IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理与应用

1、当前位置：首页 信息中心 正文IGBT开关式式自并激微机机励磁系统的的原理及应用用中国电器工业经经济信息网 添加时间：2006-4-12 23:499:09 进入论坛QQ书签 摘 要本文文以HWKT09型微机励磁磁调节器为例例，详尽地阐阐述了IGBT开关式自并并激微机励磁磁系统的基本本原理，并重重点讨论了IGBT在开关励磁磁中的应用。给给出了开关励励磁系统中励励磁装置的基基本输入输出出关系，为更更深入地掌握握和理解该系系统打下良好好的基础。 关键词IGGBT 占空比 开关励磁 自并激系统 微机励磁调调节器1. 概述HWKT09型微机励磁磁调节器是武武汉洪山电工工技术研究所所研制的新型型的由IG

2、BT作为功率输输出器件的自自并激微机励励磁调节器。它它的最大特点点是结构简单单，主控回路路只需一块面面积为2520(cmm2)的印制电路路板，以Intel公司准16位单片机（8098）为核心，加加上外围接口口芯片组成的的控制系统。该该装置于2000年12月在我站#1、#5机上成功投投运，目前运运行良好。2. IGBTT自并激励磁磁系统的组成成及主回路原原理2.1 励磁磁系统组成及及接线方式自并激励磁磁系统也就是是直接励磁系系统或称静态态励磁系统。我我站的HWKT09型IGBT自并激励磁磁系统由励磁磁变压器、三三相不可控整整流桥及IGBT功率单元、灭灭磁单元、控控制单元四部部分组成。交交流励磁电

3、源源取自发电机机端（也称机机端变压器）励励磁变压器，励励磁变压器的的付方输出经经三相不可控控全波整流桥桥整流输出的的直流电压给给发电机励磁磁绕组励磁，励励磁电流的调调节经串接于于发电机励磁磁回路的IGBT以直流斩波波的方式实现现。IGBT如同一只电电子开关，在在自动励磁调调节器 AVR的控制下，连连续处于导通通或截止状态态，以达到调调节励磁电流流的目的。我站#1、#5机励磁系统统由控制部分分和功率部分分构成。控制制部分由两台台HWKT09型微机励磁磁调节器及各各种信号输入入、输出转换换控制环节构构成一个励磁磁调节器柜（标标准屏）; 功率部分三三相不可控全全波整流桥加加一组IGBT开关控制单单元

4、及相应滤滤波和保护回回路构成功率率柜（标准屏屏），此外系系统另包括发发电机灭磁柜柜。因此整个发电电机励磁系统统由机端励磁磁变压器、励励磁调节器HWKT09、HKL02功率柜、HMC02灭磁柜及其其它单元组成成。开关式自并激励励磁系统接线线方式如图一一所示。2.2 功率率单元的组成成和原理IGBT器器件结合了双双极型晶体管管的功率特性性和场效应管管控制简单的的优点，将其其应用于励磁磁领域可使功功率部分简化化，也消除了了SCR晶闸管可控控整流方式的的一些弊病。使使系统的经济济性和可靠性性得到了提高高。功率单元主主要由两部分分组成: 整流、滤波波装置和功率率开关。前者者将交流励磁磁电源变换为为直流电

5、源后后供功率开关关使用，并滤滤除大的纹波波、毛刺和均均衡三相电源源的负载。后后者受控于调调节器，调节节功率开关的的闭合时间即即可控制励磁磁电流的大小小。也就是说说，调整功率率管的导通时时间即可对发发电机的励磁磁输入功率进进行控制。 2.3 励励磁调节器主主回路IGBT励励磁系统主回回路原理图如如图二所示。把IGBTT作为一只电电子开关，跨跨接在发电机机励磁绕组两两端。VIN为来自励磁磁变压器的三三相交流电压压，L1为转子绕组组，当1K闭合后，三三相交流励磁磁电源通过D1D6三相整流及及电容C1滤波，得到到直流电压UE，当1K闭合IGBT导通时，二二极管D7截止，UE通过绕组L1、IGBT使L1

