IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

1、IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的原理及應(yīng)用             摘 要本文以HWKT09型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為例，詳盡地闡述了IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本原理，并重點(diǎn)討論了IGBT在開關(guān)勵(lì)磁中的應(yīng)用。給出了開關(guān)勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)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(lì)磁 自并激系統(tǒng) 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器1. 概述HWKT09型微機(jī)勵(lì)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(jī)勵(lì)磁調(diào)

2、節(jié)器。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(zhǔn)16位單片機(jī)（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(jī)上成功投運(yùn)，目前運(yùn)行良好。2. IGBT自并激勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及主回路原理2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)組成及接線方式自并激勵(lì)磁系統(tǒng)也就是直接勵(lì)磁系統(tǒng)或稱靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。我站的HWKT09型IGBT自并激勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)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(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)端（也稱機(jī)端變壓器）勵(lì)磁變壓器，勵(lì)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(jī)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)經(jīng)串接于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的IGBT以直流斬波的方式實(shí)現(xiàn)。IGBT如同一只電子開關(guān)，在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 AVR的控制下，連續(xù)處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，以達(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的目的。我站#1、#5機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)由控制部分和功率部分構(gòu)成?？刂撇糠钟蓛膳_(tái)HWKT09型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及各種信號(hào)輸入、輸出轉(zhuǎn)換控制環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜（標(biāo)準(zhǔn)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(hù)回路構(gòu)成功率柜（標(biāo)準(zhǔn)屏），此外系統(tǒng)另包括發(fā)電機(jī)滅磁柜。因此整個(gè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)由機(jī)端勵(lì)磁變壓器、勵(lì)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(lì)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(chǎng)效應(yīng)管控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于勵(lì)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(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(lì)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(fù)載。后者受控于調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)功率開關(guān)的閉合時(shí)間即可控制勵(lì)磁電流的大小。也就是說(shuō)，調(diào)整功率管的導(dǎo)通時(shí)間即可對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁輸入功率進(jìn)行控制。 2.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主回路IGBT勵(lì)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(jī)勵(lì)磁繞組兩端。VIN為來(lái)自勵(lì)磁變壓器的三相交流電壓，L1為轉(zhuǎn)子繞組，當(dāng)1K閉合后，三相交流勵(lì)磁電源通過(guò)D1D6三相整流及電容C1濾波，得到直流電壓UE，當(dāng)1K閉合IGBT導(dǎo)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(dāng)IGBT截止時(shí)，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(dāng)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(shí)，L1中的平均電流增加，反之L1中的平均電流減小。當(dāng)增加量等于減小量時(shí)，L1中的平均電流不變，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行工作狀態(tài)。2.4 勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的計(jì)算設(shè)三相整流濾波后的直流電壓為UE，IGB

6、T導(dǎo)通時(shí)間為TON，截止時(shí)間為TOFF。導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)子兩端壓降為UE; 截止時(shí)，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(jiàn)，我們根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流或無(wú)功負(fù)荷等因素的變化改變KC，亦即改變IGBT驅(qū)動(dòng)方波的占空比，即可改變勵(lì)磁繞兩端的電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓、無(wú)功的目的。 2.6 滅磁及轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)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(guò)電壓保護(hù)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(duì)應(yīng)的伏安特性如圖六所示?？梢詫⒎蔡匦詣澐譃閮蓚€(gè)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(diǎn)。|         由于YMR與FLQ是并聯(lián)連接，當(dāng)正常工作時(shí)，F(xiàn)LQ兩端電壓較低，YMR工作在小電流I區(qū)，流過(guò)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(hù)對(duì)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(yīng)時(shí)間大約為100毫秒，因此，它立即過(guò)渡到大電流II區(qū)工作,使得過(guò)電壓得到限制并被吸收，保護(hù)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子免受過(guò)電壓侵襲。當(dāng)需要滅磁時(shí)，指令快速直流開關(guān)FMK分?jǐn)?，它很快切斷轉(zhuǎn)子繞組與勵(lì)磁電源的聯(lián)系。轉(zhuǎn)子作為一個(gè)大電感，使di/

8、dt上升，即勵(lì)磁繞組兩端電壓急劇增加，當(dāng)超過(guò)氧化鋅壓敏電阻件的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，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(guò)程。轉(zhuǎn)子能量得以通過(guò)壓敏電阻釋放，實(shí)現(xiàn)滅磁。在滅磁過(guò)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(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，開關(guān)容量大，過(guò)電壓保護(hù)水平可控等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。3. IGBT勵(lì)磁系統(tǒng)控制單元3.1 硬件控制電路HWKT09型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制回路由主控電路、鍵盤顯示電路、測(cè)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(hào)輸出電路、電源等部分組成。 在設(shè)計(jì)HWKT09的主控電路時(shí)，充分利用該單片機(jī)的一些獨(dú)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(lì)磁系統(tǒng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它功能完善、性能可靠?，F(xiàn)舉幾例說(shuō)明HWKT09如何充分應(yīng)用單片機(jī)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(hào): 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁PT電壓UFL、發(fā)動(dòng)機(jī)儀表PT電壓UFY、發(fā)電機(jī)定子電流IF及勵(lì)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(cè)量同步脈沖信號(hào)，

10、利用HSI.0通道測(cè)量功率脈沖信號(hào)。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(hào)。WATCHDOG功能，使得系統(tǒng)在故障情況下能夠自動(dòng)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。 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(hù)判斷、采集、功率計(jì)算、自動(dòng)PID、手動(dòng)PID、低勵(lì)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(lì)磁

11、調(diào)節(jié)器基本功能 保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定正負(fù)調(diào)差率可以選擇發(fā)電機(jī)恒勵(lì)磁電流運(yùn)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(qiáng)勵(lì)頂值限制過(guò)勵(lì)反時(shí)限限制低勵(lì)限制 V/F限制八位數(shù)碼管十進(jìn)制顯示多種參量，循環(huán)或定點(diǎn)顯示 勵(lì)磁/儀表電壓互感器斷線檢測(cè)及保護(hù)全數(shù)字調(diào)節(jié)電源、硬件、軟件故障信號(hào)以及其它各種故障信號(hào)輸出與其它自動(dòng)化儀器儀表及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口空載過(guò)壓保護(hù)零起升壓可跟蹤系統(tǒng)電壓正常運(yùn)行時(shí)鍵盤封鎖兩套完全獨(dú)立的并列運(yùn)行方式雙套電源供電，面板測(cè)量及指示模塊化軟件結(jié)構(gòu)全部參數(shù)均用十進(jìn)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(jī)電壓自動(dòng)置位，關(guān)機(jī)電壓自動(dòng)清零狀態(tài)信號(hào)顯示正反組脈沖輸出雙層隔離，面板測(cè)量及指示掉電數(shù)據(jù)保護(hù) 3.4 勵(lì)磁控制系統(tǒng)方框圖IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵(lì)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(lì)磁功率回路及發(fā)電機(jī)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 = 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(lì)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