IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理及应用的论文

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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。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。igbt的驱动条件及方法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12v18v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。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。hwkt09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。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励磁系统控制单元硬件控制电路hwkt09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hwkt09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hwkt09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、，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hwkt09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。 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。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，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。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。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。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。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: dc220v20; ac220v1020，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。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。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 = kcugl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=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