IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理及应用Word文档格式.docx

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　因此整个发电机励磁系统由机端励磁变压器、励磁调剂器HWKT－0九、HKL－02功率柜、HMC－02灭磁柜及其它单元组成。

开关式自并鼓励磁系统接线方式如图一所示。

　功率单元的组成和原理

　　IGBT器件结合了双极型晶体管的功率特性和场效应管操纵简单的优势，将其应用于励磁领域可使功率部份简化，也排除SCR晶闸管可控整流方式的一些弊病。

使系统的经济性和靠得住性取得了提高。

　　功率单元要紧由两部份组成:

整流、滤波装置和功率开关。

前者将交流励磁电源变换为直流电源后供功率开关利用，并滤除大的纹波、毛刺和均衡三相电源的负载。

后者受控于调剂器，调剂功率开关的闭合时刻即可操纵励磁电流的大小。

也确实是说，调整功率管的导通时刻即可对发电机的励磁输入功率进行操纵。

　励磁调剂器主回路

　　IGBT励磁系统主回路原理图如图二所示。

　　把IGBT作为一只电子开关，跨接在发电机励磁绕组两头。

VIN为来自励磁变压器的三相交流电压，L1为转子绕组，当1K闭合后，三相交流励磁电源通过D1～D6三相整流及电容C1滤波，取得直流电压UE，当1K闭合IGBT导通时，二极管D7截止，UE通过绕组L一、IGBT使L1中电流增加;

当IGBT截止时，L1中电流减小，产生的感应电压使D7导通，给L1续流。

当IGBT导通期间，L1中的电流增加量大于在截止期间电流的减小量时，L1中的平均电流增加，反之L1中的平均电流减小。

当增加量等于减小量时，L1中的平均电流不变，达到稳固运行工作状态。

　励磁电压、励磁电流的计算

　　设三相整流滤波后的直流电压为UE，IGBT导通时刻为TON，截止时刻为TOFF。

导通时，转子两头压降为UE;

截止时，转子电压等于续流二极管D7管压降，忽略为零。

如图三所示。

由此可见，咱们依照发电机机端电压、转子电流或无功负荷等因素的转变改变KC，亦即改变IGBT驱动方波的占空比，即可改变励磁绕两头的电压，从而达到调剂发电机输出电压、无功的目的。

　IGBT的驱动条件及方式

　　IGBT的输入特性要求其驱动电路知足以下条件:

（1）IGBT导通时提供12V——18V栅极电压;

（2）IGBT截止时提供0V——（-18V）栅极电压（为保证靠得住截止，一样为-5V）;

（3）IGBT开关刹时提供足够大的电容充放电电流;

（4）和操纵电路隔离;

（5）完成IGBT过流爱惜。

　　驱动方式

　　到目前为止，IGBT有多种驱动方式，大体上是由混合集成电路组成。

日本富士电机公司生产的厚膜集成电路如EXB840/84一、EXB850/851是专为IGBT设计的驱动模块，符合上述所有驱动条件，是理想的驱动电路模块。

HWKT—09型微机IGBT开关式励磁装置采纳了这种专用芯片。

驱动模块的原理框图如图四所示。

VCC、VEE为（±

20V供电电源，光耦PC1提供操纵电路和IGBT的隔离。

Dz为5V稳压管，在IGBT截止时提供－5V反向偏压。

当15脚到14脚有4mA电流通过时，光耦PC1导通，通过放大器G使输出三极管T1导通、T2截止，VCC通过T一、R八、IGBT的栅极G、射极E，稳压管Dz给IGBT栅极提供+15V正向偏置，IGBT导通;

当15脚到14脚无电流时，PC1不通，T1截止、T2导通，稳压管DZ上+5V电压通过IGBT的射极E、栅极G、R八、T2使IGBT栅极电压为－5V，保证其靠得住截止。

当IGBT过电流时，VCE增加，通过检测二极管D使过流爱惜动作，关闭放大器G，起到护作用。

　灭磁及转子过电压爱惜

　　该回路由高能氧化锌压敏电阻组件和专用快速直流开关为主组成。

灭磁及转子过电压爱惜原理接线图如图五所示。

图中YMR表示氧化锌压敏电阻，它是一种超级优良的非线性元件，其电压与电流关系可用下式描述:

与此相对应的伏安特性如图六所示。

能够将伏安特性划分为两个工作区域:

