（电力电子与电力传动专业论文）同步发电机开关式自并励励磁系统研究.pdf

a b s t r a c t b a s e do nm o d e me x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp r o n et oh i g h s t a b i f i t ya n dc o m p u t e rc o n t r o l ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e so ns w i t c h i n gm o d es e l f - e x c i t e d e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 am a d eb yt ii s o u rd i g i t a le x c i t a t i o nc o n t r o lc h i p a c c o r d i n gt o t h e o r ya n a l y s i sa n d i n t e r r e l a t e d l i t e r a t u r e ，t h i st h e s i sd e s i g n sm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o l s y s t e m ，g i v e st h et h e o r yb a s i so nc o m p o n e n tp a r a m e t e r i td e s i g n st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fe x c i t a t i o nr e g n l a t o f t h i st h e s i sa n a l y z e sw o r kp r i n c i p i u mo fs w i t c h i n gm o d ee x c i t a t i o ns y s t e ma n d a n a l y z e si t sm e r i tc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o ne x c i t a t i o ns y s t e m m a i nl o o po fs w i t c h i n g m o d ee x c i t a t i o ni sd e s i g n e d ，t h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r sa r ec h o s e na n ds i m u l a t i o ni s d o n et oa n a l y z ei t sc o r r e c t n e s s p r o t e c t i o na n dd r i v ec i r c u i to fi g b t , d e m a g n e t i z a t i o n l o o p a r ei n v e s t i g a t e d i t d e s i g n sh a r d w a r ec o n t r o l c i r c u i to f e x c i t a t i o nr e g u l a t o r , i n c l u d i n gi n p u ta n do u t p u ta d j u s t o rc i r c u i t ，丘e q u e n c yd e t e c t i o nc i r c u i t ，k e y b o a r da n d l c di n t e r f a c ec i r c u i t ，s c ic i r c u i te t c t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e du n d e rt h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fc c s 2 0 ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) p m d u c o db yt ic o m p a n y i ti sf u n c t i o n a la n db l o c k i n g b e c a u s eo f b l o c k i n gd e s i g n ，s o f t w a r eo fe x c i t a t i o nr e g u l a t o ri se a s yt od e b u ga n du p g r a d e t h i st h e s i sf o u n d ss i n g l e - m a c h i n e i n f i n i t e b u si n c l u d i n ge x c i t a t i o ns y s t e m t w o c o n t r o lm o d e sa r es