摘要:文章对使用以PLC为控制核心,利用IGBT进行直流斩波的自并激励磁系统,取代传统的三相全控桥/半控桥可控硅励磁系统的实现方法进行了深入的分析。结合桓仁发电厂4#机组,提出了技术改造的具体操作方法。特别对技术改造中的核心问题——IGBT组合方法、IGBT驱动电路做了全面的论述。最后得出结论:使用PLC+可控振荡器+IGBT组成的自并激励磁系统,取代传统的三相全控桥/半控桥可控硅励磁系统是完全可行的。

关键词:PLC;IGBT;自并激励磁系统;设备改造

中图分类号:TM571.61文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)06-0111-02

1引言

桓仁发电厂底孔电站四号机组,机组容量为10 MW,1994年11月投产。其使用的励磁调节装置为湖南零凌无线电厂生产的TKLF型励磁调节装置,控制结构比较简单,为独立元件的模拟控制电路,现在已经超过了十年的使用寿命。

桓仁发电厂三号机组励磁设备,原为东北电力科学院研制的PLC型励磁调节器。因设计原因,部分功能不完善,但其使用时间不到六年,本论文准备可以利用这套退出的励磁调节器对我厂四号机组小机的励磁设备进行改造。将原四号机组的半控桥静止励磁调节器改造为IGBT自并激励磁系统。

IGBT自并激励磁系统由励磁变压器、复励变压器、三相不可控整流桥及IGBT功率单元、灭磁单元、控制单元六部分组成。交流励磁电源取自发电机端(也称机端变压器)励磁变压器,励磁变压器的二次侧输出经三相不可控全波整流桥整流,输出的直流电压给发电机励磁绕组励磁,励磁电流的调节由串接于发电机励磁回路的IGBT以直流斩波的方式实现。IGBT如同一只电子开关,在自动励磁调节器的控制下,连续处于导通或截止状态,以达到调节励磁电流的目的。复励变压器/复励桥如果投入使用,则可在发电机并网以后,提供一部分辅助励磁电流,减少励磁变压器的工作负担,增加励磁变压器的容量裕度。

2励磁改造方案

2.1控制器部分

PLC励磁调节器的控制核心包括两个部分:模拟量采集及控制部分(采用MODICON 984-145 PLC)和逻辑控制部分(采用OMRON PLC)。本次设计采用双套PLC系统,两套系统分别控制不同的回路。模拟控制PLC在进行机组有功、无功、机端电压、转子电流数据的采集后,根据上位控制计算机下传的无功给定(或功率因数给定)进行计算,输出一个对IGBT的控制脉宽,控制IGBT的工作。逻辑控制PLC在进行开停机过程逻辑控制、励磁调节器故障处理的同时,监视模拟量控制PLC的工作状态。并执行故障处理、报警。在模拟控制PLC退出工作以后,逻辑控制PLC将励磁调节器转入手动控制状态下,保证励磁装置继续工作。

采用两台PLC控制器独立控制的优点是:①模拟控制PLC仅进行数据的采集、计算及对IGBT的脉宽控制,不参与励磁调节器的故障处理,从而提高了PLC的运行速度。②逻辑控制PLC在进行励磁调节器故障处理、开停机过程逻辑控制的同时,监视模拟量控制PLC的工作状态。保证机组在模拟控制PLC死机的情况下能够迅速解列停机。③如果对励磁调节器的控制性能要求比较高,可以制作一个完全独立的稳定电压电路。在模拟控制PLC出现控制失误或设备故障时,由逻辑控制PLC将模拟控制PLC的控制电压切除,将稳定电压电路的控制电压投入。从而保证机组在任何情况下,均受控。

2.2励磁主回路

我厂四号机组励磁部分,原为可控硅静止励磁方式,其励磁系统主接线如图1所示。

将励磁主回路中的三组可控硅KP1、KP2、KP3更换为二极管V12、V13、V14。即将原半控桥励磁调节器改变为全波整流桥。经整流得到的脉动直流电源由IGBT进行斩波控制。

2.3功率部分

IGBT器件结合了双极型晶体管的功率特性和场效应管控制简单的优点,将其应用于励磁领域可使功率部分简化,也消除了SCR晶闸管可控整流方式的一些弊病。使系统的经济性和可靠性得到了提高。

功率单元主要由两部分组成: 整流、滤波回路和功率开关。前者将交流励磁电源变换为直流电源供功率开关使用,并滤除大的纹波、毛刺和均衡三相电源的负载。后者受控于调节器,调节功率开关的闭合时间即可控制励磁电流的大小。也就是说,调整功率管的导通时间即可对发电机的励磁输入功率进行控制。根据实际观察,在将附励变(电流变流器BM)二次侧短接后(合上ZK)后,机组励磁部分的工作参数如表1所示。

