IGBT開關式自并激微機勵磁系統的原理及應用

本文以HWKT—09型微機勵磁調節器為例，詳盡地闡述了IGBT開關式自并激微機勵磁系統的基本原理，并重點討論了IGBT在開關勵磁中的應用。給出了開關勵磁系統中勵磁裝置的基本輸入輸出關系，為更深入地掌握和理解該系統打下良好的基礎。

[關鍵詞]IGBT 占空比 開關勵磁 自并激系統 微機勵磁調節器

1. 概述
　　HWKT—09型微機勵磁調節器是武漢洪山電工技術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勵磁調節器。它的最大特點是結構簡單，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16位單片機（8098）為核心，加上外圍接口芯片組成的控制系統。該裝置于2000年12月在我站#1、#5機上成功投運，目前運行良好。

2. IGBT自并激勵磁系統的組成及主回路原理
　2.1 勵磁系統組成及接線方式
　　自并激勵磁系統也就是直接勵磁系統或稱靜態勵磁系統。我站的HWKT—09型IGBT自并激勵磁系統由勵磁變壓器、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電機端（也稱機端變壓器）勵磁變壓器，勵磁變壓器的付方輸出經三相不可控全波整流橋整流輸出的直流電壓給發電機勵磁繞組勵磁，勵磁電流的調節經串接于發電機勵磁回路的IGBT以直流斬波的方式實現。IGBT如同一只電子開關，在自動勵磁調節器 AVR的控制下，連續處于導通或截止狀態，以達到調節勵磁電流的目的。
　　我站#1、#5機勵磁系統由控制部分和功率部分構成。控制部分由兩臺HWKT－09型微機勵磁調節器及各種信號輸入、輸出轉換控制環節構成一個勵磁調節器柜（標準屏）; 功率部分三相不可控全波整流橋加一組IGBT開關控制單元及相應濾波和保護回路構成功率柜（標準屏），此外系統另包括發電機滅磁柜。
　因此整個發電機勵磁系統由機端勵磁變壓器、勵磁調節器HWKT－09、HKL－02功率柜、HMC－02滅磁柜及其它單元組成。
開關式自并激勵磁系統接線方式如圖一所示。

　2.2 功率單元的組成和原理
　　IGBT器件結合了雙極型晶體管的功率特性和場效應管控制簡單的優點，將其應用于勵磁領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。使系統的經濟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。前者將交流勵磁電源變換為直流電源后供功率開關使用，并濾除大的紋波、毛刺和均衡三相電源的負載。后者受控于調節器，調節功率開關的閉合時間即可控制勵磁電流的大小。也就是說，調整功率管的導通時間即可對發電機的勵磁輸入功率進行控制。

　 2.3 勵磁調節器主回路
　　IGBT勵磁系統主回路原理圖如圖二所示。
　　把IGBT作為一只電子開關，跨接在發電機勵磁繞組兩端。VIN為來自勵磁變壓器的三相交流電壓，L1為轉子繞組，當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1K閉合IGBT導通時，二極管D7截止，UE通過繞組L1、IGBT使L1中電流增加; 當IGBT截止時，L1中電流減小，產生的感應電壓使D7導通，給L1續流。當IGBT導通期間，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。當增加量等于減小量時，L1中的平均電流不變，達到穩定運行工作狀態。

　2.4 勵磁電壓、勵磁電流的計算
　　設三相整流濾波后的直流電壓為UE，IGBT導通時間為TON，截止時間為TOFF。導通時，轉子兩端壓降為UE; 截止時，轉子電壓等于續流二極管D7管壓降，忽略為零。如圖三所示。


由此可見，我們根據發電機機端電壓、轉子電流或無功負荷等因素的變化改變KC，亦即改變IGBT驅動方波的占空比，即可改變勵磁繞兩端的電壓，從而達到調節發電機輸出電壓、無功的目的。

