IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵磁系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

本文以HWKT—09型微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器為例，詳盡地闡述了IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵磁系統(tǒng)的基本原理，并重點(diǎn)討論了IGBT在開關(guān)勵磁中的應(yīng)用。給出了開關(guān)勵磁系統(tǒng)中勵磁裝置的基本輸入輸出關(guān)系，為更深入地掌握和理解該系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]IGBT 占空比 開關(guān)勵磁 自并激系統(tǒng) 微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器

1. 概述
　　HWKT—09型微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器是武漢洪山電工技術(shù)研究所研制的新型的由IGBT作為功率輸出器件的自并激微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，主控回路只需一塊面積為25×20(cm2)的印制電路板，以Intel公司準(zhǔn)16位單片機(jī)（8098）為核心，加上外圍接口芯片組成的控制系統(tǒng)。該裝置于2000年12月在我站#1、#5機(jī)上成功投運(yùn)，目前運(yùn)行良好。

2. IGBT自并激勵磁系統(tǒng)的組成及主回路原理
　2.1 勵磁系統(tǒng)組成及接線方式
　　自并激勵磁系統(tǒng)也就是直接勵磁系統(tǒng)或稱靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。我站的HWKT—09型IGBT自并激勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、三相不可控整流橋及IGBT功率單元、滅磁單元、控制單元四部分組成。交流勵磁電源取自發(fā)電機(jī)端（也稱機(jī)端變壓器）勵磁變壓器，勵磁變壓器的付方輸出經(jīng)三相不可控全波整流橋整流輸出的直流電壓給發(fā)電機(jī)勵磁繞組勵磁，勵磁電流的調(diào)節(jié)經(jīng)串接于發(fā)電機(jī)勵磁回路的IGBT以直流斬波的方式實(shí)現(xiàn)。IGBT如同一只電子開關(guān)，在自動勵磁調(diào)節(jié)器 AVR的控制下，連續(xù)處于導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，以達(dá)到調(diào)節(jié)勵磁電流的目的。
　　我站#1、#5機(jī)勵磁系統(tǒng)由控制部分和功率部分構(gòu)成。控制部分由兩臺HWKT－09型微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器及各種信號輸入、輸出轉(zhuǎn)換控制環(huán)節(jié)構(gòu)成一個勵磁調(diào)節(jié)器柜（標(biāo)準(zhǔn)屏）; 功率部分三相不可控全波整流橋加一組IGBT開關(guān)控制單元及相應(yīng)濾波和保護(hù)回路構(gòu)成功率柜（標(biāo)準(zhǔn)屏），此外系統(tǒng)另包括發(fā)電機(jī)滅磁柜。
　因此整個發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)由機(jī)端勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器HWKT－09、HKL－02功率柜、HMC－02滅磁柜及其它單元組成。
開關(guān)式自并激勵磁系統(tǒng)接線方式如圖一所示。

　2.2 功率單元的組成和原理
　　IGBT器件結(jié)合了雙極型晶體管的功率特性和場效應(yīng)管控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于勵磁領(lǐng)域可使功率部分簡化，也消除了SCR晶閘管可控整流方式的一些弊病。使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性得到了提高。
　　功率單元主要由兩部分組成: 整流、濾波裝置和功率開關(guān)。前者將交流勵磁電源變換為直流電源后供功率開關(guān)使用，并濾除大的紋波、毛刺和均衡三相電源的負(fù)載。后者受控于調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)功率開關(guān)的閉合時間即可控制勵磁電流的大小。也就是說，調(diào)整功率管的導(dǎo)通時間即可對發(fā)電機(jī)的勵磁輸入功率進(jìn)行控制。

