IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理与应用.docx

IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理与应用IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理及应用中国电器工业经济信息网添加时间：200641223:49:09进入论坛QQ书签摘要本文以HWKT09型微机励磁调节器为例，详尽地阐述了IGBT开关式自并激微机励磁系统的基本原理，并重点讨论了IGBT在开关励磁中的应用。给出了开关励磁系统中励磁装置的基本输入输出关系，为更深入地掌握与懂得该系统打下良好的基础。关键词HGBT占空比开关励磁自并激系统微机励磁调节器1 .概述HWKT-09型微机励磁调节器是武汉洪山电工技术研究所研制的新型的由IGBT作为功率输出器件的自并激微机励磁调节器。它的最大特点是结构简单，主控回路只需一块面积为25X20（cm2）的印制电路板，以Inte1公司准16位单片机（8098）为核心，加上外围接口芯片构成的操纵系统。该装置于2000年12月在我站#1、#5机上成功投运，目前运行良好。2 .IGBT自并激励磁系统的构成及主回路原理2.1 励磁系统构成及接线方式自并激励磁系统也就是直接励磁系统或者称静态励磁系统。我站的HWKT09型IGBT自并激励磁系统由励磁变压器、三相不可控整流桥及IGBT功率单元、灭磁单元、操纵单元四部分构成。交流励磁电源取自发电机端（也称机端变压器）励磁变压器，励磁变压器的付方输出经三相不可控全波整流桥整流输出的直流电压给发电机励磁绕组励磁，励磁电流的调节经串接于发电机励磁回路的IGBT以直流斩波的方式实现。IGBT如同一只电子开关，在自动励磁调节器AVR的操纵下，连续处于导通或者截止状态，以达到调节励磁电流的目的。我站#1、#5机励磁系统由操纵部分与功率部分构成。操纵部分由两台HWKT09型微机励磁调节器及各类信号输入、输出转换操纵环节构成一个励磁调节器柜（标准屏）；功率部分三相不可控全波整流桥加组IGBT开关操纵单元及相应滤波与保护回路构成功率柜（标准屏），此外系统另包含发电机灭磁柜。因此整个发电机励磁系统由机端励磁变压器、励磁调节器HWKT09、HK102功率柜、HMC02灭磁柜及其它单元构成。开关式自并激励磁系统接线方式如图一所示。2.2 功率单元的构成与原理IGBT器件结合了双极型晶体管的功率特性与场效应管操纵简单的优点，将其应用于励磁领域可使功率部分简化，也消除了SCR晶闸管可控整流方式的一些弊病。使系统的经济性与可靠性得到了提高。功率单元要紧由两部分构成:整流、滤波装置与功率开关。前者将交流励磁电源变换为直流电源后供功率开关使用，并滤除大的纹波、毛刺与均衡三相电源的负我。后者受控于调节器，调节功率开关的闭合时间即可操纵励磁电流的大小。也就是说，调整功率管的导通时间即可对发电机的励磁输入功率进行操纵。2.3 励磁调节器主回路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端。V1N为来自励磁变压器的三相交流电压，11为转子绕组，当IK闭合后，三相交流励磁电源通过D1D6三相整流及电容CI滤波，得到直流电压UE,当IK闭合IGBT导通时，二极管D7截止，UE通过绕组11、IGBT使11中电流增加；当IGBT截止时，11中电流减小，产生的感应电压使D7导通，给11续流。当IGBT导通期间，1I中的电流增加量大于在截止期间电流的减小量时，11中的平均电流增加，反之11中的平均电流减小。当增加量等于减小量时，11中的平均电流不变，达到稳固运行工作状态。2.4 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导通时间为TON,截止时间为ToFF。导通时，转子两端压降为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，我们根据发电机机端电压、转子电流或者无功负荷等因素的变化改变KC,亦即改变IGBT驱动方波的占空比，即可改变励磁绕两端的电压，从而达到调节发电机输出电压、无功的目的。2.5 IGBT的驱动条件及方法2.5.1 IGBT的输入特性要求其驱动电路满足下列条件：(1) IGBT导通时提供12V18V栅极电压；(2) IGBT截止时提供OV(-18V)栅极电压(为保证可靠截止，通常为-5V);(3) IGBT开关瞬间提供足够大的电容充放电电流；(4)与操纵电路隔离；(5)完成IGBT过流保护。2.5.2 驱动方法到目前为止，IGBT有多种驱动方法，基本上是由混合集成电路构成。日本富士电机公司生产的厚膜集成电路如EXB840/841、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。HWKT09型微机IGBT开关式励磁装置使用了这种专用芯片。驱动模块的原理框图如图四所示。VeC、VEE为(±20V供电电源，光耦PC1提供操纵电路与IGBT的隔离。DZ为5V稳压管，在IGBT截止时提供一5V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T1、R8、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，TI截止、T2导通，稳压管DZ上+5V电压通过IGBT的射极E、栅极G、R8、T2使IGBT栅极电压为一5V,保证其可靠截止。当IGBT过电流时，VCE增加，通过检测二极管D使过流保护动作，关闭放大器G,起到护作用。2.6 灭磁及转子过电压保护该回路由高能氧化锌压敏电阻组件与专用快速直流开关为主构成。灭磁及转子过电压保护原理接线图如图五所示。图中YMR表示氧化锌压敏电阻，它是一种非常优良的非线性元件，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称之转折点。