6、中电流增加; 当IGBT截止时，L1中电流减小小，产生的感感应电压使D7导通，给L1续流。当IGBT导通期间，L1中的电流增增加量大于在在截止期间电电流的减小量量时，L1中的平均电电流增加，反反之L1中的平均电电流减小。当当增加量等于于减小量时，L1中的平均电电流不变，达达到稳定运行行工作状态。2.4 励磁磁电压、励磁磁电流的计算算设三相整流流滤波后的直直流电压为UE，IGBT导通时间为TON，截止时间间为TOFF。导通时，转转子两端压降降为UE; 截止时，转转子电压等于于续流二极管管D7管压降，忽忽略为零。如如图三所示。由此可见，我们们根据发电机机机端电压、转转子电流或无无功负荷等因因素的变

7、化改改变KC，亦即改变IGBT驱动方波的的占空比，即即可改变励磁磁绕两端的电电压，从而达达到调节发电电机输出电压压、无功的目目的。 2.5 IIGBT的驱动条件件及方法2.5.11 IGBTT的输入特性性要求其驱动动电路满足以以下条件:（1）IGBTT导通时提供12V18V栅极电压;（2）IGBTT截止时提供0V（-18V）栅极电压压（为保证可可靠截止，一一般为-5V）;（3）IGBTT开关瞬间提提供足够大的的电容充放电电电流;（4）和控制电电路隔离;（5）完成IGGBT过流保护。2.5.22 驱动方法到目前为止止，IGBT有多种驱动动方法，基本本上是由混合合集成电路组组成。日本富富士电机公司

8、司生产的厚膜膜集成电路如如EXB8440/8411、EXB8550/8511是专为IGBT设计的驱动动模块，符合合上述所有驱驱动条件，是是理想的驱动动电路模块。HWKT09型微机IGBT开关式励磁磁装置采用了了这种专用芯芯片。驱动模模块的原理框框图如图四所所示。VCC、VEEE为(20V供电电源，光光耦PC1提供控制电电路和IGBT的隔离。Dz为5V稳压管，在IGBT截止时提供供5V反向偏压。当当15脚到14脚有4mA电流通过时时，光耦PC1导通，通过过放大器G使输出三极极管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，IGB

9、T导通; 当15脚到14脚无电流时时，PC1不通，T1截止、T2导通，稳压压管DZ上+5V电压通过IGBT的射极E、栅极G、R8、T2使IGBT栅极电压为为5V，保证其可可靠截止。当当IGBT过电流时，VCE增加，通过过检测二极管管D使过流保护护动作，关闭闭放大器G，起到护作作用。 2.6 灭灭磁及转子过过电压保护该回路由高高能氧化锌压压敏电阻组件件和专用快速速直流开关为为主组成。灭灭磁及转子过过电压保护原原理接线图如如图五所示。图图中YMR表示氧化锌锌压敏电阻，它它是一种非常常优良的非线线性元件，其其电压与电流流关系可用下下式描述:与此相对应的伏伏安特性如图图六所示。可可以将伏安特特性划分为

10、两两个工作区域域: I是小电流区区，II是大电流区区，A称为转折点点。由于YMRR与FLQ是并联连接接，当正常工工作时，FLQ两端电压较较低，YMR工作在小电电流I区，流过它它的电流较小小，仅为数百百微安，称为为泄露电流。它它既不能消耗耗能量，也不不影响被保护护对象的工作作状况。一旦旦有过电压发发生，氧化锌锌压敏电阻本本身无任何延延时，其响应应时间大约为为100毫秒，因此此，它立即过过渡到大电流流II区工作,使得过电压压得到限制并并被吸收，保保护了发电机机转子免受过过电压侵袭。当需要灭磁磁时，指令快快速直流开关关FMK分断，它很很快切断转子子绕组与励磁磁电源的联系系。转子作为为一个大电感感，使

11、di/dt上升，即励励磁绕组两端端电压急剧增增加，当超过过氧化锌压敏敏电阻件的转转折电压时，YMR立即工作在II区而呈现低低阻状态，转转子电流从FMK转移到压敏敏电阻上，迅迅速完成换流流过程。转子子能量得以通通过压敏电阻阻释放，实现现灭磁。在灭灭磁过程中，YMR两端亦即转转子电压几乎乎为一恒定值值。因此，这这种灭磁方式式接近于理想想灭磁状态。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. IGBTT励磁系统控控制单元3.1 硬件件控制电路HWKT09型微机励磁磁调

