CN218976587U - 一种基于igbt控电的无刷励磁装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无刷励磁设备技术领域，尤其涉及一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，包括数字主控板、IGBT驱动板、三相不可控整流桥模块、IGBT模块、无刷励磁机和滤波电容C1；三相不可控整流桥模块的输出端连接IGBT模块，滤波电容C1接入三相不可控整流桥模块与IGBT模块之间；数字主控板通过IGBT驱动板接入IGBT模块，用于控制IGBT模块对三直流电进行斩波，以生成可控电压的直流电，用于输入无刷励磁机的定子侧以形成磁场。本技术方案的三相不可控整流桥模块无需复杂的触发电路，只需对IGBT模块进行控制即可，有效简化了电路结构，对降低装置生产成本和维护费用具有重要作用。

Description

一种基于IGBT控电的无刷励磁装置

技术领域

本实用新型属于无刷励磁设备技术领域，尤其涉及一种基于IGBT控电的无刷励磁装置。

背景技术

无刷交流发电机实际上是两台发电机构成的，即一台励磁机和一台主发电机。主发电机的励磁绕组在转子侧、电枢绕组在定子侧（将发出的电输出）；励磁机的电枢绕组在转子侧、励磁绕组在定子侧。

无刷交流发电机的工作原理是对励磁机在定子上的励磁绕组提供励磁，励磁机转子电枢绕组将发出交流电，经过整流后在转子向主发电机在转子侧的励磁绕组供电，从而使主发电机在定子的电枢绕组感应出所需的交流电来，这就是一般交流发电机的“无刷”工作原理。其中，“对励磁机在定子上的励磁绕组提供励磁”的任务就是由无刷励磁装置完成的。

无刷励磁装置可以控制电流大小，从而影响对励磁绕组提供励磁的大小，达到控制发电机机端电压的目的。目前国内的无刷励磁装置采用晶闸管整流技术实现对电流的控制。如图1所示是晶闸管整流系统图，晶闸管整流技术是一种成熟的整流技术，在大功率整流领域有很多应用，但晶闸管是一种半控桥，其控制精度并不精准。

对于上述问题，现有技术中公开号为CN214314992U的中国专利文献，公开了一种基于数字信号处理和全数字整流同步电动机的励磁装置，其也是采用了晶闸管整流技术，具体公开了变压器ZLB与晶闸管整流电路相连接，晶闸管整流电路与同步电动机TD的转子励磁绕组相连接，同步电动机定子通过投励环节和失步保护模块与DSP励磁控制器相连接，DSP励磁控制器与晶闸管整流电路之间连接有脉冲触发电路，DSP励磁控制器与数据存储模块、A/D变换器和HMI界面相连接；晶闸管整流电路与同步电动机之间连接有灭磁模块。本实用新型调节精度高、稳定性好、在线修改参数方便、具有多种调节控制规律选择，启动过程中完全保持同步电动机的固有特性。同步电动机在停车或失步时，励磁装置采用灭磁模块将灭磁电阻串入励磁绕组回路，有效抑制电动机转子感应电压确保进入准同步。该技术方案任然是采用的晶闸管整流，虽然采用了DSP励磁控制器进行控制，在一定程度上提高了调节精度（即控制精度），但由于晶闸管是一种半控桥，该技术方案并不能完全解决控制精度不精准的问题。

另外，晶闸管需要高电压的序列脉冲才能触发，而一个整流单元中存在多个晶闸管，为了达到触发条件，所需要的控制触发脉冲的电路单元都比较复杂，整体使得无刷励磁装置的结构组成复杂，由此便会增加的生产成本和维护费用。

发明内容

本实用新型针对现有技术中，无刷励磁装置采用晶闸管整流技术存在控制精度并不精准以及控制触发脉冲的电路复杂等问题，提供一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，采用IGBT配合三相不可控整流桥进行整流控电，取代以前的晶闸管整流，并开发一套适用于无刷励磁系统的控制板卡，该控制板卡集成了控制IGBT所需的PWM信号，以及励磁系统所需要的全部功能，对简化装置结构具有重要作用，并且该技术方案减少了装置的体积，便于整体安装。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：包括数字主控板、IGBT驱动板、三相不可控整流桥模块、IGBT模块、无刷励磁机和滤波电容C1；所述三相不可控整流桥模块的输入端用于连接励磁变压器的副边，三相不可控整流桥模块的输出端与IGBT模块电性连接，所述滤波电容C1接入三相不可控整流桥模块与IGBT模块之间； 所述数字主控板通过IGBT驱动板接入IGBT模块，用于控制IGBT模块对三相不可控整流桥模块输出的直流电进行斩波，以生成可控电压的直流电，用于输入所述无刷励磁机的定子侧以形成磁场。

