IGBT開關式自并激微機勵磁系統(tǒng)的原理及應用

　　1. 概述

　　HWKT—09型微機勵磁調節(jié)器是武漢洪山電工技術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(jié)器。它的最大特點是結構簡單，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，在自動勵磁調節(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成?？刂撇糠钟蓛膳_HWKT-09型微機勵磁調節(jié)器及各種信號輸入、輸出轉換控制環(huán)節(jié)構成一個勵磁調節(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(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、勵磁調節(jié)器HWKT-09、HKL-02功率柜、HMC-02滅磁柜及其它單元組成。

　　開關式自并激勵磁系統(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。前者將交流勵磁電源變換為直流電源后供功率開關使用，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(jié)器，調節(jié)功率開關的閉合時間即可控制勵磁電流的大小。也就是說，調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，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，IGBT導通時間為TON，截止時間為TOFF。導通時，轉子兩端壓降為UE; 截止時，轉子電壓等于續(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、轉子電流或無功負荷等因素的變化改變KC，亦即改變IGBT驅動方波的占空比，即可改變勵磁繞兩端的電壓，從而達到調節(jié)發(fā)電機輸出電壓、無功的目的。

　　2.5 IGBT的驅動條件及方法

　　2.5.1 IGBT的輸入特性要求其驅動電路滿足以下條件:

　　(1)IGBT導通時提供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 驅動方法

　　到目前為止，IGBT有多種驅動方法，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設計的驅動模塊，符合上述所有驅動條件，是理想的驅動電路模塊。HWKT—09型微機IGBT開關式勵磁裝置采用了這種專用芯片。驅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導通，通過放大器G使輸出三極管T1導通、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導通; 當15腳到14腳無電流時，PC1不通，T1截止、T2導通，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，關閉放大器G，起到護作用。

　　2.6 滅磁及轉子過電壓保護

　　該回路由高能氧化鋅壓敏電阻組件和專用快速直流開關為主組成。滅磁及轉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€工作區(qū)域: I是小電流區(qū)，II是大電流區(qū)，A稱為轉折點。

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　　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)電機轉子免受過電壓侵襲。

　　當需要滅磁時，指令快速直流開關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折電壓時，YMR立即工作在II區(qū)而呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，轉子電流從FMK轉移到壓敏電阻上，迅速完成換流過程。轉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。可見，這種新型的滅磁方式確實具有操作簡單，滅磁速度快，開關容量大，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，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?，F(xiàn)舉幾例說明HWKT-09如何充分應用單片機所擁有的資源。

　　◆四通道10位模數(shù)轉換器(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-寄存器結構，增設了乘、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)過有針對性的設計，使HWKT-09系列微機勵磁調節(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，采用了高質量的雙套開關電源電路，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信息和鍵盤中斷來實現(xiàn)調節(jié)器參數(shù)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(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)送到另一套調節(jié)器，經(jīng)過邏輯判斷，形成脈寬調制脈沖的同步信號。

　　3.1.5 開關量輸入電路

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

　　調節(jié)器面板配設相應的按鈕，能“就地”、“單套”調節(jié)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(jié)器面板上有對應的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、風機故障、手動運行、油開關狀態(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，調節(jié)器輸出設備故障信號節(jié)點，同時在調節(jié)器面板上驅動相應指示信號; 當風機故障(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，調節(jié)器輸出設備異常信號，同時在調節(jié)器面板上驅動相應指示信號; 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關電源并聯(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電源，開關電源的輸出并聯(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，為整個設備的 正常工作提供堅實的基礎。

　　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，用作開關信號輸入、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(jié)、開關量保護判斷、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 勵磁調節(jié)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(jié)，附加PSS或EOC調節(jié)(可選)，可變參數(shù)自適應調節(jié)及非線性最優(yōu)調節(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

　　◆模塊化軟件結構

　　◆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 = 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開關勵磁中，輸入、輸出及占空比的關系為:

　　Ugl=1.35UINKC

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

　　4. 結束語

　　IGBT開關式勵磁調節(jié)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運用于勵磁控制領域。由于IGBT同時具備承受高電壓、大電流和工作速度快、控制功率低的特點，使得開關式勵磁調節(jié)器結構簡單、性能價格比大大提高。我們相信，隨著大功率規(guī)格的IGBT的出現(xiàn)，以IGBT作為功率器件的開關式勵磁系統(tǒng)將會得到更加廣泛的應用。