IGBT開(kāi)關(guān)式自并激微機勵磁系統的原理及應用

　　1. 概述

　　HWKT—09型微機勵磁調節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節器。它的最大特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)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。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自并激勵磁系統的組成及主回路原理

　　2.1 勵磁系統組成及接線(xiàn)方式

　　自并激勵磁系統也就是直接勵磁系統或稱(chēng)靜態(tài)勵磁系統。我站的HWKT—09型IGBT自并激勵磁系統由勵磁變壓器、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(chēng)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，勵磁電流的調節經(jīng)串接于發(fā)電機勵磁回路的IGBT以直流斬波的方式實(shí)現。IGBT如同一只電子開(kāi)關(guān)，在自動(dòng)勵磁調節器 AVR的控制下，連續處于導通或截止狀態(tài)，以達到調節勵磁電流的目的。

　　我站#1、#5機勵磁系統由控制部分和功率部分構成?？刂撇糠钟蓛膳_HWKT-09型微機勵磁調節器及各種信號輸入、輸出轉換控制環(huán)節構成一個(gè)勵磁調節器柜(標準屏); 功率部分三相不可控全波整流橋加一組IGBT開(kāi)關(guān)控制單元及相應濾波和保護回路構成功率柜(標準屏)，此外系統另包括發(fā)電機滅磁柜。

　　因此整個(gè)發(fā)電機勵磁系統由機端勵磁變壓器、勵磁調節器HWKT-09、HKL-02功率柜、HMC-02滅磁柜及其它單元組成。

　　開(kāi)關(guān)式自并激勵磁系統接線(xiàn)方式如圖一所示。

　　2.2 功率單元的組成和原理

　　IGBT器件結合了雙極型晶體管的功率特性和場(chǎng)效應管控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，將其應用于勵磁領(lǐng)域可使功率部分簡(jiǎn)化，也消除了SCR晶閘管可控整流方式的一些弊病。使系統的經(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(kāi)關(guān)。前者將交流勵磁電源變換為直流電源后供功率開(kāi)關(guān)使用，并濾除大的紋波、毛刺和均衡三相電源的負載。后者受控于調節器，調節功率開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間即可控制勵磁電流的大小。也就是說(shuō)，調整功率管的導通時(shí)間即可對發(fā)電機的勵磁輸入功率進(jìn)行控制。

　　2.3 勵磁調節器主回路

　　IGBT勵磁系統主回路原理圖如圖二所示。

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

　　2.4 勵磁電壓、勵磁電流的計算

　　設三相整流濾波后的直流電壓為UE，IGBT導通時(shí)間為T(mén)ON，截止時(shí)間為T(mén)OFF。導通時(shí)，轉子兩端壓降為UE; 截止時(shí)，轉子電壓等于續流二極管D7管壓降，忽略為零。如圖三所示。

　　由此可見(jiàn)，我們根據發(fā)電機機端電壓、轉子電流或無(wú)功負荷等因素的變化改變KC，亦即改變IGBT驅動(dòng)方波的占空比，即可改變勵磁繞兩端的電壓，從而達到調節發(fā)電機輸出電壓、無(wú)功的目的。

　　2.5 IGBT的驅動(dòng)條件及方法

　　2.5.1 IGBT的輸入特性要求其驅動(dòng)電路滿(mǎn)足以下條件:

　　(1)IGBT導通時(shí)提供12V——18V柵極電壓;

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

　　(3)IGBT開(kāi)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(guò)流保護。

　　2.5.2 驅動(dòng)方法

　　到目前為止，IGBT有多種驅動(dòng)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(zhuān)為IGBT設計的驅動(dòng)模塊，符合上述所有驅動(dòng)條件，是理想的驅動(dòng)電路模塊。HWKT—09型微機IGBT開(kāi)關(guān)式勵磁裝置采用了這種專(zhuān)用芯片。驅動(dòng)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穩壓管，在IGBT截止時(shí)提供-5V反向偏壓。當15腳到14腳有4mA電流通過(guò)時(shí)，光耦PC1導通，通過(guò)放大器G使輸出三極管T1導通、T2截止，VCC通過(guò)T1、R8、IGBT的柵極G、射極E，穩壓管Dz給IGBT柵極提供+15V正向偏置，IGBT導通; 當15腳到14腳無(wú)電流時(shí)，PC1不通，T1截止、T2導通，穩壓管DZ上+5V電壓通過(guò)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(guò)電流時(shí)，VCE增加，通過(guò)檢測二極管D使過(guò)流保護動(dòng)作，關(guān)閉放大器G，起到護作用。