i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t st h ei n d i c a t i o n ：l i n e a r i t yo p t i m i z e c o n t r o l l e ri sb e t t e ro nc o n t r o le f f e c tt h a nt h eo t h e r g r e yp r e d i c t i o ne x c i t a t i o nc o n t r o l s y s t e mh a sb e e nm o l d e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e na d d e dt ot h et r a d i t i o n a l e x c i t a t i o ns y s t e mf u rs y n c h r o n o u sg a n e r a t o r , e v e nw i t hp s si n s t a l l e d , t h ep r o p o s e dg r e y p r e d i c t i o nc o n t r o lc a no b v i o u s l yi m p r o v et h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mu n d e rs m a l lo r $ o v 盱ed i s t u r b a n c l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev a l u a b l er e f e r e n c ei n f o r m a t i o n a p p l i c a t i o nt oe x c i t a t i o nc o n t r 0 1 k e yw o r d ss y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , s w i t c h i n g m o d ee x c i t a t i o nc o n t r o l ，d s p , m a t l a b ，g r e yp r e d i c t i o n 1 绪论 1 1 同步发电机励磁系统的主要任务 同步发电机励磁系统作为同步发电机组的一个重要组成部分，它通常由励磁 功率单元和励磁调节单元两部分构成，通过励磁系统中的励磁调节器对励磁功率 单元进行控制，达到调节发电机励磁电流的效果。励磁调节系统应能够满足系统 在正常和事故情况下的调节需要，其主要任务为i l _ 2 j ： ( 1 ) 维持发电机的端电压恒定或给定值发电机在正常工作情况下，负载总在 不断地变化着。而不同容量的负载以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁 控制磁场的反应作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。要 维持同步发电机端电压为一稳定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时 调节同步发电机的励磁电流。 ( 2 ) 合理分配并联运行发电机间的无功功率。并联运行的多台发电机，为了保 证系统的电压质量和无功潮流合理分布，要求能够合理控制电力系统中并联运行 发电机输出的无功功率。 ( 3 ) 提高电力系统的静态和暂态稳定性。励磁系统对于提高电力系统的静态稳 定性的作用是非常明显的。励磁系统对于提高电力系统的暂态稳定性主要表现在 快速励磁和强行励磁的作用上。随着继电保护和开关动作速度的提高，具有快速 响应特性的励磁系统能很快恢复强励能力，迅速提高机端电压，从而提高了系统 的暂态稳定性。 ( 4 ) 提高继电保护装景动作的准确性。当系统处于低负荷运行状态时，发电机 的励磁电流不大。若系统此时发生短路故障，短路电流较小，且随时间衰减，以 致带时限继电保护不能正常动作。励磁控制系统可以通过调节发电机励磁电流来 增大短路电流，使继电保护正确动作 1 2 同步发电机励磁系统的类型及其调节装置的发展过程 同步发电机励磁方式根据励磁电源的不同分为：直流励磁机、交流励磁机和 静止励磁机方式。直流励磁机方式有自励式和它励式两种，它用具用整流子的直 流发电机作为励磁电源。一般该励磁机与同步发电机同轴，一起由原动机带动旋 转。因而励磁功率独立于交流电网，不受电力系统中非正常运行状况的影响。交 流励磁机方式主要有自励交流励磁机方式和它励交流励磁机方式。它是用交流励 磁机取代直流励磁机，经半导体可控硅整流后供给发电机励磁。同样它的励磁电 源也独立，发电机的励磁也不受电力系统运行情况变化的影响；但由于交流励磁 机的电枢反应压降相对直流励磁机大些，在发电机近端短路故障时可能会造成强 励能力的不足。 静止励磁方式用接于发电机出口或厂用母线上的变压器作为交流励磁电源， 经半导体整流后供给发电机励磁绕组。静止励磁系统直接对转子励磁，其显著特 点是具有高起始励磁电压响应速度，易于实现高起始响应比。该系统中取消了励 磁机，具有结构简单、造价低及能减少轴系统振动等优点，在可靠性方面明显优 予交流励磁机系统励磁系统如果只用一个电压源，则称为自并励方式；如果还 有电流源构成复合电源，则该励磁系统称为自复励方式。 