■ 國電電力桓仁發(fā)電廠 陳基偉

1 前言

我廠底孔電站四號機組，機組容量為10MW，1994年11月投產(chǎn)。其使用的勵磁調(diào)節(jié)裝置為湖南零凌無線電廠生產(chǎn)的TKLF型勵磁調(diào)節(jié)裝置，控制結(jié)構(gòu)比較簡單，為獨立元件的模擬控制電路，現(xiàn)在已經(jīng)超過了十年的使用壽命。其設(shè)備故障率高、控制功能不完善的缺點已初顯端繆。需要進行改造，

我廠現(xiàn)已立項，準備明年更換的三號機組勵磁設(shè)備，原為東北電力科學(xué)院研制的PLC型勵磁調(diào)節(jié)器。該型勵磁調(diào)節(jié)器因本身設(shè)計原因，部分功能不完善，但其使用時間不到六年，因此可以利用這套退出的勵磁調(diào)節(jié)器對我廠四號機組小機的勵磁設(shè)備進行改造。將原四號機組的半控橋靜止勵磁調(diào)節(jié)器改造為IGBT自并激勵磁系統(tǒng)。

IGBT自并激勵磁系統(tǒng)由勵磁變壓器、復(fù)勵變壓器、三相不可控整流橋及IGBT功率單元、滅磁單元、控制單元六部分組成。交流勵磁電源取自發(fā)電機端（也稱機端變壓器）勵磁變壓器，勵磁變壓器的二次側(cè)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)電機勵磁繞組勵磁，勵磁電流的調(diào)節(jié)由串接于發(fā)電機勵磁回路的IGBT以直流斬波的方式實現(xiàn)。IGBT如同一只電子開關(guān)，在自動勵磁調(diào)節(jié)器的控制下，連續(xù)處于導(dǎo)通或截止狀態(tài)，以達到調(diào)節(jié)勵磁電流的目的。復(fù)勵變壓器/復(fù)勵橋如果投入使用，則可在發(fā)電機并網(wǎng)以后，提供一部分輔助勵磁電流，減少勵磁變壓器的工作負擔(dān)，增加勵磁變壓器的容量裕度。

2 勵磁改造方案

2.1. 控制器部分

PLC勵磁調(diào)節(jié)器的控制核心包括兩個部分：模擬量采集及控制部分（采用MODICON 984-145 PLC）和邏輯控制部分（采用OMRON PLC）。

桓仁3#機組目前使用的勵磁控制系統(tǒng)，是以MODICON 984-145 PLC 為控制核心，使用IGBT控制勵磁機正負繞組，進而控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓的工作方式。因為它使用的是一套控制系統(tǒng)，因此當(dāng)該套控制系統(tǒng)失效以后，將會發(fā)生不可預(yù)料的后果。

我們這里使用雙套PLC系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)分別控制不同的回路。模擬控制PLC在進行機組有功、無功、機端電壓、轉(zhuǎn)子電流數(shù)據(jù)的采集后，根據(jù)上位控制計算機下傳的無功給定（或功率因數(shù)給定）進行計算，輸出一個對IGBT的控制脈寬，控制IGBT的工作。邏輯控制PLC在進行開停機過程邏輯控制、勵磁調(diào)節(jié)器故障處理的同時，監(jiān)視模擬量控制PLC的工作狀態(tài)。并執(zhí)行故障處理、報警。在模擬控制PLC退出工作以后，邏輯控制PLC將勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入手動控制狀態(tài)下，保證勵磁裝置繼續(xù)工作。

采用兩臺PLC控制器獨立控制的優(yōu)點是：

1、 模擬控制PLC僅進行數(shù)據(jù)的采集、計算及對IGBT的脈寬控制，不參與勵磁調(diào)節(jié)器的故障處理，從而提高了PLC的運行速度；

2、 邏輯控制PLC在進行勵磁調(diào)節(jié)器故障處理、開停機過程邏輯控制的同時，監(jiān)視模擬量控制PLC的工作狀態(tài)。保證機組在模擬控制PLC死機的情況下能夠迅速解列停機。

3、 如果對勵磁調(diào)節(jié)器的控制性能要求比較高，可以制作一個完全獨立的穩(wěn)定電壓電路。在模擬控制PLC出現(xiàn)控制失誤或設(shè)備故障時，由邏輯控制PLC將模擬控制PLC的控制電壓切除，將穩(wěn)定電壓電路的控制電壓投入。從而保證機組在任何情況下，均受控。