单IGBT功率管在300安培的电流下工作,可靠性比较低。因此,我们可以使用多套IGBT管并联工作的办法,降低单支IGBT管的工作电流。从表1可以知道,4号机组励磁调节器在额定有功、额定无功时的最大转子电流为380 A,在最理想的状态下,每支IGBT分担的最大电流为38 A。但是在实际使用中,无功负荷一般均很小。当单支IGBT出现激穿故障时,流过故障IGBT的电流不再受控,电流幅值将达到几百安培。因此我们可以使用100 A的快速熔断器,对每支IGBT进行保护。使用撞击熔断器监视快速熔断器的状态。

2.4调节器外围元件

①IGBT的驱动条件及典型驱动电路。到目前为止,IGBT有多种成熟的驱动电路。日本富士电机公司生产的EXB8..Series集成芯片是一种专用于IGBT,集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加热和电焊设备等工业领域。②采集单元、变送器。PLC励磁调节器根据上位机无功给定和机组运行状态,控制功率元件IGBT的导通和关断,从而达到控制发电机机端电压和机组无功负荷的目的。因此,PLC励磁调节器必须有数据采集单元及电量变送器。其中必须选用的是定子电压变送器和无功变送器;转子电流变送器用于电气失磁保护、过励保护的故障检测回路。有功功率变送器主要用于低励限制单元。控制器使用的采集单元为模拟量采集模块ADU205,参数设置可以参考其软/硬件手册,这里不再赘述。③可控振荡电路。PLC励磁调节器根据计算得到的控制量,是保存在寄存器内的一个数据,而IGBT驱动电路需要的是一个控制脉冲,MODICON984 PLC没有高频输出模块,因此为实现从PLC寄存器数据到控制脉冲的转化,我们使用PLC的D/A转换模块输出一个直流电压值Uk,驱动可控振荡器输出我们需要的控制脉冲。

2.5逻辑控制PLC的手动切换功能

逻辑控制PLC在判断模拟控制PLC故障以后,用继电器将模拟控制PLC的控制电压切除。这时如果机组出口断路器是在“合”位,则将手动控制电位器的控制电压投入;如果机组出口断路器是在“分”位,则报警“励磁装置PLC故障,控制脉冲切除。

3可行性论述

PLC励磁控制器的核心在于一台可编程逻辑控制器,它以数字和逻辑编程的方法,发挥本身模拟量与开关量的优势,把励磁控制的全过程贯穿起来,从根本上解决了模拟励磁调节器与微机励磁调节器的不足,大大提高了发电机的可靠性。

对于全控桥/半控桥可控硅励磁回路,因为PLC程序本身的运行周期比较长(往往达到上百毫秒),无法检测到励磁变压器三相电压的同步信号,所以PLC控制器无法直接使用到可控硅励磁回路中。我们将励磁变压器二次侧进行全波整流后,再通过IGBT对整流后的脉动直流进行斩波控制,就充分弥补了PLC装置本身存在的无法响应控制中断的缺点。经过IGBT控制的励磁电流波形如图2所示。

脉冲波的高电位为IGBT的导通时间Ton,低电位为脉冲波的截止时间Toff。脉冲波的占空比:

K=Ton/(Ton+Toff)

发电机转子电压的平均值为:

U平均=K×Ul=Ton×Ul/(Ton+Toff)

由此可见,改变脉冲波的占空比K,即可改变发电机转子绕组两端的电压,从而达到调节发电机输出电压或无功的目的。前面已经说过,PLC励磁调节器的控制核心采用两台PLC控制器联合控制,具有可靠性高、运行速度高的优点。同时,使用PLC逻辑控制器代替传统的继电器逻辑回路,可以大大减少设备盘内的配线数量,减少设备的故障点,也减少了机组大、小修时的工作量。PLC控制器的高可靠性为机组安全稳定运行提供了必要的保障。

4结语

使用以PLC为控制核心的IGBT自并激励磁系统,代替原有的以模拟电路为控制核心的三相半控桥励磁装置,是一次技术上的革新。其新颖、独特、合理的控制理念,必然会为我厂设备的安全运行做出更大的贡献。

参考文献:

[1] 明正蜂,童建利,钟彦儒.三相逆变器中IGBT的几种驱动电 路的分析[J].电源技术应用,2007,(6).