七十年代以来，大型水轮发电机机组采用自并励励磁系统在国外已成为趋势， 美国、加拿大新装的大型水轮发电机组基本上都是采用这种方式。巴拉圭一巴西 的伊泰普水电站，1 8 台7 3 7 8 2 4 m w 水轮发电机的励磁系统全部采用有正、反向 励磁电流的自并励方式。在我国，大型水轮发电机和调相机，如白山电厂的3 0 0 m w 发电机，龙羊峡电厂6 0 0 w m 发电机组上也都采用了这种励磁方式。 我国数字式励磁调节器的开发始于二十世纪八十年代初，些电力科研单位 和高校开始研制数字式励磁调节器 3 1 。较早的当数电力部南京自动化研究所( 现国 家电力公司南京自动化研究院1 ，其是国内最大的励磁系统装置的研究单位，于 1 9 8 4 年研制了适用于大中型发电机的w l t - 1 型励磁调节装置。机械部广州电器科 学研究所开发研制的i ：r w _ 3 0 0 0 型微机励磁调节器，由s t d 工业控制微机，i 0 接 口电路，电压、电流测量电路等组成。调节器的核心部件是s t d 工业控制微机。 采用美国普洛公司的产品s t ds y s t e m 2 工业控制微机。 武汉洪山电工技术研究所研制开发的h w j t 型单片机数字式励磁调节器于 1 9 9 3 年在邯郸电厂投入运行，它推出了h w j t - 0 8 d 型选用单片机8 0 c 1 9 6 及可编 程外围芯片为主的机型能实现多种调节和控制功能并在大型电厂中得以应用。目 前，武汉市洪山电工技术研究所及南京自动化研究院等单位都在研制i g b t 发电机 励磁系统，并且已有功率i g b t 开关励磁装置( 主要是直流励磁机式的系统) 在现场 运行 总的来说，对于数字式励磁调节器其硬件结构有多种形式，如有单片机结构、 工控机结构、可编程控制器结构以及数字信号处理器结构等它们实现的功能大 致相同，同时又有各自的优缺点。工控机结构的调节器其各类功能板卡( 如c p u 板、! o 板、a d 板等) 都是标准化的，用户只须根据需要选择板卡的品种和数量， 然后将它们通过总线连在一起即可构成相应的励磁调节器实体。它的开发时间相 对较短，但相对于单片机结构，其体积较大、成本较高而单片机c p u 性能的好 坏也会直接影响其励磁控制效果的好坏，一些好的算法由于处理速度较慢难于实 现，同时外围电路的增加，给设计和调试带来了很多不便，其可靠性也受到影响p j 。 所以提高微处理器速度和集成外围设备是解决以上问题的根本途径。1 1 公司的 2 0 0 0 系列信号微处理器d s p 是专门为电机控制设计的，其强大的数字信号处理能 力、集成的大量片内外设以及较强的网络互连能力等都为提高励磁调节器的调节 性能提供可能。 1 3 开关式励磁系统的研究意义 同步发电机直流励磁机励磁系统逐步由复式励磁发展到相位复式励磁、快速 相位复式励磁和开关式励磁方式。所谓的开关式励磁方式是将相当于电子开关的 元件串入直流励磁机的磁场回路内，通过改变电子开关的导通时间与关断时间的 比例，来控制磁场电流的大小。目前多应用在中、小型发电机组。开关式励磁方式 中，最早是采用s c r 构成电子开关，但由于s c r 的关断电路复杂，逐步为g t r 元件取代。又由于g t r 是电流控制元件，对控制功率要求十分严格，因而发展也 受到限制。 如今随着电力电子技术的发展，i g b t 作为第三、四代电力电子器件的典型元 件，其性能和特点在励磁系统的功率交换器件中已展现它的优势。与传统的可控 励磁相比，功率环节良好的线性度和简单的控制方式等都有明显的优势。而且目 前，在美国、日本等国家，i g b t 产品已系列化，电流最高可达4 0 0 0 a ，电压等级 最高可达4 0 0 0 v ，工作频率可以达到1 0 0 k h z ，通态压降只有1 6 v 一1 8 v ，使i g b t 电力电子器件在励磁系统中的应用得以推广【4 叫，并为开发大容量发电机机组的 i g b t 励磁装置提供可0 9 本文基于i g b t 的开关式自并励励磁主回路和以d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 f 为核心 的高性能励磁调节器组成的同步发电机励磁系统，不仅很好地解决了可控硅励磁 驱动及控制电路复杂，驱动功率大等缺点，而且还利用了d s p 强大的运算功能及 丰富的内部资源，使得整个励磁系统具有可靠性高、技术先进、性价比高等优点， 使其有着非常广阔的发展前景。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 对i g b t 开关式自并励励磁系统的工作原理进行了分析，并与传统可控硅 励磁系统进行比较，分析了该励磁系统的优点 ( 2 ) 针对小型同步发电机，完成i g b t 开关式自并励励磁系统的主回路和元件 - 3 郑州大学工学硕士论文 保护方面的设计，给出各元件参数选择的方法。 ( 3 ) 对系统的控制电路进行硬件的设计、调试。编制控制软件，完成了部分调 试工作。 ( 4 ) 利用m a t l a b 的电力系统工具箱建立了含有励磁系统模型的单机无穷大 仿真模型，对p i d + p s s 及线性最优励磁控制器进行了机端给定电压调整和三相短 路的仿真试验，并对结果进行分析。 ( 5 ) 对引入灰色预测的同步发电机励磁系统进行了仿真研究，结果表明：同步 发电机励磁系统中引入灰色预测可明显改善系统的稳定性 ( 6 ) 给出了同步发电机开关式自并励励磁系统动态过程的详细仿真曲线 2 开关式自并励励磁系统总体方案设计 开关式自并励励磁系统主要由功率部分和控制部分组成。功率部分包括起励、 灭磁及功率单元等励磁电压通过励磁变压器取自发电机的机端电压，经二极管 三相不可控整流桥整流成直流电压，然后通过串接在励磁回路的i g b t 开关器件来 实现对其的调节。控制部分为基于d s p 的数字式励磁调节器。系统总体结构图如 下： 图2 1 励磁系统结构图 f i g 2 1 h a r d w a r es t r u c t u r e d i a g r a m o f e x c i t a t i o ns y s t e m 本论文的励磁控制系统主要实现功能是在同步发电机单机运行时，实现发电 机的机端电压稳定，并网运行时，实现发电机恒功率因数运行励磁调节器以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为运算控制核心，通过模拟量检测单元，得到发电机的相关信息， 如机端的三相电压、三相电流等；通过开关量输入单元得到系统的相关开关量如 发电机的开停机，灭磁开关等一些开关量状态。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对这些采集到 的模拟量及开关量进行相应计算和判断后，输出开关量或由其内部的事件管理器 模块发出控制i g b t 开断的驱动脉冲。这些脉冲信号不能直接去触发i g b t ，必须 经过隔离和适当的放大。励磁调节器通过改变驱动脉冲的占空比改变i g b t 的导通 和关断时间，来控制励磁电压的大小，进而控制发电机励磁电流。另外，运行维 护人员还可通过键盘输入控制命令及调整励磁控制参数；通过l c d 实时观察机组 的运行状态及调整结果。 2 1 系统主回路的分析 本论文的励磁控制系统针对小型同步发电机的特点，考虑到各种整流电路作 为励磁控制系统主回路的优缺点，为进一步简化控制电路、提高整个励磁系统的 可靠性，我们在借鉴传统的自并励励磁系统主回路的基础i 卜1 0 】上设诗7i g b t 开关 式自并励励磁系统的主回路。 i g b t 开关式自并励励磁系统中的整流装置采用三相桥式不可控整流电路，这 种电路与传统桥式可控硅整流电路【1 1 啪比，有以下优点： ( 1 ) 控制原理、控制信号电路及驱动电路简单 从主回路上看，可控硅励磁需要6 个大功率可控器件及6 个相应的控制信号； 而i g b t 励磁只需1 个大功率器件及1 个控制信号，从原理分析及实际运行和维护 都相对容易。驱动电路i g b t 所需电源功率也比可控硅小的多，而且也比较容易做 到高耐压 ( 2 ) 整流二极管承受的电压低，可降低励磁变压器的容量 在同样条件下，i g b t 开关励磁所用的励磁变压器容量比可控硅励磁下降3 0 。 ( 3 ) 提高整流装置的功率因数 除了强励时，两类励磁装置的功率因数相同，其余情况下，i g b t 励磁装置均 比可控硅励磁装置的功率因数高在输出同样有功功率的情况下，一个装置的功 率因数低，说明它内部能量交换就大，这样它的发热就大，这也不利于装置的运 行同时这些能量流经的元件就要选择较大的规格，消耗了较大的成本 ( 4 ) 降低励磁回路的过电压水平 在可控硅励磁中，由于可控硅的换相而形成尖峰过电压很高，常可达到阳极 电压峰值的1 5 倍以上，这种高频过电压经常造成与转子相连的设备击穿或损坏 而开关式励磁系统的励磁变压器副边整流桥输出端接有大电容使i g b t 开关过程 中产生的过电压大为降低，不会影响接于励磁变压器副边的有关设备的绝缘安全 2 2 系统控制电路的分析 随着电力系统的发展，对电力系统运行的稳定性以及机组运行的可靠性提出 - 6 同步发电机开关式自并劢劢磁系统研究 了更高的要求，迫切需要性能优良、功能强大、可靠性高的励磁调节器，以满足 电力系统稳定及综合自动化的要求。同时电站监控系统的普及，对励磁调节器的 自动化程度、通讯组网能力和系统扩展性也提出了更高的要求。控制电路贯彻系 统的控制策略并且实现系统预定的性能指标，因此控制电路的设计是论文工作的 又一主要组成部分。低价格高性能的数字信号处理器( d s p ) 集成了高性能的c p u 内核和丰富的片内外设为数字电机控制提供了一种理想的解决方案。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 r i 公司的2 0 0 0 系列用于电机控制的d s p 芯片，具有以 下显著特点【1 2 1 ： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的 功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制 器的实时控制能力。 ( 2 ) 集成了串行通讯接1 3 ( s c i ) ，使之能够与系统中的其它控制器进行异步通 信。 ( 3 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括；1 6 个通用定时器；8 个1 6 位脉宽调制通道( p w m ) ( 4 ) 高性能1 0 位数模转换器的转换时问为5 0 0 n s ，提供了1 6 路的模拟输入， 并具有灵活的通道转换排序功能。