CN103095202A

CN103095202A - 同步发电机逆变式励磁系统

Info

Publication number: CN103095202A
Application number: CN2011103405970A
Authority: CN
Inventors: 戴树梅; 施隆照; 章文裕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提供了一种同步发电机逆变式励磁系统，它由主回路及控制回路组成。主回路是提供励磁电源的电路，包括工频电流整流滤波单元，逆变单元，高频交流变压单元，整流、滤波单元；控制回路主要完成信息采集、数据处理、运算控制、参数给定、脉冲输出与放大、状态和参数显示等监控任务，包括数据采集单元，主控制器单元和脉冲功率放大(即驱动)单元，主控制器以单片机为核心，逆变单元以大功率开关管(场效应管、IGBT管)为核心。本发明不用大型励磁变压器及大功率可控硅元件，具有节能省材，减少体积和重量，降低造价，提高效率，改善调节性能等优点。

Description

同步发电机逆变式励磁系统

【技术领域】

本发明涉及一种同步发电机励磁系统及其控制技术，它是采用一种新型的逆变式电源作为同步发电机的可调励磁电源的励磁系统，属于电力电子技术领域。

【背景技术】

励磁系统是同步发电机重要组成部分，目前国内外同步发电机励磁系统有交流励磁机励磁系统(包恬他励旋转整流器励磁系统即无刷励磁系统和他励静止整流器励磁系统)，直流励磁机励磁系统，静止励磁系统(可控硅自并励、自复励励磁系统)及谐波励磁系统，各种励磁系统有其不同的特点。

自并励静止可控硅励磁系统，其发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，没有机械转动或机械接触类元件，但需要庞大励磁变及功率单元，占地面积大，噪声大，价格亦高；

直流励磁机励磁系统是采用同轴直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流，这是多年来同步发电机的主要励磁系统，至今中小型同步发电机仍有很多采用这种励磁系统。这种励磁系统的优点是具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。但是，运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，维护困难，换向器和电刷的维护工作量大，维护费用高，检修励磁机时必须停主机。而且，随着电力技术及系统的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制，直流励磁机励磁系统不能满足要求。因此，新发电机组直流励磁机励磁系统不再采用，已采用的必须改造；

交流励磁机励磁系统，是用交流励磁机经整流供给发电机励磁。交流励磁机也装在发电机主轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁。此励磁方式属他励磁方式。交流励磁机励磁系统有他励旋转整流器和他励静止整流器励磁系统两种。他励静止的整流装置，又称为他励静止励磁，它由交流副励磁机提供其励磁电流。交流副励磁机有永磁机和自励恒压装置的交流发电机。静止励磁系统中必须经过滑环向旋转的发电机转子提供励磁电流。滑环是一种转动接触元件。大型发电机机组，其转子电流大，滑环的数量多，运行时必须防止滑环过热。他励旋转整流器常称无刷励磁系统，为了提高励磁系统的可靠性，应取消滑环使整个励磁系统都无转动接触的元件，因此近年来很多采用无刷励磁系统。但同抽交流励磁机及旋转整流器维修时仍然要仃机，运行时噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。为了克服上述励磁系统的缺点，本发明提供一种同步发电机逆变式励磁控制系统。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述励磁系统的缺点，特别是直流电机励磁系统及自并励可控硅励磁系统存在的问题而发明的一种新型发电机励磁电源系统及其控制技术。

本发明提供一种同步发电机逆变式励磁控制系统，它由提供励磁电源的主回路及完成数据采集、数据处理和监控任务的控制回路组成。主回路由工频交流整流、滤波单元、逆变单元、高频交流变压单元、二次整流、滤波单元组成，主回路的直流输出与发电机励磁回路相连，不用传统的大型励磁变压器及大功率可控硅元件。

本发明提供的控制回路完成数据采集，运算控制，参数给定、脉冲输出、功率放大、状态和参数显示等监控任务，包括采样单元，主控制器单元，脉冲输出与功率放大(驱动)单元。它能够使励磁装置体积和重量降低，节能省材，效率提高，调节性能改善。由于采用PWM脉宽调制间断地输出脉冲，可获得较好的调节特性。因间歇振荡的频率低，脉冲宽度窄，空载损耗小，变压器不易饱和。

【附图说明】

图1是本发明一种同步发电机逆变式励磁系统主回路结构框图；

图2是本发明一种同步发电机逆变式励磁控制回路结构框图；

图3是本发明一种同步发电机逆变式励磁控制系统总体结构图；

图4是本发明一种同步发电机的逆变式励磁装置电路图；

图5是本发明一种同步发电机的逆变式励磁装置主控制器接线图。

图中：1为交流电压；2为工频交流整流、滤波单元；3为直流电压；4为逆变单元；5为高频交流电压A；6为高频交流电变压；7为高频交流电压B；8为整流、滤波单元；9为直流输出电压。

A为数据采集单元；B为主控制器单元；C为脉冲输出和功率放大(即驱动)单元；E为主控制器还与上位机；F为人机对话；G为开关量输入；H为开关量输出；UF为发电机端电压；UX为系统电压；IF为发电机定子电流；IL为发电机励磁电流。

