IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理及应用

本文以HWKT—09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，为更深入地掌握和理解该系统打下良好的基础。

[关键词]IGBT 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25×20(cm2)的印制电路板，以Intel公司准16位单片机（8098）为核心，加上外围接口芯片组成的控制系统。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自并激励磁系统的组成及主回路原理
　2.1 励磁系统组成及接线方式
　　自并激励磁系统也就是直接励磁系统或称静态励磁系统。我站的HWKT—09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、控制单元四部分组成。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的控制下，连续处于导通或截止状态，以达到调节励磁电流的目的。
　　我站#1、#5机励磁系统由控制部分和功率部分构成。控制部分由两台HWKT－09型微机励磁调节器及各种信号输入、输出转换控制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一组IGBT开关控制单元及相应滤波和保护回路构成功率柜（标准屏），此外系统另包括发电机灭磁柜。
　因此整个发电机励磁系统由机端励磁变压器、励磁调节器HWKT－09、HKL－02功率柜、HMC－02灭磁柜及其它单元组成。
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控制简单的优点，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。使系统的经济性和可靠性得到了提高。
　　功率单元主要由两部分组成: 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使用，并滤除大的纹波、毛刺和均衡三相电源的负载。后者受控于调节器，调节功率开关的闭合时间即可控制励磁电流的大小。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控制。

　 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。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，得到直流电压UE，当1K闭合IGBT导通时，二极管D7截止，UE通过绕组L1、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，达到稳定运行工作状态。

　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（为保证可靠截止，一般为-5V）;
（3）IGBT开关瞬间提供足够大的电容充放电电流;
（4）和控制电路隔离;
（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组成。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。HWKT—09型微机IGBT开关式励磁装置采用了这种专用芯片。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提供控制电路和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，T1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－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和专用快速直流开关为主组成。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。可以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，称为泄露电流。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毫秒，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吸收，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/dt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，过电压保护水平可控等独特优点。

3. IGBT励磁系统控制单元
　3.1 硬件控制电路
　　HWKT－09型微机励磁调节器的控制回路由主控电路、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之处，使得这样一块小小芯片能充分、合理的控制一套复杂的励磁系统。运行经验表明，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。
　　◆四通道10位模数转换器(A/D)，可以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HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3，可用以记录外部事件。在本装置中，利用HSI.1通道测量同步脉冲信号，利用HSI.0通道测量功率脉冲信号。
　　◆六路高速输出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。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，使得系统在故障情况下能够自动恢复正常工作。
　　◆数据通讯功能，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，采用寄存器-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。再经过有针对性的设计，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、Intel8031以及8086CPU等，在用于实时控制方面，功能更强，性能更优，抗干扰性能更好，可靠性更高。
　　由于全部采用了进口大规模或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，给调试及维护带来极大的方便。另外输入、输出信号经过多重全隔离，采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以及严格的制造工艺，使得本装置不仅有很高的可靠性，而且性能优良。
　　3.1.1 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。
　　3.1.2 键盘显示电路
　　该电路由键盘显示控制芯片、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节器参数设置、显示切换、(10%阶跃试验等功能。
　　3.1.3 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。
　　3.1.4 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，经过逻辑判断，形成脉宽调制脉冲的同步信号。
　　3.1.5 开关量输入电路
　　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”调节以及模拟发电机的运行状态。
　　3.1.6 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，可以直接驱动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。
　　3.1.7 信号输出电路
　　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，并可接至中央控制室。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，调节器输出设备异常信号，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。
　　3.1.8 电源
　　电源采用双路输入双路开关电源并联工作方式。输入电源采用交流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。

　 3.2 控制软件主程序原理流程图
　　控制软件程序包含各功能子模块程序、显示、给定调节、开关量保护判断、采集、功率计算、自动PID、手动PID、低励PID、控制方式选择、手动跟踪自动、自动跟踪手动、PSS、恒无功等、键盘处理子程序、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。

　 3.3 励磁调节器基本功能

◆保持发电机端电压恒定
◆正负调差率可以选择
◆发电机恒励磁电流运行
◆ PID及PI控制调节，附加PSS或EOC调节（可选），可变参数自适应调节及非线性最优调节
◆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保护
◆全数字调节
◆电源、硬件、软件故障信号以及其它各种

故障信号输出
◆与其它自动化仪器仪表及计算机监控系统的通信接口
◆空载过压保护
◆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
◆全部参数均用十进制数字显示
◆十六只薄膜键盘在线修改控制参数
◆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
◆掉电数据保护

　 3.4 励磁控制系统方框图
IGBT开关式自并激微机励磁控制系统方框图如图八所示。

图中A1、A2、A3分别是控制回路、励磁功率回路及发电机的输入输出特性。其中UKZ是控制环节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）。我们由图二及分析知: 在IGBT开关励磁中，输入、输出及占空比的关系为:
Ugl=1.35UINKC
由此可知，Ugl及KC是线性关系，因而系统具有很好的线性度和稳定性，降低了控制的复杂性。

4. 结束语
　　IGBT开关式励磁调节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运用于励磁控制领域。由于IGBT同时具备承受高电压、大电流和工作速度快、控制功率低的特点，使得开关式励磁调节器结构简单、性能价格比大大提高。我们相信，随着大功率规格的IGBT的出现，以IGBT作为功率器件的开关式励磁系统将会得到更加广泛的应用。

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