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有运算速度快、数据处理能力强和资源丰富等其它单 片机无可比拟的特点，本系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为励磁调节器的主控芯片。 3 开关式自并励励磁系统的硬件设计 3 1 系统主回路的设计 开关式自并励励磁系统功率主回路原理图如图3 1 所示。 f m k 一 ”睹。： * 本m 们z2阱j 拉ic 2 - i - r 1、 _ l 二丰 爿t 二 c 1 zji 睨j 图3 1 开关式自并励励磁系统功率部分原理图 f i g 3 1m a i nc i r c u i to fs w i t c h i n gm o d es e l f - e x c t i a t t i o ne x c i t a t i o ns y s t e mp o w e rs c h e m a t i cd i a g r a m i g b t 作为一只电子开关，串接在发电机励磁回路中。励磁变压器原边取自发 电机机端电压，u 为发电机转子绕组，电感量为l ，d 1 d 6 构成三相不可控整流 桥，经电容滤波后向发电机转子绕组提供直流电压u 。 当i g b t 导通对，续流二极管d 截止，转子电流经转子绕组、i g b t 而增大 当i g b t 截止时，转子绕组l f 中的电流将减小u 中产生感应电压使续流二极管 d 导通，给转子h 续流，来维持转子绕组的励磁电流当增大量等于减少量时， l f 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： 设三相不可控整流桥整流滤波后的直流电压为u 。，i g b t 导通时间为i k ，截 止时问为1 饷导通时，转子两端压降为u 。，截止时，转子电压等于续流二极管 压降，忽略为零则转子电压的平均值： 巩一x 若磅 ( 3 1 ) 占空比r c ： 即： 励磁电流的平均值： 一焘 l 一鲁一半 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中r 为转子回路的直流电阻。 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k 。，亦即改变i g b t 驱动方波的占空比，即可改变励磁绕组两端的电压，从而 达到调节发电机输电电压、无功的目的 3 1 1 绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 驱动与保护 ( 1 ) i g b t 的基本特性 i g b t 的简化模型图及图形符号如图3 2 和图3 3 所示【1 3 】大功率器件i g b t 是在功率m o s f e t 基础上增加了一个p 层发射极构成，为四层结构，是一种场控 型器件。它的开通和关断由栅极和发射极问电压决定，当栅射电压、，o e 为正且 大于开启电压。时，m o s f e t 内形成沟道并为p n p 晶体管提供基极电流进而 使i g b t 导通。当栅极间不加反向电压时，m o s f e t 内的沟道消失，p n p 晶体管 的基极电流被切断，i g b t 即关闭。它是综合了m o s f e t 的高输入阻抗和g t r 的 通态压降低两方面优点的复合型器件i g b t 作为一种新型自关断器件，具有高的 输入阻抗、导通压降低、热稳定性好、驱动功率小以及控制简单等特点。 e n p n 晶体t c 图3 2 简化模型图 f i g 3 2s i m p l i f i e dm o d e lc h a r t g 。一 图3 3 l g f r 图形符号 f i g 3 3 i g b tf i g u r es i g n ( 2 ) i g b t 的驱动与保护 栅极的正偏压+ 、负偏压、栅极电阻r 。的大小、驱动波形以及驱动功 率等对i g b t 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及d 、k ，d t 等参 数都有不同程度的影响，下面分别讨论各驱动参数的选择： 1 ) 栅极正偏压+ k 栅极驱动电路提供给i g b t 的正偏压+ v o e 使i g b t 导通。当+ v o b 增加时，通 态电压p 石呈下降趋。此外，栅极电压+ v 矗对开通时间和开通损耗也有很大影响， 当+ v o e 增加时，会使开通时间缩短，因而开通损耗减少。+ 、，o 毫的增加对减少通态 电压和开通损耗有利，但是+ 、，o e 并不能随意增加，+ 、增加到一定程度后，对 i g b t 的负载短路能力以及d v 岛d t 都有不利影响因此，在实际应用中，i g b t 的栅极正向驱动电压+ v g 。的取值要适当，通常推荐使用+ 1 5 v 较好 2 ) 栅极负偏电压v 矗 负偏电压是很重要的栅极驱动条件，它直接影响i g b t 的可靠运行当i g b t 关断时，过高的d v 二，d t 会产生较大的位移电流使栅极一发射极问的电压上升，并 超过i g b t 的栅极阀值电压。于是产生一个较大的集电极脉冲浪涌电流，过大的集 电极浪涌电流会使i g b t 发生不可控的擎住现象。