【具体实施方式】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明：

图1、图2所示为提供励磁电源的主回路及完成信息采集、调节计算和监控任务的控制回路，主回路它将工频(50Hz)单相交流220V电压或三相交流380V电压，先经整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件(场效应管MOSFET或IGBT)进行逆变处理，由开关管逆变成100KHz(10万Hz)的高频交流电，同时经变压器降至适合于励磁用的几十伏电压，再经二次整流和滤波将100KHz的高频交流电流再次转变成直流电流，供发电机励磁。其变换顺序为：工频交流(经整流滤波)→直流(经逆变)→高频交流(降压、整流、滤波)→直流。即：AC→DC→AC→DC。

如图3、图4、图5所示励磁输出电流、功率的大小由逆变单元控制。逆变单元工作频率高，因此功率元件选用MOSFET场效应管或IGBT管。MOSFET场效应管由于具有极高的开关频率，每秒钟可开关50万次以上，耐压一般在500V以上，耐温150℃(管芯)，而且导通电阻，管子损耗低，场效应管作为逆变器的开关器件，可以把开关频率设计得很高，以提高转换效率和节省成本(使用高频率变压器以减小体积)。它是较好的开关器件，适合在高频电路中作开关器件使用。但是场效应管的工作电流较小，一般在9A至20A左右，需采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流，而且由于场效应管其引脚的爬电距离(导电体到另一导电体间的表面距离)较小，在环境高压下容易被击穿，使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全；采用IGBT即双极型绝缘效应管，可以通过大电流(100A以上)，但其开关频率在20KHZ～30KHZ之间。由于IGBT的开关频率较场效应管低，因此其变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管体积增大，技术参数也不同。IGBT外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。晶闸管(SCR)由于其开关频率最低约1000 次/秒左右，因此不用作高频工作的逆变式励磁控制系统开关电路。

由于变压器原绕组和副绕组电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：E＝4.44FBSW，而绕组的端电压U近似地等于E，即：U≈E＝4.44FBSW，由上式可见，当U、B一定时F提高，则S减小，W减少，使变压器的重量和体积就可以大大减小。就能使整机的重量和体积显著减小。

控制回路包括数据采集单元A，主控制器单元B，脉冲输出和功率放大单元C，其数据采集单元A与UF，UX，IF，IL等采样量相连；其主控制器单元B一端与数据采集电路A相连，另一端与脉冲输出和功率放大单元C相连，主控制器还与上位机E，人机对话F及开关量输入G、开关量输出H设备相联；其脉冲输出和功率放大单元C与逆变单元4相连。

主控器单元B以单片机为核心，采用PWM脉宽调制间断地输出脉冲；逆变单元4其功率元件以MOSFET场效应管或IGBT管为核心，其直流输出电流大小由逆变单元调节。主控制器单元B一端与数据采集电路A相联，另一端与脉冲输出和功率放大单元C相联，主控制器还与上位机E，人机对话F及开关量输入G、开关量输出H设备相联，主控器以单片机为核心。

主回路由工频交流整流、滤波单元、逆变单元、高频交流变压单元、二次整流、滤波单元组成，主回路的直流输出与发电机励磁回路(LQ)相连，不用大型变压器及大功率可控硅元件。逆变单元功率元件以MOSFET场效应管或IGBT管为核心，工频交流电源可由发电机端提供(自励)，也可由其它交流电源提供(他励)。

本发明控制回路的主控制器以单片机为核心，采样参数有励磁电流，系统电压，发电机电流，发电机电压，励磁电流，励磁电压及有关开关量信息等。采用PWM脉宽调制间断地输出脉冲，其逆变频率为100kHz。

Claims

1.一种同步发电机逆变式励磁系统，它由提供励磁电源的主回路及完成数据采集、数据处理和监控任务的控制回路组成，其特征在于：主回路由工频交流整流、滤波单元(2)、逆变单元(4)、高频交流变压单元(6)、二次整流、滤波单元(8)组成，主回路的直流输出(9)与发电机励磁回路(LQ)相连，不用传统的大型励磁变压器及大功率可控硅元件。

2.按照权利要求1所述的一种同步发电机逆变式励磁系统，其特征在于：控制回路包括数据采集单元(A)，主控制器单元(B)，脉冲输出和功率放大单元(C)，其数据采集单元(A)与UF，UX，IF，IL等采样量相连；其主控制器单元(B)一端与数据采集电路(A)相连，另一端与脉冲输出和功率放大单元(C)相连，主控制器还与上位机(E)，人机对话(F)及开关量输入(G)、开关量输出(H)设备相联；其脉冲输出和功率放大单元(C)与逆变单元(4)相连。

3.按照权利要求1或2所述的一种同步发电机逆变式励磁系统，其特征在于：主控器单元(B)以单片机为核心，采用PWM脉宽调制间断地输出脉冲；逆变单元(4)其功率元件以MOSFET场效应管或IGBT管为核心，其直流输出电流大小由逆变单元调节。