12、节器的控控制回路由主主控电路、键键盘显示电路路、测量电路路、同步电路路、开关量输输入电路、调调宽脉冲输出出电路、信号号输出电路、电电源等部分组组成。 在设计HWWKT09的主控电路路时，充分利利用该单片机机的一些独特特之处，使得得这样一块小小小芯片能充充分、合理的的控制一套复复杂的励磁系系统。运行经经验表明，它它功能完善、性性能可靠。现现举几例说明明HWKT09如何充分应应用单片机所所拥有的资源源。四通道110位模数转换换器(A/D)，可以十分分方便地用于于数据采集系系统。在装置置中，直接采采集四路模拟拟信号: 发电机励磁PT电压UFL、发动机仪仪表PT电压UFY、发电机定定子电流IF及励磁电

13、流IL。四路高速速输入通道HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3，可用以记记录外部事件件。在本装置置中，利用HSI.1通道测量同同步脉冲信号号，利用HSI.0通道测量功功率脉冲信号号。六路高速速输出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。在本装置置中利用这些些输出通道输输出IGBT器件的触发发信号。WATCCHDOG功能，使得得系统在故障障情况下能够够自动恢复正正常工作。数据通讯讯功能，可根根据用户的需需要，增加与与电厂监控系系统的通讯。另外，该单单片机指令系系统极其丰富富，采用寄存存器-寄存器结构构，增设了乘乘、除法指令令，使编程简简洁方便。另另外

14、，CPU能接收17个中断源信信号，使中断断系统简练适适用。一只CPU芯片几乎包包含了一台计计算机的所有有部件。再经经过有针对性性的设计，使使HWKT09系列微机励励磁调节器较较国内其它厂厂家常用的八八位Z80CPPU、Intell8031以及8086CCPU等，在用于于实时控制方方面，功能更更强，性能更更优，抗干扰扰性能更好，可可靠性更高。由于全部采采用了进口大大规模或超大大规模集成电电路芯片，及及其它工业级级器件，可靠靠性得到保证证。由于硬件件极其简单，给给调试及维护护带来极大的的方便。另外外输入、输出出信号经过多多重全隔离，采采用了高质量量的双套开关关电源电路，又又采取了有效效的抗干扰措措

15、施以及严格格的制造工艺艺，使得本装装置不仅有很很高的可靠性性，而且性能能优良。 3.1.11 主控电路的的组成由单片微机机（8098）CPU、程序存储储器（EPROM）、工作参参数存储器（E2PROOM）、石英晶晶体等组成。3.1.22 键盘显示电电路该电路由键键盘显示控制制芯片、8位数码管、数数码管译码驱驱动芯片、16位键盘、键键盘译码芯片片等组成。通通过特殊按钮钮的开关信息息和键盘中断断来实现调节节器参数设置置、显示切换换、(10%阶跃试验等等功能。3.1.33 测量电路发电机电压压UFY、系统电压UFL、发电机电电流IF、励磁电流IL四路模拟量量经降压(或变流)整流，再经经运放缓冲放放大

16、、送入单单片机的A/D转换器。通通过对电压、电电流相位的检检测来计算功功率因数角及及有功、无功功。3.1.44 同步电路直流励磁系系统中，通过过单片机内部部电路产生一一组同步信号号，分别发送送到另一套调调节器，经过过逻辑判断，形形成脉宽调制制脉冲的同步步信号。3.1.55 开关量输入入电路共有八路开开关量输入，均均经抗干扰处处理及光电隔隔离，再送到到相应的检测测芯片。八路路开关量分别别是: 增加励磁接点点、减少励磁磁接点、风机机位置接点、手手动接点、油油开关位置接接点、灭磁接接点、关机接接点、开机接接点。调节器面板板配设相应的的按钮，能“就地”、“单套”调节以及模模拟发电机的的运行状态。3.1