为了避免i g b t 发生这种误触发， 可在栅极加反向偏置电压负偏电压的大小对关断损耗的影响不大，负偏电压应 为- s v 或更低些为好 3 ) 栅极电阻r 。 为改善栅极控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小集电极电流上升率 d i 。d t ，需要在栅极回路中串联电阻r 。栅极电阻r 。的取值要适当，从减少电流 上升率、防止器件损坏方面考虑，r 。选的大一些好，但是r o 增大会使i g b t 的开 。tk土。 同步发电机开关式自并励励磁系统研冗 关时间增加，进而使开关损耗增加。因此，应根据i g b t 的电流容量和电压额定值 及开关频率的不同，选择合适的r 。阻值，般应选r 。在十几欧至几十欧之间。 驱动波形 从减少损耗角度方面考虑，栅极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭， 前沿很陡的栅极电压使i g b t 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通 损耗。同理，在i g b t 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减少了关断 损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通与关断在电路中产生频率高、 幅值大且脉宽很窄的尖峰电压l d i d t ，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能 回造成i g b t 或其他元件被过电压击穿而损坏。所以，在选择驱动波形的上升和下 降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及d u d t 吸收电路性能综合考虑。 ( 一) 驱动设计 i g b t 的驱动电路要与电路隔离，按隔离方式可分为两类：一类用光耦进行隔 离，另一类用变压器隔离 驱动方式一般有以下三种： ( 1 ) 采用脉冲变压器隔离驱动i g b t ； ( 2 ) 采用光电耦合及c m o s 器件驱动i g b t ； ( 3 ) 采用专用混合集成驱动电路。 前两种驱动电路虽然经济适用，但要做到性能好，功能全时，电路较复杂， 可靠性不高目前，多采用专用的混合集成驱动器常用的有三菱公司的m 5 7 9 系列和富士公司的e x b 系列。 e x b 系列专用驱动电路具有以下特点f 1 4 _ 明： 、 ( 1 ) 信号隔离电路：内部集成的光耦合器可隔离交流2 5 0 0 v 的信号，故能用在 以i g b t 为主开关器件的3 8 0 v 的动力设备上 ( 2 ) 过电流保护功能：能按驱动信号与集电极电压之间的关系检测过电流，内 置的过电流保护功能使得i g b t 能够更加安全地工作，并且具有过电流检测输出信 号。 ( 3 ) 低速过电流切断电路：当流过i g b t 的电流超过设定值时，低速过电流切 断电路可慢速关断i g b t ，以防止过快地切断过电流时因电路中电感的存在而在集 电极上产生较高的电压尖脉冲，以至损坏i g b t ( 4 ) 电源电路可以由一个外部2 0 v 直流供电电压产生+ 1 5 v 的+ v g e 和- 5 v 的 、，0 e ，以保证i g b t 可靠的导通和关断 ( 5 ) 单列直插式封装使得其具有高密度的安装方式 e x b 驱动芯片是通过检测i g b t 在导通过程中的饱和压降、，岛来实施对i g b t 的过电流保护的，对i g b t 的过电流处理完全由驱动芯片自身完成。对i g b t 过电 流保护的处理采用了软关断方式，因此主电路的d v d t 比硬关断时小了许多，这对 i g b t 的使用较为有利。同时，e x b 驱动芯片内集成了功率放大电路，这在一定程 度上提高了驱动电路的抗干扰能力。经过分析，本课题决定采用由富士公司的 e x b 8 4 1 的驱动模块。该系列模块是一种集驱动，保护等功能于一体的复合集成电 路。e x b 8 4 1 的内部功能方框图及管脚功能如图3 4 和表3 1 所示 图3 4e x b 8 4 1 内部功能图 h g 3 4 e x b 8 4 1i n s i d ef u n c t i o nc h a r t 表3 1e x b 8 4 1 管脚功能表 ，r 曲3 1p i nf u n c t i o nt a b l eo fe x b 8 4 1 端子编号 适用 l用于反向偏置电源的平滑电容连接端子 2 电源端子( + 2 0 v ) 3 驱动输出端子 4防止过电流保护电路误动作的电容连接靖子( 一艘无需外接电容) 5 防止过电流检测输出靖子 6基电极电压监视端子 续表3 1 端子编号适用 7 、8不连接 9 电源端子( o v ) 1 0 ，l l 不连接 1 4 驱动信号输入端子( ) 1 5驱动信号输入靖子( + ) e x b 8 4 1 应用电路及应用注意事项： 怵1 2 w 图3 5 e x b 8 4 1 典型应用电路 f i g 3 5 e x b 8 4 1t y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i t 应用电路中的电容c 1 和c 2 取值相同，在此取值为4 7 # f ，该电容用来吸收由 电源接线阻抗变化而引起的电源电压波动，它不是电源滤波器电容。 