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
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