IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理与应用

1、1 / 23当前位置：首页 信息中心 正文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刻： 2006-4-12 23:49:09入论坛QC 书签 摘 要 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差不多原理，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差 不多输入输出关系，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2 / 231.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

2、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 Intel 公司准 16 位单片机（ 8098）为核心，加上 外围接口芯片组成的操纵系统。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 自并激励磁系统也确实是直接励磁系统或称静态励磁系统。我站的 HWK09 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、操纵单元四部分组成。 交流励磁电源取自发电机端（也称机端变

3、压器）励磁变压器，励 磁变压器的付方输出经3 / 23三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和功率部分构成。操纵部 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 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 控全波整流桥加一组 IGBT 开关操纵单元及相应滤波和爱护回路构 成功率柜（标准屏），此外系统另包

4、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、HKL02 功率柜、 HMC02 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操纵简4 / 23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 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。功率单元要紧由两部分组成 : 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刻即可操

5、纵励磁电流的大小。也确实是讲， 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。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SCR5 / 23合后，三相交流励磁电源通过 D1D6 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

6、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 导通时刻为 TON，截止时刻为 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。6 / 23由此可见，我们依照发电机机端电压、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

7、.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 1218V 栅极电压；（2） IGBT 截止时提供 0（ -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)和操纵电路隔离 ;(5)完成 IGBT 过流爱护。2.5.2 驱动方法到目前为止，IGBT 有多种驱动方法，差不多上是由混合集成7 / 23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

8、块。HWK09 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，VCCS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

9、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 使过流爱护8 / 23动作，关闭放大器 G,起到护作用。2.6灭磁及转子过电压爱护 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。灭磁及转子过电压爱护原理接线图如图五所示。图中 YMR 表示氧化锌压敏电阻，它是一种特不优良的非线性元件，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 YMF 与 FLQ 是并联连

10、接，当正常工作时， FLQ 两端电压较低，YMRE 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 响应时刻大约为 100 毫9 / 23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，爱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，即励磁绕组两端电压急剧增加，当超过氧化锌压敏电阻件的 转折电压时，YMF 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， YMF 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，过电压爱护水平可控等独特优点。3.