2.2. 勵磁主回路

我廠四號機組勵磁部分，原為可控硅靜止勵磁方式，其勵磁系統(tǒng)主接線如圖1。

將勵磁主回路中的三組可控硅KP1、KP2、KP3更換為二極管V12、V13、V14。即將原半控橋勵磁調(diào)節(jié)器改變?yōu)槿ㄕ鳂颉＝?jīng)整流得到的脈動直流電源由IGBT進行斬波控制。改造后的勵磁系統(tǒng)控制接線參圖2。

勵磁變出來的勵磁電流經(jīng)全波整流后，由功率部分——IGBT進行控制,給機組轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。

2.3. 功率部分

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，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、濾波回路和功率開關(guān)。前者將交流勵磁電源變換為直流電源供功率開關(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)電機的勵磁輸入功率進行控制。

根據(jù)實際觀察，在將附勵變（電流變流器BM）二次側(cè)短接后（合上ZK）后，機組勵磁部分的工作參數(shù)為：

?

根據(jù)我廠多年勵磁改造的經(jīng)驗，單IGBT功率管在300安培的電流下工作，可靠性比較低。因此，我們可以使用多套IGBT管并聯(lián)工作的辦法，降低單支IGBT管的工作電流。下圖以10支IGBT管并聯(lián)為例進行說明。

從表1可以知道，4號機組勵磁調(diào)節(jié)器在額定有功、額定無功時的最大轉(zhuǎn)子電流為380A，在最理想的狀態(tài)下，每支IGBT分擔(dān)的最大電流為38A。但是在實際使用中，無功負荷一般均很小。當(dāng)單支IGBT出現(xiàn)激穿故障時，流過故障IGBT的電流不再受控，電流幅值將達到幾百安培。因此我們可以使用100安培的快速熔斷器，對每支IGBT進行保護。使用撞擊熔斷器監(jiān)視快速熔斷器的狀態(tài)。

2.4. 調(diào)節(jié)器外圍元件

2.4.1. IGBT的驅(qū)動條件及典型驅(qū)動電路

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。

驅(qū)動電路：

到目前為止，IGBT有多種成熟的驅(qū)動電路。日本富士電機公司生產(chǎn)的EXB8..Series集成芯片是一種專用于IGBT，集驅(qū)動、保護等功能于一體的復(fù)合集成電路。廣泛用于逆變器和電機驅(qū)動用變頻器、伺服電機驅(qū)動、UPS、感應(yīng)加熱和電焊設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域。

常用的EXB8..Series主要有：標準系列的EXB850和EXB851，高速系列的EXB840和EXB841。其主要應(yīng)用場合如表2所示。

注：（1） 標準系列：驅(qū)動電路中的信號延遲≤4μs；（2） 高速系列：驅(qū)動電路中的信號延遲≤1.5μs。

圖4和圖5給出了EXB8..Series的功能方框圖。

它具有以下的特點：

（1） 不同的系列（標準系列可用于達到10kHz開關(guān)頻率工作的IGBT，高速系列可用于達到40kHz開關(guān)頻率工作的IGBT）；

（2） 內(nèi)置的光耦可隔離高達2500V/min的電壓；

（3） 單電源的供電電壓使其應(yīng)用起來更為方便；

（4） 內(nèi)置的過流保護功能使得IGBT能夠更加安全地工作；

（5） 具有過流檢測輸出信號；

（6） 單列直插式封裝使得其具有高密度的安裝方式。

圖6給出了EXB8..Series的典型應(yīng)用電路。

EXB8..Series使用不同的型號，可以驅(qū)動電流高達400A，電壓高達1200V的各種型號的IGBT。由于驅(qū)動電路的信號延遲時間分為兩種：標準型（EXB850、EXB851）≤4μ s，高速型（EXB840、EXB841）≤1μs，所以標準型的IC比較適用于我們的驅(qū)動電路。在驅(qū)動電路的設(shè)計中，應(yīng)注意以下幾個方面的問題：