优选的，所述IGBT模块的内部封装有包括三极管Q和续流二极管D；所述IGBT驱动板接入三极管Q的栅极，三极管Q的发射极连接三相不可控整流桥模块输出端的正极，三极管Q的集电极连接无刷励磁机的正极，同时通过续流二极管D连接无刷励磁机的负极和三相不可控整流桥模块输出端的负极。

优选的，所述三极管Q的发射极与三相不可控整流桥模块输出端的正极之间设置有连接数字主控板的励磁电流采集点A；所述无刷励磁机的正极端设置有连接数字主控板的机端电流采集点B、机端电压采集点C和系统电压采集点D。

优选的，所述数字主控板集成了AD采集电路以及含有DSP芯片的主控电路；AD采集电路与的输出端接入主控电路，用于采集包括（无刷励磁机）机端电压、系统（励磁系统）电压、机端电流和励磁电流在内的模拟信号，并将模拟信号输送至主控电路；主控电路连接IGBT驱动板，用于通过DSP芯片基于模拟信号进行运算，并获取运算结果；DSP芯片中含有PWM硬件模块，PWM硬件模块用于根据运算结果产生输入IGBT驱动板的PWM波信号。

优选的，所述AD采集电路包括用于对所述模拟信号进行集中采集的AD7606采集芯片，AD7606采集芯片设置有8路模拟信号采集，8路模拟信号分别为3路机端电压、1路系统电压、1路励磁电流、1路机端电流和2路噪声信号。

优选的，所述AD采集电路还包括机端电流采集支路，机端电流采集支路中串联有引线型霍尔传感器和仪用放大器；所述机端电压采集点C依次通过引线型霍尔传感器和仪用放大器接入AD7606采集芯片。

优选的，所述 AD采集电路还包括励磁电流采集支路，励磁电流采集支路中接入有板载的CSM020A穿孔式霍尔传感器，励磁电流采集支路的一端连接AD7606采集芯片，另一端通过CSM020A穿孔式霍尔传感器所述连接励磁电流采集点A。

优选的，还包括箱体，所述数字主控板、IGBT驱动板、三相不可控整流桥模块、IGBT模块和滤波电容C1集成于箱体中。

本技术方案与现有技术相比，具有以下优点：

1）本技术方案提出的无刷励磁装置采用三相不可控整流桥模块于IGBT模块的配合，设置数字主控板对IGBT模块进行通断控制，如此实现利用IGBT模块对三相不可控整流桥模块输出的直流电进行斩波，进一步实现电压调节，使得固定的直流电成为了有占空比的高频序列脉冲，基于IGBT模块的续流作用和负载的感性滤波作用，不同占空比的高频序列脉冲成为不同电压的直流电，以此满足无刷励磁机的工作需求。相对于现有技术，本技术方案的三相不可控整流桥模块无需复杂的触发电路，只需对IGBT模块进行控制即可，有效简化了电路结构，对降低装置生产成本和维护费用具有重要作用。并且，相对于控制晶闸管，IGBT模块的触发要求更低，控制起来更加简单方便，其控制精度更好把控。

2）本技术方案设置了励磁电流采集点A、机端电流采集点B、机端电压采集点C和系统电压采集点D，并设置了专门的采集电路用于检测各采集点的模拟信号，基于该模拟信号，通过本技术方案的数字主控板加以运算，可实现对相应信号参数的闭环控制，有效提高本技术方案的控制精度。

3）本技术方案通过设置IGBT模块为简化无数励磁装置的组成结构打下基础，通过设置箱体，并将数字主控板、IGBT驱动板、三相不可控整流桥模块、IGBT模块等集成于箱体中，方便一体化安装使用，无附件及分设备。

附图说明

图1为一种现有的无刷励磁装置组成结构示意图；

图2为本技术方案一种基本的整体结构示意图；

图3为本技术方案数字主控板的组成结构框图；

图4为本技术箱体内部的接口布局示意图；

图中：

1、数字主控板；1.1、DSP芯片；1.2、AD7606采集芯片；2、IGBT驱动板；3、三相不可控整流桥模块；4、IGBT模块；5、励磁变压器；6、无刷励磁机；7、箱体；7.1、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型做进一步说明，但不应理解为本实用新型仅限于以下实例，在不脱离本实用新型构思的前提下，本实用新型在本领域的变形和改进都应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

实施例1

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，如图2所示，包括数字主控板1、IGBT驱动板2、三相不可控整流桥模块3、IGBT模块4、无刷励磁机6和滤波电容C1。其中，三相不可控整流桥模块3用于将励磁变压器5副边的三相交流电整流为直流电，可采用三个二极管连接构成三相不可控整流桥模块3，也可采用型号为MDS30A1600V整流模块作为三相不可控整流桥模块3，直流电正负极加滤波电容C1使直流电更加平滑，即：三相不可控整流桥模块3的输入端用于连接励磁变压器5的副边，滤波电容C1的两端分别连接三相不可控整流桥模块3的输入端正负极，由此构成一个整流单元。