使用e x b 系列专用驱动电路时应注意以下几点： ( 1 ) 驱动电路与i g b t 栅射极接线长度应小于1 米，且应使用双绞线，以提高 抗干扰能力 郑州大学工学硕t 论文 ( 2 ) 如果发现i g b t 集电极上产生较大的电压尖脉冲，应增加i g b t 栅极串接 电阻心的阻值 ( 3 ) 光电耦合器抗干扰能力差，应采用尽可能低阻的脉冲源驱动e x b 8 4 1 输入 端。 ( = ) i g b t 模块选择 1 ) 集电极一发射极电压v 矗 由于i g b t 要承受关断时的浪涌电压，根据实际应用中的试验数据，考虑 到交流电压整流后的脉动，通常根据下式选择i g b t 的电压等级： p 石一2 x 匕 ( 3 5 ) 2 ) 集电极电流i 。 考虑强励和功率容量，按下式进行选择： n k l ( 3 6 ) 式中功率裕量，通常取2 ； k 强励倍数，通常取2 ； ，：。额定励磁电流。 3 ) 结温已 i g b t 的最高结温为1 5 0 摄氏度。通常采用加装散热片进行散热。 ( 三) i g b t 缓冲电路【1 “1 7 l 本论文采用的缓冲电路见图3 1 。其主要作用是消除在i g b t 开关状态转换时 产生的过电压，利用缓冲二极管增加缓冲电阻，避开i g b t 开通时功能受限制。 ( 1 ) 缓冲电容须具有的电容量 t r 2 l 1 - c 。丽0 ( 3 7 ) 式中l 主电路的分布电感； 厶i g b t 关断时的集电极电流； p 石缓冲电容电压的最终值； 整流后直流电压 缓冲电容选用高频性能优良的薄膜电容 ( 2 ) 缓冲电阻阻值 根据i g b t 开通动作时，能将缓冲电容上9 0 的积聚电荷放电来求出缓冲电阻 值： 玛赢 o 8 ) 式中，i g b t 设计频率。 缓冲电阻产生的损耗为： p 。l l o z _ _ _ _ l f + 旦篁 ( 3 9 ) 22 ( 3 ) 缓冲二极管的选择 缓冲二极管的一般选择正向压降低，反向恢复时间短，反向恢复特性较软的 快恢复二极管。 3 1 2 励磁变压器的选型设计 同步发电机输出交流电流中的一小部分，经励磁变压器降压和不可控整流装 置整流滤波后，再通过i g b t 开关器件的导通与关断进行励磁电流调节。一般地， 同步发电机的励磁电压较机端电压低的多，所以自并励励磁系统中要设置了励磁 变压器进行降压，设置励磁变压器的主要作用如下： ( 1 ) 使i g b t 工作时的脉宽适当，控制较为稳定： ( 2 ) 可以降低整流元件的电压等级； ( 3 ) 使整流回路、控制回路和励磁绕组三者都与发电机机端相隔离，降低了回 路对绝缘的要求，有利于安全运行并减少日常维护工作。 励磁变压器的设计【1 s l ，关键在于合理地选取强励倍数。强励倍数过高，发电 机的动态性能虽然好，但励磁变压器次级电压高，容量大，整流元件所需的电压 等级高。强励倍数过低，发电机的动态性能差，机组突加负载时，机端电压下降 严重，并且电压恢复较慢因此，应根据同步发电机的运行情况和电网的具体要 求，合理地选择强励倍数 忽路变压器的漏抗和整流元件的压降，可得励磁变压器次级额定线电压为； 一燮1 3 5 丝u 曲 式中e 乙为额定励磁电压( 伏) ； u j 为发电机的额定电压( 伏) ： 为发电机的强励倍数，取砭2 2 ( 小型机组) ； 一般取u 曲2 0 8 u , 变压器副边电流： ( 3 1 0 ) 1 2 = 1 i k 。l = 1 1 + 0 8 1 6 l = 0 8 9 7 6 ,( 3 1 1 ) 式中置每一相通过的电流系数； l 额定励磁电流； 励磁变压器额定容量为： p = 压u d 2 对于三相励磁变压器，一般采用y a 一1 1 接法。 3 1 3 灭磁及转子过压保护 ( 3 1 2 ) 所谓灭磁，就是把转子励磁绕组中磁场储能尽快地减弱到可能小的程度。最 简单的办法是将励磁回路断开。但突然断开时，就会在励磁绕组两端产生很高的 过电压，同样有可能会对绕组产生损坏。因此，在断开励磁电源的同时，还应将 转子绕组自动接入到放电电阻或其它耗能装置上去，把磁场中储存的能量迅速消 耗掉。实现这一作用和完成这一过程的装置或设备被称为自动灭磁装置【1 9 】。 灭磁的方法有很多，主要有单独励磁机灭磁、利用放电电阻灭磁、利用非线 性电阻灭磁【2 0 】、采用灭弧栅灭磁等等。本文设计的回路由灭磁电阻压敏电阻和专 用灭磁开关组成，有关灭磁电阻的选择见文献 1 9 】。灭磁及转子过电压保护原理接 线图如图3 6 所示。图中y m r 表示压敏电阻，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： u = k 4 式中k 比例系数； 口非线性系数，对氧化锌口= 0 0 1 。 与此对应的伏安特性如图3 7 所示： f m ku l f 图3 6 灭磁及转子过电压保护接线图图3 7 压敏电阻伏安特性 f i 粤3 6e x t i n g u i s h i n gm a g n e t r o t o rp r o t e c t i o nw i r i n gd i a g r a m f i g 3 7 s e n s er e s i s t a n c ev o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c 1 6 - 可以将伏安特性划分为两个工作区域：i 是小电流区，是大电流区，a 称为 转折点。 