　 2.3 勵磁調(diào)節(jié)器主回路
　　IGBT勵磁系統(tǒng)主回路原理圖如圖二所示。
　　把IGBT作為一只電子開關(guān)，跨接在發(fā)電機(jī)勵磁繞組兩端。VIN為來自勵磁變壓器的三相交流電壓，L1為轉(zhuǎn)子繞組，當(dāng)1K閉合后，三相交流勵磁電源通過D1～D6三相整流及電容C1濾波，得到直流電壓UE，當(dāng)1K閉合IGBT導(dǎo)通時，二極管D7截止，UE通過繞組L1、IGBT使L1中電流增加; 當(dāng)IGBT截止時，L1中電流減小，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使D7導(dǎo)通，給L1續(xù)流。當(dāng)IGBT導(dǎo)通期間，L1中的電流增加量大于在截止期間電流的減小量時，L1中的平均電流增加，反之L1中的平均電流減小。當(dāng)增加量等于減小量時，L1中的平均電流不變，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行工作狀態(tài)。

　2.4 勵磁電壓、勵磁電流的計算
　　設(shè)三相整流濾波后的直流電壓為UE，IGBT導(dǎo)通時間為TON，截止時間為TOFF。導(dǎo)通時，轉(zhuǎn)子兩端壓降為UE; 截止時，轉(zhuǎn)子電壓等于續(xù)流二極管D7管壓降，忽略為零。如圖三所示。


由此可見，我們根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流或無功負(fù)荷等因素的變化改變KC，亦即改變IGBT驅(qū)動方波的占空比，即可改變勵磁繞兩端的電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓、無功的目的。

　 2.5 IGBT的驅(qū)動條件及方法
　　2.5.1 IGBT的輸入特性要求其驅(qū)動電路滿足以下條件:
（1）IGBT導(dǎo)通時提供12V——18V柵極電壓;
（2）IGBT截止時提供0V——（-18V）柵極電壓（為保證可靠截止，一般為-5V）;
（3）IGBT開關(guān)瞬間提供足夠大的電容充放電電流;
（4）和控制電路隔離;
（5）完成IGBT過流保護(hù)。
　　2.5.2 驅(qū)動方法
　　到目前為止，IGBT有多種驅(qū)動方法，基本上是由混合集成電路組成。日本富士電機(jī)公司生產(chǎn)的厚膜集成電路如EXB840/841、EXB850/851是專為IGBT設(shè)計的驅(qū)動模塊，符合上述所有驅(qū)動條件，是理想的驅(qū)動電路模塊。HWKT—09型微機(jī)IGBT開關(guān)式勵磁裝置采用了這種專用芯片。驅(qū)動模塊的原理框圖如圖四所示。

VCC、VEE為(±20V供電電源，光耦PC1提供控制電路和IGBT的隔離。Dz為5V穩(wěn)壓管，在IGBT截止時提供－5V反向偏壓。當(dāng)15腳到14腳有4mA電流通過時，光耦PC1導(dǎo)通，通過放大器G使輸出三極管T1導(dǎo)通、T2截止，VCC通過T1、R8、IGBT的柵極G、射極E，穩(wěn)壓管Dz給IGBT柵極提供+15V正向偏置，IGBT導(dǎo)通; 當(dāng)15腳到14腳無電流時，PC1不通，T1截止、T2導(dǎo)通，穩(wěn)壓管DZ上+5V電壓通過IGBT的射極E、柵極G、R8、T2使IGBT柵極電壓為－5V，保證其可靠截止。當(dāng)IGBT過電流時，VCE增加，通過檢測二極管D使過流保護(hù)動作，關(guān)閉放大器G，起到護(hù)作用。

　 2.6 滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)
　　該回路由高能氧化鋅壓敏電阻組件和專用快速直流開關(guān)為主組成。滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理接線圖如圖五所示。圖中YMR表示氧化鋅壓敏電阻，它是一種非常優(yōu)良的非線性元件，其電壓與電流關(guān)系可用下式描述:

與此相對應(yīng)的伏安特性如圖六所示?？梢詫⒎蔡匦詣澐譃閮蓚€工作區(qū)域: I是小電流區(qū)，II是大電流區(qū)，A稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