　 2.5 IGBT的驅動條件及方法
　　2.5.1 IGBT的輸入特性要求其驅動電路滿足以下條件:
（1）IGBT導通時提供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。
　　2.5.2 驅動方法
　　到目前為止，IGBT有多種驅動方法，基本上是由混合集成電路組成。日本富士電機公司生產的厚膜集成電路如EXB840/841、EXB850/851是專為IGBT設計的驅動模塊，符合上述所有驅動條件，是理想的驅動電路模塊。HWKT—09型微機IGBT開關式勵磁裝置采用了這種專用芯片。驅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穩壓管，在IGBT截止時提供－5V反向偏壓。當15腳到14腳有4mA電流通過時，光耦PC1導通，通過放大器G使輸出三極管T1導通、T2截止，VCC通過T1、R8、IGBT的柵極G、射極E，穩壓管Dz給IGBT柵極提供+15V正向偏置，IGBT導通; 當15腳到14腳無電流時，PC1不通，T1截止、T2導通，穩壓管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IGBT過電流時，VCE增加，通過檢測二極管D使過流保護動作，關閉放大器G，起到護作用。

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

與此相對應的伏安特性如圖六所示。可以將伏安特性劃分為兩個工作區域: I是小電流區，II是大電流區，A稱為轉折點。

　　由于YMR與FLQ是并聯連接，當正常工作時，FLQ兩端電壓較低，YMR工作在小電流I區，流過它的電流較小，僅為數百微安，稱為泄露電流。它既不能消耗能量，也不影響被保護對象的工作狀況。一旦有過電壓發生，氧化鋅壓敏電阻本身無任何延時，其響應時間大約為100毫秒，因此，它立即過渡到大電流II區工作,使得過電壓得到限制并被吸收，保護了發電機轉子免受過電壓侵襲。
　　當需要滅磁時，指令快速直流開關FMK分斷，它很快切斷轉子繞組與勵磁電源的聯系。轉子作為一個大電感，使di/dt上升，即勵磁繞組兩端電壓急劇增加，當超過氧化鋅壓敏電阻件的轉折電壓時，YMR立即工作在II區而呈現低阻狀態，轉子電流從FMK轉移到壓敏電阻上，迅速完成換流過程。轉子能量得以通過壓敏電阻釋放，實現滅磁。在滅磁過程中，YMR兩端亦即轉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。從FMK開斷到安全建壓僅需要數毫秒，而整個滅磁過程經歷的時間大約為400毫秒。可見，這種新型的滅磁方式確實具有操作簡單，滅磁速度快，開關容量大，過電壓保護水平可控等獨特優點。

3. IGBT勵磁系統控制單元
　3.1 硬件控制電路
　　HWKT－09型微機勵磁調節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、開關量輸入電路、調寬脈沖輸出電路、信號輸出電路、電源等部分組成。
　　在設計HWKT－09的主控電路時，充分利用該單片機的一些獨特之處，使得這樣一塊小小芯片能充分、合理的控制一套復雜的勵磁系統。運行經驗表明，它功能完善、性能可靠。現舉幾例說明HWKT－09如何充分應用單片機所擁有的資源。
　　◆四通道10位模數轉換器(A/D)，可以十分方便地用于數據采集系統。在裝置中，直接采集四路模擬信號: 發電機勵磁PT電壓UFL、發動機儀表PT電壓UFY、發電機定子電流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器件的觸發信號。
　　◆WATCHDOG功能，使得系統在故障情況下能夠自動恢復正常工作。
　　◆數據通訊功能，可根據用戶的需要，增加與電廠監控系統的通訊。