由于y m r 与u 是并联连接，当正常工作时，u 两端电压较低，y m r 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1 0 0 9 s ，因此它立即过渡到了大电流区工作， 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，灭磁开关f m k 分断，它很快切断了转子绕组与励磁电源的回 路。转子作为一个大电感，使d i d t 上升，即励磁绕组两端电压急剧增加，当超过 压敏电阻的转折电压时。y m r 立即工作在区，呈现低阻状态，转子电流从f m k 转移到压敏电阻上，迅速完成换流过程。转予能量得以通过压敏电阻释放，实现 灭磁。在灭磁过程中，y m r 两端亦即转予电压几乎为一恒定值。因此，这种灭磁 方式接近于理想灭磁。从f m k 开断到安全建压仅需要数鹏，而整个灭磁过程经历 的时间大约为4 0 0 # s 。可见，这种新型的灭磁方式确实具有操作简单、灭磁速度 快、开关容量大及过电压保护水平可控等独特优点。 3 1 ，4 起励 对于励磁变压器接在发电机机端这种自并励励磁系统，当机组起动后转速接 近额定值时，机端电压为残压，其值一般比较低( 约为额定电压的1 2 ) 此 时即使i g b t 全导通，由于励磁电压太低不能输出足够的励磁电流使发电机建立电 压，因此必须采取一定的措施。供给发电机初始励磁，使发电机初步达到稳定运 行的电压后再切断回路，这一过程称为起励i 冽 本文采取的起励方式为它励起励，即另设起励电源及起励回路，供给初始励 磁。起励电源所提供的励磁电流为5 1 0 的发电机额定励磁电流。在发电机端 电压升至3 0 的额定电压后，起励回路即可退出。 3 2 控制部分硬件电路的设计 系统的控制部分硬件电路总体框图如下： 3 2 1 模拟量输入单元 图3 8 控制系统硬件框图 f i 昌3 8 h a r d w a r eo nc o n t r o ls y s t e mf r a m e 1 ) 模拟交流量检测部分 交流量的采样有两种方法：直流采样法；交流采样法。 直流采样是将交流量经过整流及滤波后变成直流量后进行采样。这种方法只 能反映某段时间内无谐波的交流量有效值的大小，它既不能反映电压和电流电参 量的瞬时值也不能及时的反应电参量动态变化情况，要实时反映电压和电流电参 量之间的相位关系必须另加检测电路。硬件电路存在滤波电路这样的大惯性元件， 所以会产生较大的滞后，实时性较差，这远远不能满足励磁控制实时性的要求， 并且整流元件的非线性特性也会影响检测的精度，这样势必影响励磁调节器的性 能，因此直流采样法只适用于要求比较低的励磁控制场合【2 1 捌 交流采样则是交流电量经互感器后直接进行采样，这种采样方法能实时反映 出电参量瞬时值的大小以及动态变化情况，这就使同步采样或准同步采样成为了 可能由于采样电路不存在直流滤波电容，所以不存在滞后，有利于实时控制 本文采用交流采样法采集的交流量包括发电机机端的三相电压、三相电流 这些电参量的输入主要通过信号预处理装置、多路开关、采样保持电路及a d 转 换器把模拟信号转换成数字电路能接受的数字信号。 本论文中的励磁调节器模拟量输入通道，其采样保持电路以及a d 转换器都 采用t m s 3 2 0 i f 2 4 0 r 7 a 内置的采样保持电路和a d 转换器，无须外置的相应电路。 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中内置有a d 转换模块【1 1 1 ，它包括2 个带有内部采样保持电 路的l o 位a d 转换器，每个a d 转换器转换时间最快需要5 0 0 n s 。这两个a d 转 换器可由软件指令、外部信号跳交或事件管理器模块中定时器及比较单元的相应 事件来启动转换操作。在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中允许两个a d 转换器同时进行采样 及转换。两个a 转换器共有1 6 个输入引脚可供用户使用，其中引脚a d c i n 0 到a d c i n 7 经一个8 选1 的多路开关与第一个a d 转换器相连，引脚a d c i n 8 到 a d c i n l 5 也经过另外一个8 选1 的多路开关与第二个a d 转换器相连。本论文中 的励磁调节器共有7 个模拟量需要采集，它们是发电机端三相电压、三相电流以 及励磁电流，为了能同时采集到同一相电压和电流的瞬时值，我们把所有电压信 号都接在第一个a d 转换器的输入引脚上，而将电流信号接在第二个a d 转换器 的输入引脚上。 发电机端三相电压、三相电流取自接在发电机端的电压互感器和电流互感器。 我们需要对这些互感器的二次侧数值范围进行变换和调整来满足d s p 对输入信号 的要求，完成这一工作的电路或设备我们就称为信号预处理电路 2 4 - - 2 6 1 。 本文交流量检测选用的互感器为耀华德昌( 北京) 电子公司生产的精密电压 电流互感器，其型号为：t a v l 4 1 2 7 1 。 这种互感器的电气参数如表3 2 所示 表3 2 t a v l 4 电气参数 t a b 3 2e l e c