（1） IGBT柵-射極驅(qū)動電路接線必須小于1m；

（2） IGBT柵-射極驅(qū)動電路接線應(yīng)為雙絞線；

（3） 如想在IGBT集電極產(chǎn)生大的電壓尖脈沖，那么增加IGBT柵極串聯(lián)電阻（Rg）即可；

（4） 應(yīng)用電路中的電容C1和C2取值相同，對于EXB850和EXB840來說，取值為33μF，對于EXB851和EXB841來說，取值為47μF。該電容用來吸收由電源接線阻抗而引起的供電電壓變化。它不是電源濾波器電容。

2.4.2. 采集單元、變送器

PLC勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)上位機無功給定和機組運行狀態(tài)，控制功率元件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而達到控制發(fā)電機機端電壓和機組無功負荷的目的。因此，PLC勵磁調(diào)節(jié)器必須有數(shù)據(jù)采集單元及電量變送器。其中必須選用的是定子電壓變送器和無功變送器；轉(zhuǎn)子電流變送器用于電氣失磁保護、過勵保護的故障檢測回路。有功功率變送器主要用于低勵限制單元?？刂破魇褂玫牟杉瘑卧獮槟M量采集模塊ADU205，參數(shù)設(shè)置可以參考其軟/硬件手冊，這里不再贅述。

PLC勵磁調(diào)節(jié)器的控制原理如圖7

2.4.3. 可控振蕩電路

PLC勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)計算得到的控制量，是保存在寄存器內(nèi)的一個數(shù)據(jù)，而IGBT驅(qū)動電路需要的是一個控制脈沖，MODICON 984 PLC沒有高頻輸出模塊，因此為實現(xiàn)從PLC寄存器數(shù)據(jù)到控制脈沖的轉(zhuǎn)化，我們使用PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出一個直流電壓值Uk，驅(qū)動可控振蕩器輸出我們需要的控制脈沖。振蕩電路如圖8所示。

2.5. 邏輯控制PLC的手動切換功能

邏輯控制PLC在判斷模擬控制PLC故障以后，用繼電器將模擬控制PLC的控制電壓切除。這時如果機組出口斷路器是在“合”位，則將手動控制電位器的控制電壓投入；如果機組出口斷路器是在“分”位，則報警“勵磁裝置PLC故障，控制脈沖切除。

接線原理如圖9。

3. 可行性論述

PLC勵磁控制器的核心在于一臺可編程邏輯控制器（Progranmable logical controller 簡稱PLC），它以數(shù)字和邏輯編程的方法，發(fā)揮本身模擬量與開關(guān)量的優(yōu)勢，把勵磁控制的全過程貫穿起來，從根本上解決了模擬勵磁調(diào)節(jié)器與微機勵磁調(diào)節(jié)器的不足，大大提高了發(fā)電機的可靠性。

對于全控橋/半控橋可控硅勵磁回路，因為PLC程序本身的運行周期比較長（往往達到上百毫秒），無法檢測到勵磁變壓器三相電壓的同步信號，所以PLC控制器無法直接使用到可控硅勵磁回路中。我們將勵磁變壓器二次側(cè)進行全波整流后，再通過IGBT對整流后的脈動直流進行斬波控制，就充分彌補了PLC裝置本身存在的無法響應(yīng)控制中斷的缺點。經(jīng)過IGBT控制的勵磁電流波形如圖10所示。

脈沖波的高電位為IGBT的導(dǎo)通時間Ton,低電位為脈沖波的截止時間Toff。脈沖波的占空比：

K=Ton/（Ton+Toff）

發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓的平均值為：

U平均=K×Ul=Ton×Ul/（Ton+Toff）

由此可見，改變脈沖波的占空比K，即可改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組兩端的電壓，從而達到調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓或無功的目的。

前面已經(jīng)說過，PLC勵磁調(diào)節(jié)器的控制核心采用兩臺PLC控制器聯(lián)合控制，具有可靠性高、運行速度高的優(yōu)點。同時，使用PLC邏輯控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器邏輯回路，可以大大減少設(shè)備盤內(nèi)的配線數(shù)量，減少設(shè)備的故障點，也減少了機組大、小修時的工作量。PLC控制器的高可靠性為機組安全穩(wěn)定運行提供了必要的保障。

4. 結(jié)論

使用以PLC為控制核心的IGBT自并激勵磁系統(tǒng)，代替原有的以模擬電路為控制核心的三相半控橋勵磁裝置，是一次技術(shù)上的革新。其新穎、獨特、合理的控制理念，必然會為我廠設(shè)備的安全運行做出更大的貢獻。