17、.66 调宽脉冲输输出电路由CPU的的高速输出口口HSO输出单相脉脉宽调制矩形形波，经光电电隔离、功率率放大输出，可可以直接驱动动IGBT功率器件。矩矩形波上升沿沿小于5us，幅值约15V， 瞬态输出电电流500mA。3.1.77 信号输出电电路共有14路路信号输出，调调节器面板上上有对应的14只发光二极极管指示，共共用4个光字牌信信号输出，并并可接至中央央控制室。这这14路输出信号号分别是: +122V电源、-12V电源、+5V电源、24V电源、风机机故障、手动动运行、油开开关状态、灭灭磁、低频、过过励、低励、PT断线、试验验及开机; 其中过励限限制、顶值限限制、过励保保护共用过励励指示信号

18、，另另还有正组脉脉冲指示、反反组脉冲指示示。当过励保护、PPT断线保护动动作，调节器器输出设备故故障信号节点点，同时在调调节器面板上上驱动相应指指示信号; 当风机故障障（功率单元元温度过高）、手手动、灭磁、低低励限制、过过励限制、顶顶值限制等动动作，调节器器输出设备异异常信号，同同时在调节器器面板上驱动动相应指示信信号; 另设正组脉脉冲、反组脉脉冲两路信号号指示。3.1.88 电源电源采用双双路输入双路路开关电源并并联工作方式式。输入电源源采用交流220V整流后与直直流 220V并联，输入入到两套独立立的开关电源源，开关电源源的输出并联联。此设计方式充分分考虑了设备备工作的基础础-供电电源的的

19、可靠性和冗冗余度，为整整个设备的 正常工作提提供坚实的基基础。输入: DC2220V20; AC2220V1020，输出: +5VV/10A; +12VV/2A；-12V/2A; +24V/11A; 244V与其它三路路电源电气隔隔离，用作开开关信号输入入、输出和脉脉冲功放电源源。 3.2 控控制软件主程程序原理流程程图控制软件程程序包含各功功能子模块程程序、显示、给给定调节、开开关量保护判判断、采集、功功率计算、自自动PID、手动PID、低励PID、控制方式式选择、手动动跟踪自动、自自动跟踪手动动、PSS、恒无功等等、键盘处理理子程序、高高速输入中断断、高速输出出中断等。主程序原理流程程图如

20、图七所所示。 3.3 励励磁调节器基基本功能 保持发电机端端电压恒定正负调差率可可以选择发电机恒励磁磁电流运行 PID及PPI控制调节，附附加PSS或EOC调节（可选选），可变参参数自适应调调节及非线性性最优调节强励顶值限制制过励反时限限限制低励限制 V/F限制八位数码管十十进制显示多多种参量，循循环或定点显显示 励磁/仪表表电压互感器器断线检测及及保护全数字调节电源、硬件、软软件故障信号号以及其它各各种故障信号输出与其它自动化化仪器仪表及及计算机监控控系统的通信信接口空载过压保护护零起升压可跟跟踪系统电压压正常运行时键键盘封锁两套完全独立立的并列运行行方式双套电源供电电，面板测量量及指示模块

21、化软件结结构全部参数均用用十进制数字字显示十六只薄膜键键盘在线修改改控制参数完备的硬、软软件自诊断功功能开机电压自动动置位，关机机电压自动清清零状态信号显示示正反组脉冲输输出双层隔离离，面板测量量及指示掉电数据保护护 3.4 励励磁控制系统统方框图IGBT开关式式自并激微机机励磁控制系系统方框图如如图八所示。 图中A1、A22、A3分别是控制制回路、励磁磁功率回路及及发电机的输输入输出特性性。其中UKZ是控制环节A1的输出，它它的大小和占占空比KC成正比。为为了方便分析析，假设:UKZ = KKCUgl是功率环环节A2的输出（平平均值）。我我们由图二及及分析知: 在IGBT开关励磁中中，输入、输输出及占空比比的关系为:Ugl=1.335UINKKC由此可知，Uggl及KC是线性关系系，因而系统统具有很好的的线性度和稳稳定性，降低低了控制的复复杂性。4. 结束语IGBT开开关式励磁调调节器成功地地将新型功率率复合电子器器件绝缘栅双极极性晶体管IGBT运用于励磁磁控制领域。由由于IGBT同时具备承承受高电压、大大电流和工作作速度快、控控制功率低的的特点，使得得开关式励磁磁调节器结构构简单、性能能价格比大大大提高。我们们相信，随着着大功率规格格的IGBT的出现，以I