　　由于YMR與FLQ是并聯(lián)連接，當(dāng)正常工作時，F(xiàn)LQ兩端電壓較低，YMR工作在小電流I區(qū)，流過它的電流較小，僅為數(shù)百微安，稱為泄露電流。它既不能消耗能量，也不影響被保護(hù)對象的工作狀況。一旦有過電壓發(fā)生，氧化鋅壓敏電阻本身無任何延時，其響應(yīng)時間大約為100毫秒，因此，它立即過渡到大電流II區(qū)工作,使得過電壓得到限制并被吸收，保護(hù)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子免受過電壓侵襲。
　　當(dāng)需要滅磁時，指令快速直流開關(guān)FMK分?jǐn)?，它很快切斷轉(zhuǎn)子繞組與勵磁電源的聯(lián)系。轉(zhuǎn)子作為一個大電感，使di/dt上升，即勵磁繞組兩端電壓急劇增加，當(dāng)超過氧化鋅壓敏電阻件的轉(zhuǎn)折電壓時，YMR立即工作在II區(qū)而呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流從FMK轉(zhuǎn)移到壓敏電阻上，迅速完成換流過程。轉(zhuǎn)子能量得以通過壓敏電阻釋放，實(shí)現(xiàn)滅磁。在滅磁過程中，YMR兩端亦即轉(zhuǎn)子電壓幾乎為一恒定值。因此，這種滅磁方式接近于理想滅磁狀態(tài)。從FMK開斷到安全建壓僅需要數(shù)毫秒，而整個滅磁過程經(jīng)歷的時間大約為400毫秒?？梢姡@種新型的滅磁方式確實(shí)具有操作簡單，滅磁速度快，開關(guān)容量大，過電壓保護(hù)水平可控等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

3. IGBT勵磁系統(tǒng)控制單元
　3.1 硬件控制電路
　　HWKT－09型微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的控制回路由主控電路、鍵盤顯示電路、測量電路、同步電路、開關(guān)量輸入電路、調(diào)寬脈沖輸出電路、信號輸出電路、電源等部分組成。
　　在設(shè)計HWKT－09的主控電路時，充分利用該單片機(jī)的一些獨(dú)特之處，使得這樣一塊小小芯片能充分、合理的控制一套復(fù)雜的勵磁系統(tǒng)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它功能完善、性能可靠。現(xiàn)舉幾例說明HWKT－09如何充分應(yīng)用單片機(jī)所擁有的資源。
　　◆四通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，可以十分方便地用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在裝置中，直接采集四路模擬信號: 發(fā)電機(jī)勵磁PT電壓UFL、發(fā)動機(jī)儀表PT電壓UFY、發(fā)電機(jī)定子電流IF及勵磁電流IL。
　　◆四路高速輸入通道HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3，可用以記錄外部事件。在本裝置中，利用HSI.1通道測量同步脈沖信號，利用HSI.0通道測量功率脈沖信號。
　　◆六路高速輸出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。在本裝置中利用這些輸出通道輸出IGBT器件的觸發(fā)信號。
　　◆WATCHDOG功能，使得系統(tǒng)在故障情況下能夠自動恢復(fù)正常工作。
　　◆數(shù)據(jù)通訊功能，可根據(jù)用戶的需要，增加與電廠監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。

