幅值約15V, 瞬態(tài)輸出電流500mA。

    3.1.7 信號輸出電路

    共有14路信號輸出,調(diào)節(jié)器面板上有對應(yīng)的14只發(fā)光二極管指示,共用4個光字牌信號輸出,并可接至中央控制室。這14路輸出信號分別是: +12V電源、-12V電源、+5V電源、24V電源、風(fēng)機故障、手動運行、油開關(guān)狀態(tài)、滅磁、低頻、過勵、低勵、PT斷線、試驗及開機; 其中過勵限制、頂值限制、過勵保護共用過勵指示信號,另還有正組脈沖指示、反組脈沖指示。

    當過勵保護、PT斷線保護動作,調(diào)節(jié)器輸出設(shè)備故障信號節(jié)點,同時在調(diào)節(jié)器面板上驅(qū)動相應(yīng)指示信號; 當風(fēng)機故障(功率單元溫度過高)、手動、滅磁、低勵限制、過勵限制、頂值限制等動作,調(diào)節(jié)器輸出設(shè)備異常信號,同時在調(diào)節(jié)器面板上驅(qū)動相應(yīng)指示信號; 另設(shè)正組脈沖、反組脈沖兩路信號指示。

    3.1.8 電源

    電源采用雙路輸入雙路開關(guān)電源并聯(lián)工作方式。輸入電源采用交流220V整流后與直流 220V并聯(lián),輸入到兩套獨立的開關(guān)電源,開關(guān)電源的輸出并聯(lián)。

    此設(shè)計方式充分考慮了設(shè)備工作的基礎(chǔ)--供電電源的可靠性和冗余度,為整個設(shè)備的 正常工作提供堅實的基礎(chǔ)。

    輸入: DC220V±20%; AC220V±10%~20%,

    輸出: +5V/10A; +12V/2A;-12V/2A; +24V/1A; 24V與其它三路電源電氣隔離,用作開關(guān)信號輸入、輸出和脈沖功放電源。

    3.2 控制軟件主程序原理流程圖

    控制軟件程序包含各功能子模塊程序、顯示、給定調(diào)節(jié)、開關(guān)量保護判斷、采集、功率計算、自動PID、手動PID、低勵PID、控制方式選擇、手動跟蹤自動、自動跟蹤手動、PSS、恒無功等、鍵盤處理子程序、高速輸入中斷、高速輸出中斷等。

    主程序原理流程圖如圖七所示。

    3.3 勵磁調(diào)節(jié)器基本功能

     


     

    ◆保持發(fā)電機端電壓恒定

    ◆正負調(diào)差率可以選擇

    ◆發(fā)電機恒勵磁電流運行

    ◆ PID及PI控制調(diào)節(jié),附加PSS或EOC調(diào)節(jié)(可選),可變參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)及非線性最優(yōu)調(diào)節(jié)

    ◆強勵頂值限制

    ◆過勵反時限限制

    ◆低勵限制

    ◆V/F限制

    ◆八位數(shù)碼管十進制顯示多種參量,循環(huán)或定點顯示

    ◆ 勵磁/儀表電壓互感器斷線檢測及保護

    ◆全數(shù)字調(diào)節(jié)

    ◆電源、硬件、軟件故障信號以及其它各種

    故障信號輸出

    ◆與其它自動化儀器儀表及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口

    ◆空載過壓保護

    ◆零起升壓可跟蹤系統(tǒng)電壓

    ◆正常運行時鍵盤封鎖

    ◆兩套完全獨立的并列運行方式

    ◆雙套電源供電,面板測量及指示

    ◆模塊化軟件結(jié)構(gòu)

    ◆全部參數(shù)均用十進制數(shù)字顯示

    ◆十六只薄膜鍵盤在線修改控制參數(shù)

    ◆完備的硬、軟件自診斷功能

    ◆開機電壓自動置位,關(guān)機電壓自動清零

    ◆狀態(tài)信號顯示

    ◆正反組脈沖輸出雙層隔離,面板測量及指示

    ◆掉電數(shù)據(jù)保護

    3.4 勵磁控制系統(tǒng)方框圖

    IGBT開關(guān)式自并激微機勵磁控制系統(tǒng)方框圖如圖八所示。

     


     

    圖中A1、A2、A3分別是控制回路、勵磁功率回路及發(fā)電機的輸入輸出特性。其中UKZ是控制環(huán)節(jié)A1的輸出,它的大小和占空比KC成正比。為了方便分析,假設(shè):

    UKZ = KC

    Ugl是功率環(huán)節(jié)A2的輸出(平均值)。我們由圖二及分析知: 在IGBT開關(guān)勵磁中,輸入、輸出及占空比的關(guān)系為:

    Ugl=1.35UINKC

    由此可知,Ugl及KC是線性關(guān)系,因而系統(tǒng)具有很好的線性度和穩(wěn)定性,降低了控制的復(fù)雜性。


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