IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理及应用

与此相对应的伏安特性如图六所示。可以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YMR与FLQ是并联连接，当正常工作时，FLQ两端电压较低，YMR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。它既不能消耗能量，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100毫秒，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吸收，保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，它很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，YMR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，YMR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. IGBT励磁系统控制单元
　3.1 硬件控制电路
　　HWKT－09型微机励磁调节器的控制回路由主控电路、键盘显示电路、测量电路、同步电路、开关量输入电路、调宽脉冲输出电路、信号输出电路、电源等部分组成。
　　在设计HWKT－09的主控电路时，充分利用该单片机的一些独特之处，使得这样一块小小芯片能充分、合理的控制一套复杂的励磁系统。运行经验表明，它功能完善、性能可靠。现举几例说明HWKT－09如何充分应用单片机所拥有的资源。
　　◆四通道10位模数转换器(A/D)，可以十分方便地用于数据采集系统。在装置中，直接采集四路模拟信号: 发电机励磁PT电压UFL、发动机仪表PT电压UFY、发电机定子电流IF及励磁电流IL。
　　◆四路高速输入通道HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3，可用以记录外部事件。在本装置中，利用HSI.1通道测量同步脉冲信号，利用HSI.0通道测量功率脉冲信号。
　　◆六路高速输出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。在本装置中利用这些输出通道输出IGBT器件的触发信号。
　　◆WATCHDOG功能，使得系统在故障情况下能够自动恢复正常工作。
　　◆数据通讯功能，可根据用户的需要，增加与电厂监控系统的通讯。

　　另外，该单片机指令系统极其丰富，采用寄存器-寄存器结构，增设了乘、除法指令，使编程简洁方便。另外，CPU能接收17个中断源信号，使中断系统简练适用。一只CPU芯片几乎包含了一台计算机的所有部件。再经过有针对性的设计，使HWKT－09系列微机励磁调节器较国内其它厂家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等，在用于实时控制方面，功能更强，性能更优，抗干扰性能更好，可靠性更高。
　　由于全部采用了进口大规模或超大规模集成电路芯片，及其它工业级器件，可靠性得到保证。由于硬件极其简单，给调试及维护带来极大的方便。另外输入、输出信号经过多重全隔离，采用了高质量的双套开关电源电路，又采取了有效的抗干扰措施以及严格的制造工艺，使得本装置不仅有很高的可靠性，而且性能优良。
　　3.1.1 主控电路的组成
　　由单片微机（8098）CPU、程序存储器（EPROM）、工作参数存储器（E2PROM）、石英晶体等组成。
　　3.1.2 键盘显示电路
　　该电路由键盘显示控制芯片、8位数码管、数码管译码驱动芯片、16位键盘、键盘译码芯片等组成。通过特殊按钮的开关信息和键盘中断来实现调节器参数设置、显示切换、(10%阶跃试验等功能。
　　3.1.3 测量电路
　　发电机电压UFY、系统电压UFL、发电机电流IF、励磁电流IL四路模拟量经降压(或变流)整流，再经运放缓冲放大、送入单片机的A/D转换器。通过对电压、电流相位的检测来计算功率因数角及有功、无功。
　　3.1.4 同步电路
　　直流励磁系统中，通过单片机内部电路产生一组同步信号，分别发送到另一套调节器，经过逻辑判断，形成脉宽调制脉冲的同步信号。
　　3.1.5 开关量输入电路
　　共有八路开关量输入，均经抗干扰处理及光电隔离，再送到相应的检测芯片。八路开关量分别是: 增加励磁接点、减少励磁接点、风机位置接点、手动接点、油开关位置接点、灭磁接点、关机接点、开机接点。
　　调节器面板配设相应的按钮，能“就地”、“单套”调节以及模拟发电机的运行状态。
　　3.1.6 调宽脉冲输出电路
　　由CPU的高速输出口HSO输出单相脉宽调制矩形波，经光电隔离、功率放大输出，可以直接驱动IGBT功率器件。矩形波上升沿小于5us，幅值约15V， 瞬态输出电流500mA。
　　3.1.7 信号输出电路
　　共有14路信号输出，调节器面板上有对应的14只发光二极管指示，共用4个光字牌信号输出，并可接至中央控制室。这14路输出信号分别是: +12V电源、-12V电源、+5V电源、24V电源、风机故障、手动运行、油开关状态、灭磁、低频、过励、低励、PT断线、试验及开机; 其中过励限制、顶值限制、过励保护共用过励指示信号，另还有正组脉冲指示、反组脉冲指示。
当过励保护、PT断线保护动作，调节器输出设备故障信号节点，同时在调节器面板上驱动相应指示信号; 当风机故障（功率单元温度过高）、手动、灭磁、低励限制、过励限制、顶值限制等动作，调节器输出设备异常信号，同时在调节器面板上驱动相应指示信号; 另设正组脉冲、反组脉冲两路信号指示。
　　3.1.8 电源
　　电源采用双路输入双路开关电源并联工作方式。输入电源采用交流220V整流后与直流 220V并联，输入到两套独立的开关电源，开关电源的输出并联。
此设计方式充分考虑了设备工作的基础--供电电源的可靠性和冗余度，为整个设备的 正常工作提供坚实的基础。
输入: DC220V±20％; AC220V±10％~20％，
输出: +5V/10A; +12V/2A；-12V/2A; +24V/1A; 24V与其它三路电源电气隔离，用作开关信号输入、输出和脉冲功放电源。

　 3.2 控制软件主程序原理流程图
　　控制软件程序包含各功能子模块程序、显示、给定调节、开关量保护判断、采集、功率计算、自动PID、手动PID、低励PID、控制方式选择、手动跟踪自动、自动跟踪手动、PSS、恒无功等、键盘处理子程序、高速输入中断、高速输出中断等。
主程序原理流程图如图七所示。

　 3.3 励磁调节器基本功能