IGBT開關(guān)式自并激微機勵磁系統(tǒng)的原理及應用

1、IGBT開關(guān)式自并激微機勵磁系統(tǒng)的原理及應用             摘 要本文以HWKT09型微機勵磁調(diào)節(jié)器為例，詳盡地闡述了IGBT開關(guān)式自并激微機勵磁系統(tǒng)的基本原理，并重點討論了IGBT在開關(guān)勵磁中的應用。給出了開關(guān)勵磁系統(tǒng)中勵磁裝置的基本輸入輸出關(guān)系，為更深入地掌握和理解該系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞IGBT 占空比 開關(guān)勵磁 自并激系統(tǒng) 微機勵磁調(diào)節(jié)器1. 概述HWKT09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)

2、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HWKT09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

3、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?？刂撇糠钟蓛膳_HWKT09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HWKT09、HKL02功率柜、HMC02滅磁柜及其它單元組

4、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管控制簡單的優(yōu)點，將其應用于勵磁領(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IG

5、BT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D1D6三相整流及電容C1濾波，得到直流電壓UE，當1K閉合IGBT導通時，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)生的感應電壓使D7導通，給L1續(xù)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，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、勵磁電流的計算設三相整流濾波后的直流電壓為UE，IGB

6、T導通時間為TON，截止時間為TOFF。導通時，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。 2.6 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:與此相對應的伏安特性如圖六所示。可以將伏安特性劃分為兩個工作區(qū)域: I是

7、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/

8、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HWKT09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

9、、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。 在設計HWKT09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、合理的控制一套復雜的勵磁系統(tǒng)。運行經(jīng)驗表明，它功能完善、性能可靠。現(xiàn)舉幾例說明HWKT09如何充分應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，

10、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。 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

11、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:UKZ = KCUgl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