　　另外，該單片機(jī)指令系統(tǒng)極其豐富，采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)，增設(shè)了乘、除法指令，使編程簡潔方便。另外，CPU能接收17個中斷源信號，使中斷系統(tǒng)簡練適用。一只CPU芯片幾乎包含了一臺計算機(jī)的所有部件。再經(jīng)過有針對性的設(shè)計，使HWKT－09系列微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器較國內(nèi)其它廠家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等，在用于實(shí)時控制方面，功能更強(qiáng)，性能更優(yōu)，抗干擾性能更好，可靠性更高。
　　由于全部采用了進(jìn)口大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片，及其它工業(yè)級器件，可靠性得到保證。由于硬件極其簡單，給調(diào)試及維護(hù)帶來極大的方便。另外輸入、輸出信號經(jīng)過多重全隔離，采用了高質(zhì)量的雙套開關(guān)電源電路，又采取了有效的抗干擾措施以及嚴(yán)格的制造工藝，使得本裝置不僅有很高的可靠性，而且性能優(yōu)良。
　　3.1.1 主控電路的組成
　　由單片微機(jī)（8098）CPU、程序存儲器（EPROM）、工作參數(shù)存儲器（E2PROM）、石英晶體等組成。
　　3.1.2 鍵盤顯示電路
　　該電路由鍵盤顯示控制芯片、8位數(shù)碼管、數(shù)碼管譯碼驅(qū)動芯片、16位鍵盤、鍵盤譯碼芯片等組成。通過特殊按鈕的開關(guān)信息和鍵盤中斷來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置、顯示切換、(10%階躍試驗(yàn)等功能。
　　3.1.3 測量電路
　　發(fā)電機(jī)電壓UFY、系統(tǒng)電壓UFL、發(fā)電機(jī)電流IF、勵磁電流IL四路模擬量經(jīng)降壓(或變流)整流，再經(jīng)運(yùn)放緩沖放大、送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器。通過對電壓、電流相位的檢測來計算功率因數(shù)角及有功、無功。
　　3.1.4 同步電路
　　直流勵磁系統(tǒng)中，通過單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生一組同步信號，分別發(fā)送到另一套調(diào)節(jié)器，經(jīng)過邏輯判斷，形成脈寬調(diào)制脈沖的同步信號。
　　3.1.5 開關(guān)量輸入電路
　　共有八路開關(guān)量輸入，均經(jīng)抗干擾處理及光電隔離，再送到相應(yīng)的檢測芯片。八路開關(guān)量分別是: 增加勵磁接點(diǎn)、減少勵磁接點(diǎn)、風(fēng)機(jī)位置接點(diǎn)、手動接點(diǎn)、油開關(guān)位置接點(diǎn)、滅磁接點(diǎn)、關(guān)機(jī)接點(diǎn)、開機(jī)接點(diǎn)。
　　調(diào)節(jié)器面板配設(shè)相應(yīng)的按鈕，能“就地”、“單套”調(diào)節(jié)以及模擬發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
　　3.1.6 調(diào)寬脈沖輸出電路
　　由CPU的高速輸出口HSO輸出單相脈寬調(diào)制矩形波，經(jīng)光電隔離、功率放大輸出，可以直接驅(qū)動IGBT功率器件。矩形波上升沿小于5us，幅值約15V， 瞬態(tài)輸出電流500mA。
　　3.1.7 信號輸出電路
　　共有14路信號輸出，調(diào)節(jié)器面板上有對應(yīng)的14只發(fā)光二極管指示，共用4個光字牌信號輸出，并可接至中央控制室。這14路輸出信號分別是: +12V電源、-12V電源、+5V電源、24V電源、風(fēng)機(jī)故障、手動運(yùn)行、油開關(guān)狀態(tài)、滅磁、低頻、過勵、低勵、PT斷線、試驗(yàn)及開機(jī); 其中過勵限制、頂值限制、過勵保護(hù)共用過勵指示信號，另還有正組脈沖指示、反組脈沖指示。
當(dāng)過勵保護(hù)、PT斷線保護(hù)動作，調(diào)節(jié)器輸出設(shè)備故障信號節(jié)點(diǎn)，同時在調(diào)節(jié)器面板上驅(qū)動相應(yīng)指示信號; 當(dāng)風(fēng)機(jī)故障（功率單元溫度過高）、手動、滅磁、低勵限制、過勵限制、頂值限制等動作，調(diào)節(jié)器輸出設(shè)備異常信號，同時在調(diào)節(jié)器面板上驅(qū)動相應(yīng)指示信號; 另設(shè)正組脈沖、反組脈沖兩路信號指示。
　　3.1.8 電源
　　電源采用雙路輸入雙路開關(guān)電源并聯(lián)工作方式。輸入電源采用交流220V整流后與直流 220V并聯(lián)，輸入到兩套獨(dú)立的開關(guān)電源，開關(guān)電源的輸出并聯(lián)。
此設(shè)計方式充分考慮了設(shè)備工作的基礎(chǔ)--供電電源的可靠性和冗余度，為整個設(shè)備的 正常工作提供堅實(shí)的基礎(chǔ)。
輸入: DC220V±20％; AC220V±10％~20％，
輸出: +5V/10A; +12V/2A；-12V/2A; +24V/1A; 24V與其它三路電源電氣隔離，用作開關(guān)信號輸入、輸出和脈沖功放電源。