　　另外，該單片機指令系統極其豐富，采用寄存器-寄存器結構，增設了乘、除法指令，使編程簡潔方便。另外，CPU能接收17個中斷源信號，使中斷系統簡練適用。一只CPU芯片幾乎包含了一臺計算機的所有部件。再經過有針對性的設計，使HWKT－09系列微機勵磁調節器較國內其它廠家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等，在用于實時控制方面，功能更強，性能更優，抗干擾性能更好，可靠性更高。
　　由于全部采用了進口大規模或超大規模集成電路芯片，及其它工業級器件，可靠性得到保證。由于硬件極其簡單，給調試及維護帶來極大的方便。另外輸入、輸出信號經過多重全隔離，采用了高質量的雙套開關電源電路，又采取了有效的抗干擾措施以及嚴格的制造工藝，使得本裝置不僅有很高的可靠性，而且性能優良。
　　3.1.1 主控電路的組成
　　由單片微機（8098）CPU、程序存儲器（EPROM）、工作參數存儲器（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位數碼管、數碼管譯碼驅動芯片、16位鍵盤、鍵盤譯碼芯片等組成。通過特殊按鈕的開關信息和鍵盤中斷來實現調節器參數設置、顯示切換、(10%階躍試驗等功能。
　　3.1.3 測量電路
　　發電機電壓UFY、系統電壓UFL、發電機電流IF、勵磁電流IL四路模擬量經降壓(或變流)整流，再經運放緩沖放大、送入單片機的A/D轉換器。通過對電壓、電流相位的檢測來計算功率因數角及有功、無功。
　　3.1.4 同步電路
　　直流勵磁系統中，通過單片機內部電路產生一組同步信號，分別發送到另一套調節器，經過邏輯判斷，形成脈寬調制脈沖的同步信號。
　　3.1.5 開關量輸入電路
　　共有八路開關量輸入，均經抗干擾處理及光電隔離，再送到相應的檢測芯片。八路開關量分別是: 增加勵磁接點、減少勵磁接點、風機位置接點、手動接點、油開關位置接點、滅磁接點、關機接點、開機接點。
　　調節器面板配設相應的按鈕，能“就地”、“單套”調節以及模擬發電機的運行狀態。
　　3.1.6 調寬脈沖輸出電路
　　由CPU的高速輸出口HSO輸出單相脈寬調制矩形波，經光電隔離、功率放大輸出，可以直接驅動IGBT功率器件。矩形波上升沿小于5us，幅值約15V， 瞬態輸出電流500mA。
　　3.1.7 信號輸出電路
　　共有14路信號輸出，調節器面板上有對應的14只發光二極管指示，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、風機故障、手動運行、油開關狀態、滅磁、低頻、過勵、低勵、PT斷線、試驗及開機; 其中過勵限制、頂值限制、過勵保護共用過勵指示信號，另還有正組脈沖指示、反組脈沖指示。
當過勵保護、PT斷線保護動作，調節器輸出設備故障信號節點，同時在調節器面板上驅動相應指示信號; 當風機故障（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，調節器輸出設備異常信號，同時在調節器面板上驅動相應指示信號; 另設正組脈沖、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電源并聯工作方式。輸入電源采用交流220V整流后與直流 220V并聯，輸入到兩套獨立的開關電源，開關電源的輸出并聯。
此設計方式充分考慮了設備工作的基礎--供電電源的可靠性和冗余度，為整個設備的 正常工作提供堅實的基礎。
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、給定調節、開關量保護判斷、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 勵磁調節器基本功能

◆保持發電機端電壓恒定
◆正負調差率可以選擇
◆發電機恒勵磁電流運行
◆ PID及PI控制調節，附加PSS或EOC調節（可選），可變參數自適應調節及非線性最優調節
◆強勵頂值限制
◆過勵反時限限制
◆低勵限制
◆V/F限制
◆八位數碼管十進制顯示多種參量，循環或定點顯示
◆ 勵磁/儀表電壓互感器斷線檢測及保護
◆全數字調節
◆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監控系統的通信接口
◆空載過壓保護
◆零起升壓可跟蹤系統電壓
◆正常運行時鍵盤封鎖
◆兩套完全獨立的并列運行方式
◆雙套電源供電，面板測量及指示
◆模塊化軟件結構
◆全部參數均用十進制數字顯示
◆十六只薄膜鍵盤在線修改控制參數
◆完備的硬、軟件自診斷功能
◆開機電壓自動置位，關機電壓自動清零
◆狀態信號顯示
◆正反組脈沖輸出雙層隔離，面板測量及指示
◆掉電數據保護

　 3.4 勵磁控制系統方框圖
IGBT開關式自并激微機勵磁控制系統方框圖如圖八所示。

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

4. 結束語
　　IGBT開關式勵磁調節器成功地將新型功率復合電子器件——絕緣柵雙極性晶體管IGBT運用于勵磁控制領域。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，使得開關式勵磁調節器結構簡單、性能價格比大大提高。我們相信，隨著大功率規格的IGBT的出現，以IGBT作為功率器件的開關式勵磁系統將會得到更加廣泛的應用。