由于YMR与F1Q是并联连接，当正常工作时，F1Q两端电压较低，YMR工作在小电流I区，流过它的电流较小，仅为数百微安，称之泄露电流。它既不能消耗能量，也不影响被保护对象的工作状况。一旦有过电压发生，氧化锌压敏电阻本身无任何延时，其响应时间大约为100亳秒，因此，它立即过渡到大电流II区工作,使得过电压得到限制并被汲取，保护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，它很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/d1上升，即励磁绕组两端电压急剧增加，当超过氧化锌压敏电阻件的转折电压时，YMR立即工作在II区而呈现低阻状态，转子电流从FMK转移到压敏电阻上，迅速完成换流过程。转子能量得以通过压敏电阻释放，实现灭磁。在灭磁过程中，YMR两端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开断到安全建压仅需要数毫秒，而整个灭磁过程经历的时间大约为400亳秒。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，过电压保护水平可控等特殊优点。3.1 GBT励磁系统操纵单元3.1 硬件操纵电路HWKT-09型微机励磁调节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、电源等部分构成。在设计HWKT-09的主控电路时，充分利用该单片机的一些特殊之处，使得这样一块小小芯片能充分、合理的操纵一套复杂的励磁系统。运行经验说明，它功能完善、性能可靠。现举几例说明HWKT-09如何充分应用单片机所拥有的资源。3.1.1 0位模数转换器（A/D）,能够十分方便地用于数据采集系统。在装置中，直接采集四路模拟信号:发电机励磁PT电压UF1、发动机仪表PT电压UFY、发电机定子电流IF及励磁电流I1o3.1.2 输入通道HS10、HS11、HS12、HSI.3,可用以记录外部事件。在本装置中，利用HS11通道测量同步脉冲信号，利用HS1O通道测量功率脉冲信号。3.1.3 输出通道HSO.0、HSo.1、HSO.2、HSO.3、HSo.4、HSe）.5。在本装置中利用这些输出通道输出IGBT器件的触发信号。3.1.4 WATCHDOG功能，使得系统在故障情况下能够自动恢复正常工作。3.1.5 功能，可根据用户的需要，增加与电厂监控系统的通讯。另外，该单片机指令系统极其丰富，使用寄存器-寄存器结构，增设了乘、除法指令，使编程简洁方便。另外，CPU能接收17个中断源信号，使中断系统简练适用。一只CPU芯片几乎包含了一台计算机的所有部件。再通过有针对性的设计，使HWKT-09系列微机励磁调节器较国内其它厂家常用的八位Z80CPU、Inte18031与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，可靠性更高。由于全部使用了进口大规模或者超大规模集成电路芯片，及其它工业级器件，可靠性得到保证。由于硬件极其简单，给调试及保护带来极大的方便。另外输入、输出信号通过多重全隔离，使用了高质量的双套开关电源电路，又采取了有效的抗干扰措施与严格的制造工艺，使得本装置不仅有很高的可靠性，而且性能优良。3.1.6 主控电路的构成由单片微机（8098）CPU、程序存储器（EPRoM）、工作参数存储器（E2PR0M）、石英晶体等构成。3.1.7 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、键盘译码芯片等构成。通过特殊按钮的开关信息与键盘中断来实现调节器参数设置、显示切换、（10%阶跃试验等功能。3.1.8 测量电路发电机电压UFY、系统电压UF1、发电机电流IF、励磁电流I1四路模拟量经降压（或者变流）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。3.1.9 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，分别发送到另一套调节器，通过逻辑推断，形成脉宽调制脉冲的同步信号。3.1.10 关量输入电路共有八路开关量输入，均经抗干扰处理及光电隔离，再送到相应的检测芯片。八路开关量分别是: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。调节器面板配设相应的按钮，能“就地”、“单套”调节与模拟发电机的运行状态。3.1.11 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。3.1.12 号输出电路共有14路信号输出，调节器面板上有对应的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路输出信号分别是:+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、试验及开机;其中过励限制、顶值限制、过励保护共用过励指示信号，另还有正组脉冲指示、反组脉冲指示。当过励保护、PT断线保护动作，调节器输出设备故障信号节点，同时在调节器面板上驱动相应指示信号；当风机故障（功率单元温度过高）、手动、灭磁、低励限制、过励限制、顶值限制等动作，调节器输出设备特殊信号，同时在调节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。3.1.13 源电源使用双路输入双路开关电源并联工作方式。输入电源使用交流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-供电电源的可靠性与冗余度，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，