　 3.2 控制軟件主程序原理流程圖
　　控制軟件程序包含各功能子模塊程序、顯示、給定調(diào)節(jié)、開關(guān)量保護(hù)判斷、采集、功率計算、自動PID、手動PID、低勵PID、控制方式選擇、手動跟蹤自動、自動跟蹤手動、PSS、恒無功等、鍵盤處理子程序、高速輸入中斷、高速輸出中斷等。
主程序原理流程圖如圖七所示。

　 3.3 勵磁調(diào)節(jié)器基本功能

◆保持發(fā)電機(jī)端電壓恒定
◆正負(fù)調(diào)差率可以選擇
◆發(fā)電機(jī)恒勵磁電流運(yùn)行
◆ PID及PI控制調(diào)節(jié)，附加PSS或EOC調(diào)節(jié)（可選），可變參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)及非線性最優(yōu)調(diào)節(jié)
◆強(qiáng)勵頂值限制
◆過勵反時限限制
◆低勵限制
◆V/F限制
◆八位數(shù)碼管十進(jìn)制顯示多種參量，循環(huán)或定點(diǎn)顯示
◆ 勵磁/儀表電壓互感器斷線檢測及保護(hù)
◆全數(shù)字調(diào)節(jié)
◆電源、硬件、軟件故障信號以及其它各種

故障信號輸出
◆與其它自動化儀器儀表及計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口
◆空載過壓保護(hù)
◆零起升壓可跟蹤系統(tǒng)電壓
◆正常運(yùn)行時鍵盤封鎖
◆兩套完全獨(dú)立的并列運(yùn)行方式
◆雙套電源供電，面板測量及指示
◆模塊化軟件結(jié)構(gòu)
◆全部參數(shù)均用十進(jìn)制數(shù)字顯示
◆十六只薄膜鍵盤在線修改控制參數(shù)
◆完備的硬、軟件自診斷功能
◆開機(jī)電壓自動置位，關(guān)機(jī)電壓自動清零
◆狀態(tài)信號顯示
◆正反組脈沖輸出雙層隔離，面板測量及指示
◆掉電數(shù)據(jù)保護(hù)

　 3.4 勵磁控制系統(tǒng)方框圖
IGBT開關(guān)式自并激微機(jī)勵磁控制系統(tǒng)方框圖如圖八所示。

圖中A1、A2、A3分別是控制回路、勵磁功率回路及發(fā)電機(jī)的輸入輸出特性。其中UKZ是控制環(huán)節(jié)A1的輸出，它的大小和占空比KC成正比。為了方便分析，假設(shè):
UKZ = KC
Ugl是功率環(huán)節(jié)A2的輸出（平均值）。我們由圖二及分析知: 在IGBT開關(guān)勵磁中，輸入、輸出及占空比的關(guān)系為:
Ugl=1.35UINKC
由此可知，Ugl及KC是線性關(guān)系，因而系統(tǒng)具有很好的線性度和穩(wěn)定性，降低了控制的復(fù)雜性。

4. 結(jié)束語
　　IGBT開關(guān)式勵磁調(diào)節(jié)器成功地將新型功率復(fù)合電子器件——絕緣柵雙極性晶體管IGBT運(yùn)用于勵磁控制領(lǐng)域。由于IGBT同時具備承受高電壓、大電流和工作速度快、控制功率低的特點(diǎn)，使得開關(guān)式勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、性能價格比大大提高。我們相信，隨著大功率規(guī)格的IGBT的出現(xiàn)，以IGBT作為功率器件的開關(guān)式勵磁系統(tǒng)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。