　　2.6 滅磁及轉子過(guò)電壓保護

　　該回路由高能氧化鋅壓敏電阻組件和專(zhuān)用快速直流開(kāi)關(guān)為主組成。滅磁及轉子過(guò)電壓保護原理接線(xiàn)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(xiàn)性元件，其電壓與電流關(guān)系可用下式描述:

　　與此相對應的伏安特性如圖六所示?？梢詫⒎蔡匦詣澐譃閮蓚€(gè)工作區域: I是小電流區，II是大電流區，A稱(chēng)為轉折點(diǎn)。

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　　由于YMR與FLQ是并聯(lián)連接，當正常工作時(shí)，FLQ兩端電壓較低，YMR工作在小電流I區，流過(guò)它的電流較小，僅為數百微安，稱(chēng)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(guò)電壓發(fā)生，氧化鋅壓敏電阻本身無(wú)任何延時(shí)，其響應時(shí)間大約為100毫秒，因此，它立即過(guò)渡到大電流II區工作,使得過(guò)電壓得到限制并被吸收，保護了發(fā)電機轉子免受過(guò)電壓侵襲。

　　當需要滅磁時(shí)，指令快速直流開(kāi)關(guān)FMK分斷，它很快切斷轉子繞組與勵磁電源的聯(lián)系。轉子作為一個(gè)大電感，使di/dt上升，即勵磁繞組兩端電壓急劇增加，當超過(guò)氧化鋅壓敏電阻件的轉折電壓時(shí)，YMR立即工作在II區而呈現低阻狀態(tài)，轉子電流從FMK轉移到壓敏電阻上，迅速完成換流過(guò)程。轉子能量得以通過(guò)壓敏電阻釋放，實(shí)現滅磁。在滅磁過(guò)程中，YMR兩端亦即轉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(kāi)斷到安全建壓僅需要數毫秒，而整個(gè)滅磁過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間大約為400毫秒?？梢?jiàn)，這種新型的滅磁方式確實(shí)具有操作簡(jiǎn)單，滅磁速度快，開(kāi)關(guān)容量大，過(guò)電壓保護水平可控等獨特優(yōu)點(diǎn)。

　　3. IGBT勵磁系統控制單元

　　3.1 硬件控制電路

　　HWKT-09型微機勵磁調節器的控制回路由主控電路、鍵盤(pán)顯示電路、測量電路、同步電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、調寬脈沖輸出電路、信號輸出電路、電源等部分組成。

　　在設計HWKT-09的主控電路時(shí)，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、合理的控制一套復雜的勵磁系統。運行經(jīng)驗表明，它功能完善、性能可靠?，F舉幾例說(shuō)明HWKT-09如何充分應用單片機所擁有的資源。

　　◆四通道10位模數轉換器(A/D)，可以十分方便地用于數據采集系統。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(dòng)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，使得系統在故障情況下能夠自動(dòng)恢復正常工作。

　　◆數據通訊功能，可根據用戶(hù)的需要，增加與電廠(chǎng)監控系統的通訊。

　　另外，該單片機指令系統極其豐富，采用寄存器-寄存器結構，增設了乘、除法指令，使編程簡(jiǎn)潔方便。另外，CPU能接收17個(gè)中斷源信號，使中斷系統簡(jiǎn)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(guò)有針對性的設計，使HWKT-09系列微機勵磁調節器較國內其它廠(chǎng)家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等，在用于實(shí)時(shí)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(jìn)口大規?；虺笠幠＜呻娐沸酒?，及其它工業(yè)級器件，可靠性得到保證。由于硬件極其簡(jiǎn)單，給調試及維護帶來(lái)極大的方便。另外輸入、輸出信號經(jīng)過(guò)多重全隔離，采用了高質(zhì)量的雙套開(kāi)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)、工作參數存儲器(E2PROM)、石英晶體等組成。

　　3.1.2 鍵盤(pán)顯示電路

　　該電路由鍵盤(pán)顯示控制芯片、8位數碼管、數碼管譯碼驅動(dòng)芯片、16位鍵盤(pán)、鍵盤(pán)譯碼芯片等組成。通過(guò)特殊按鈕的開(kāi)關(guān)信息和鍵盤(pán)中斷來(lái)實(shí)現調節器參數設置、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轉換器。通過(guò)對電壓、電流相位的檢測來(lái)計算功率因數角及有功、無(wú)功。