I是小电流区，II是大电流区，A称为转折点。

|　　由于YMR与FLQ是并联连接，当正常工作时，FLQ两头电压较低，YMR工作在小电流I区，流过它的电流较小，仅为数百微安，称为泄露电流。

它既不能消耗能量，也不阻碍被爱惜对象的工作状况。

一旦有过电压发生，氧化锌压敏电阻本身无任何延时，其响应时刻大约为100毫秒，因此，它当即过渡到大电流II区工作,使得过电压取得限制并被吸收，爱惜了发电机转子免受过电压侵袭。

　　当需要灭磁时，指令快速直流开关FMK分断，它专门快切断转子绕组与励磁电源的联系。

转子作为一个大电感，使di/dt上升，即励磁绕组两头电压急剧增加，当超过氧化锌压敏电阻件的转折电压时，YMR当即工作在II区而呈现低阻状态，转子电流从FMK转移到压敏电阻上，迅速完成换流进程。

转子能量得以通过压敏电阻释放，实现灭磁。

在灭磁进程中，YMR两头亦即转子电压几乎为一恒定值。

因此，这种灭磁方式接近于理想灭磁状态。

从FMK开断到平安建压仅需要数毫秒，而整个灭磁进程经历的时刻大约为400毫秒。

可见，这种新型的灭磁方式确实具有操作简单，灭磁速度快，开关容量大，过电压爱惜水平可控等独特优势。

3.IGBT励磁系统操纵单元

　硬件操纵电路

　　HWKT－09型微机励磁调剂器的操纵回路由主控电路、键盘显示电路、测量电路、同步电路、开关量输入电路、调宽脉冲输出电路、信号输出电路、电源等部份组成。

　　在设计HWKT－09的主控电路时，充分利用该单片机的一些独特的地方，使得如此一块小小芯片能充分、合理的操纵一套复杂的励磁系统。

运行体会说明，它功能完善、性能靠得住。

现举几例说明HWKT－09如何充分应用单片机所拥有的资源。

　　◆四通道10位模数转换器（A/D），能够十分方便地用于数据搜集系统。

在装置中，直接搜集四路模拟信号:

发电机励磁PT电压UFL、发动机仪表PT电压UFY、发电机定子电流IF及励磁电流IL。

　　◆四路高速输入通道、、、，可用以记录外部事件。

在本装置中，利用通道测量同步脉冲信号，利用通道测量功率脉冲信号。

　　◆六路高速输出通道、、、、、。

在本装置中利用这些输出通道输出IGBT器件的触发信号。

　　◆WATCHDOG功能，使得系统在故障情形下能够自动恢复正常工作。

　　◆数据通信功能，可依照用户的需要，增加与电厂监控系统的通信。

　　另外，该单片机指令系统极为丰硕，采纳寄放器-寄放器结构，增设了乘、除法指令，使编程简练方便。

另外，CPU能接收17个中断源信号，使中断系统精练适用。

一只CPU芯片几乎包括了一台运算机的所有部件。

再通过有针对性的设计，使HWKT－09系列微机励磁调剂器较国内其它厂家经常使用的八位Z80CPU、Intel8031和8086CPU等，在用于实时操纵方面，功能更强，性能更优，抗干扰性能更好，靠得住性更高。

　　由于全数采纳了入口大规模或超大规模集成电路芯片，及其它工业级器件，靠得住性取得保证。

由于硬件极为简单，给调试及保护带来极大的方便。

另外输入、输出信号通过量重全隔离，采纳了高质量的双套开关电源电路，又采取了有效的抗干扰方法和严格的制造工艺，使得本装置不仅有很高的靠得住性，而且性能优良。

　　主控电路的组成

　　由单片微机（8098）CPU、程序存储器（EPROM）、工作参数存储器（E2PROM）、石英晶体等组成。

　　键盘显示电路

　　该电路由键盘显示操纵芯片、8位数码管、数码管译码驱动芯片、16位键盘、键盘译码芯片等组成。

通过特殊按钮的开关信息和键盘中断来实现调剂器参数设置、显示切换、（10%阶跃实验等功能。

　　测量电路

　　发电机电压UFY、系统电压UFL、发电机电流IF、励磁电流IL四路模拟量经降压（或变流）整流，再经运放缓冲放大、送入单片机的A/D转换器。

通过对电压、电流相位的检测来计算功率因数角及有功、无功。

　　同步电路

　　直流励磁系统中，通过单片机内部电路产生一组同步信号，别离发送到另一套调剂器，通过逻辑判定，形成脉宽调制脉冲的同步信号。

　　开关量输入电路

　　共有八路开关量输入，均经抗干扰处置及光电隔离，再送到相应的检测芯片。

八路开关量别离是:

增加励磁接点、减少励磁接点、风机位置接点、手动接点、油开关位置接点、灭磁接点、关机接点、开机接点。

　　调剂器面板配设相应的按钮，能“当场”、“单套”调剂和模拟发电机的运行状态。

　　调宽脉冲输出电路

　　由CPU的高速输出口HSO输出单相脉宽调制矩形波，经光电隔离、功率放大输出，能够直接驱动IGBT功率器件。

矩形波上升沿小于5us，幅值约15V，瞬态输出电流500mA。

　　信号输出电路

　　共有14路信号输出，调剂器面板上有对应的14只发光二极管指示，共用4个光字牌信号输出，并可接至中央操纵室。

这14路输出信号别离是:

+12V电源、-12V电源、+5V电源、24V电源、风机故障、手动运行、油开关状态、灭磁、低频、过励、低励、PT断线、实验及开机;

其中过励限制、顶值限制、过励爱惜共用过励指示信号，另还有正组脉冲指示、反组脉冲指示。

当过励爱惜、PT断线爱惜动作，调剂器输出设备故障信号节点，同时在调剂器面板上驱动相应指示信号;

当风机故障（功率单元温度太高）、手动、灭磁、低励限制、过励限制、顶值限制等动作，调剂器输出设备异样信号，同时在调剂器面板上驱动相应指示信号;

另设正组脉冲、反组脉冲两路信号指示。

　　电源

　　电源采纳双路输入双路开关电源并联工作方式。

输入电源采纳交流220V整流后与直流220V并联，输入到两套独立的开关电源，开关电源的输出并联。

此设计方式充分考虑了设备工作的基础--供电电源的靠得住性和冗余度，为整个设备的正常工作提供坚实的基础。

输入:

DC220V±

20％;

AC220V±

10％~20％，

输出:

+5V/10A;

+12V/2A；

-12V/2A;

+24V/1A;

24V与其它三路电源电气隔离，用作开关信号输入、输出和脉冲功放电源。

　操纵软件主程序原理流程图

　　操纵软件程序包括各功能子模块程序、显示、给定调剂、开关量爱惜判定、搜集、功率计算、自动PID、手动PID、低励PID、操纵方式选择、手动跟踪自动、自动跟踪手动、PSS、恒无功等、键盘处置子程序、高速输入中断、高速输出中断等。

主程序原理流程图如图七所示。

　励磁调剂器大体功能

◆维持发电机端电压恒定

◆正负调差率能够选择

◆发电机恒励磁电流运行

◆PID及PI操纵调剂，附加PSS或EOC调剂（可选），可变参数自适应调剂及非线性最优调剂

◆强励顶值限制

◆过励反时限限制

◆低励限制

◆V/F限制

◆八位数码管十进制显示多种参量，循环或定点显示

◆励磁/仪表电压互感器断线检测及爱惜

◆全数字调剂

◆电源、硬件、软件故障信号和其它各类

故障信号输出

◆与其它自动化仪器仪表及运算机监控系统的通信接口

◆空载过压爱惜

◆零起升压可跟踪系统电压

◆正常运行时键盘封锁

◆两套完全独立的并列运行方式

◆双套电源供电，面板测量及指示

◆模块化软件结构

◆全数参数均用十进制数字显示

◆十六只薄膜键盘在线修改操纵参数

◆完备的硬、软件自诊断功能

◆开机电压自动置位，关机电压自动清零

◆状态信号显示

◆正反组脉冲输出双层隔离，面板测量及指示

◆掉电数据爱惜

　励磁操纵系统方框图

IGBT开关式自并激微机励磁操纵系统方框图如图八所示。

图中A一、A二、A3别离是操纵回路、励磁功率回路及发电机的输入输出特性。

其中UKZ是操纵环节A1的输出，它的大小和占空比KC成正比。

为了方便分析，假设:

UKZ=KC

Ugl是功率环节A2的输出（平均值）。

咱们由图二及分析知:

在IGBT开关励磁中，输入、输出及占空比的关系为:

Ugl=

由此可知，Ugl及KC是线性关系，因此系统具有专门好的线性度和稳固性，降低了操纵的复杂性。

4.终止语

　　IGBT开关式励磁调剂器成功地将新型功率复合电子器件——绝缘栅双极性晶体管IGBT运用于励磁操纵领域。

由于IGBT同时具有经受高电压、大电流和工作速度快、操纵功率低的特点，使得开关式励磁调剂器结构简单、性能价钱比大大提高。

咱们相信，随着大功率规格的IGBT的显现，以IGBT作为功率器件的开关式励磁系统将会取得加倍普遍的应用。