　　3.1.4 同步電路

　　直流勵磁系統中，通過(guò)單片機內部電路產(chǎn)生一組同步信號，分別發(fā)送到另一套調節器，經(jīng)過(guò)邏輯判斷，形成脈寬調制脈沖的同步信號。

　　3.1.5 開(kāi)關(guān)量輸入電路

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

　　調節器面板配設相應的按鈕，能“就地”、“單套”調節以及模擬發(fā)電機的運行狀態(tài)。

　　3.1.6 調寬脈沖輸出電路

　　由CPU的高速輸出口HSO輸出單相脈寬調制矩形波，經(jīng)光電隔離、功率放大輸出，可以直接驅動(dòng)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，調節器面板上有對應的14只發(fā)光二極管指示，共用4個(gè)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(dòng)運行、油開(kāi)關(guān)狀態(tài)、滅磁、低頻、過(guò)勵、低勵、PT斷線(xiàn)、試驗及開(kāi)機; 其中過(guò)勵限制、頂值限制、過(guò)勵保護共用過(guò)勵指示信號，另還有正組脈沖指示、反組脈沖指示。

　　當過(guò)勵保護、PT斷線(xiàn)保護動(dòng)作，調節器輸出設備故障信號節點(diǎn)，同時(shí)在調節器面板上驅動(dòng)相應指示信號; 當風(fēng)機故障(功率單元溫度過(guò)高)、手動(dòng)、滅磁、低勵限制、過(guò)勵限制、頂值限制等動(dòng)作，調節器輸出設備異常信號，同時(shí)在調節器面板上驅動(dòng)相應指示信號; 另設正組脈沖、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(kāi)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(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的輸出并聯(lián)。

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

　　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(kāi)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、給定調節、開(kāi)關(guān)量保護判斷、采集、功率計算、自動(dòng)PID、手動(dòng)PID、低勵PID、控制方式選擇、手動(dòng)跟蹤自動(dòng)、自動(dòng)跟蹤手動(dòng)、PSS、恒無(wú)功等、鍵盤(pán)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 勵磁調節器基本功能

　　◆保持發(fā)電機端電壓恒定

　　◆正負調差率可以選擇

　　◆發(fā)電機恒勵磁電流運行

　　◆ PID及PI控制調節，附加PSS或EOC調節(可選)，可變參數自適應調節及非線(xiàn)性最優(yōu)調節

　　◆強勵頂值限制

　　◆過(guò)勵反時(shí)限限制

　　◆低勵限制

　　◆V/F限制

　　◆八位數碼管十進(jìn)制顯示多種參量，循環(huán)或定點(diǎn)顯示

　　◆ 勵磁/儀表電壓互感器斷線(xiàn)檢測及保護

　　◆全數字調節

　　◆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(dòng)化儀器儀表及計算機監控系統的通信接口

　　◆空載過(guò)壓保護

　　◆零起升壓可跟蹤系統電壓

　　◆正常運行時(shí)鍵盤(pán)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

　　◆模塊化軟件結構

　　◆全部參數均用十進(jìn)制數字顯示

　　◆十六只薄膜鍵盤(pán)在線(xiàn)修改控制參數

　　◆完備的硬、軟件自診斷功能

　　◆開(kāi)機電壓自動(dòng)置位，關(guān)機電壓自動(dòng)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

　　◆掉電數據保護

　　3.4 勵磁控制系統方框圖

　　IGBT開(kāi)關(guān)式自并激微機勵磁控制系統方框圖如圖八所示。

　　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A1的輸出，它的大小和占空比KC成正比。為了方便分析，假設:

　　UKZ = KC

　　Ugl是功率環(huán)節A2的輸出(平均值)。我們由圖二及分析知: 在IGBT開(kāi)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(xiàn)性關(guān)系，因而系統具有很好的線(xiàn)性度和穩定性，降低了控制的復雜性。

　　4. 結束語(yǔ)

　　IGBT開(kāi)關(guān)式勵磁調節器成功地將新型功率復合電子器件——絕緣柵雙極性晶體管IGBT運用于勵磁控制領(lǐng)域。由于IGBT同時(shí)具備承受高電壓、大電流和工作速度快、控制功率低的特點(diǎn)，使得開(kāi)關(guān)式勵磁調節器結構簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比大大提高。我們相信，隨著(zhù)大功率規格的IGBT的出現，以IGBT作為功率器件的開(kāi)關(guān)式勵磁系統將會(huì )得到更加廣泛的應用。