IGBT模块4连接于整流单元的输出端连接的输出端，即滤波电容C1处于IGBT模块4与三相不可控整流桥模块3之间。数字主控板1通过IGBT驱动板2接入IGBT模块4。其中，数字主控板1生成PWM波信号，IGBT驱动板2将PWM波信号放大后，输入IGBT模块4，以控制IGBT模块4通断，由此实现数字主控板1通过IGBT驱动板2控制IGBT模块4对三相不可控整流桥模块3输出的直流电进行斩波，以生成可控电压的直流电，该可控电压的直流电用于输入所述无刷励磁机6的定子侧以形成磁场。即，PWM波信号通过IGBT驱动板2放大后控制IGBT模块4的通断，这样固定的直流电成为了有占空比的高频序列脉冲，由于IGBT模块4有续流的作用和负载（负载为无刷励磁机6的磁场绕组）的感性滤波作用，不同占空比的高频序列脉冲成为不同电压的直流电。

本技术方案中，IGBT是一种全控器件，控制精度高，外围器件少。

实施例2

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例1中，可采用型号为SKM75GB128D的功率芯片作为IGBT模块4，IGBT模块4的内部封装有包括三极管Q和续流二极管D；所述IGBT驱动板2接入三极管Q的栅极，三极管Q的发射极连接三相不可控整流桥模块3输出端的正极，三极管Q的集电极连接无刷励磁机6的正极，同时通过续流二极管D连接无刷励磁机6的负极和三相不可控整流桥模块3输出端的负极。在实际使用中，利用数字主控板1控制三极管Q，可以控制电流的大小。

实施例3

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例2中， 三极管Q的发射极与三相不可控整流桥模块3输出端的正极之间设置有连接数字主控板1的励磁电流采集点A；所述无刷励磁机6的正极端设置有连接数字主控板1的机端电流采集点B、机端电压采集点C和系统电压采集点D。基于此，数字主控板1作装置核心，采集机端电压、系统电压、机端电流、励磁电流等控制量，机端电压和系统电压通过安装在发电机侧（机端电压采集点C和系统电压采集点D）的电压互感器进行采集，电压互感器按照变比将电压变为额定100V的电压信号。数字主控板1将这些电压信号进行模数转换。在数字主控板1的运算单元中，机端电压测量值与机端电压给定值进行差运算，差值控制PWM的占空比，进而可以闭环控制机端电压的大小。三相不可控整流桥模块3、滤波电容C1和IGBT模块4构成了无刷励磁装置的功率部分。三相不可控整流桥模块3的交流测接入三相励磁变压器5的二次侧（副边），直流侧与滤波电容C1并联后，再串联IGBT和负载。负载为无刷励磁机6的磁场绕组。

实施例4

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例3中，数字主控板1集成了AD采集电路以及含有DSP芯片1.1的主控电路，优选的，DSP芯片1.1为型号TMS28335的低功耗嵌入式DSP芯片1.1，TMS28335DSP芯片1.1数字主控板1的核心处理器，集成了高速串口、低速串口和大量的GPIO接口，支持20路数字输出口，16路数字输入口，4路模拟输出口，1路RS485接口，2路以太网口。另外，可在该DSP芯片1.1上实现励磁调节、保护等运算功能，并使用其中的硬件PWM模块产生PWM波信号。优选的，AD采集电路包括用于对所述模拟信号进行集中采集的AD7606采集芯片1.2，AD7606采集芯片1.2设置有8路模拟信号采集，8路模拟信号分别为3路机端电压、1路系统电压、1路励磁电流、1路机端电流和2路（试验）噪声信号。AD采集电路与的输出端接入主控电路，用于采集包括机端电压、系统电压、机端电流和励磁电流在内的模拟信号，具体的，主控电路中的DSP芯片1.1通过高速串口与AD7606采集芯片1.2连接，通过时许控制，可以将AD7606的8路采集数据顺序读入到DSP芯片1.1中。

进一步的，线电压100V的机端电压和系统电压经过大容量电阻分压后，送到AD7606采集芯片1.2进行采集。

进一步的，AD采集电路还包括机端电流采集支路，机端电流采集支路中串联有引线型霍尔传感器和仪用放大器；所述机端电压采集点C依次通过引线型霍尔传感器和仪用放大器接入AD7606采集芯片1.2。进一步的，机端电流可以接受1A/5ACT信号，引线型霍尔传感器的型号为CSM005A，用于将1A/5A的电流信号转换为电压信号；进一步的，仪用放大器的型号为AD8226或AD8221，前述电压信号经过仪用放大器放大后送入AD7606采集芯片1.2进行采集。其中，根据AD8226仪用放大器的放大倍数设置了一个单拨码开关，用于适配1A/5A电流，当拨码开关断开时，用于5A电流，当拨码开关导通时，用于1A电流。可以简单的通过设置电阻来确定放大倍数。机端电流有5A和1A两种额定电流，当输入是5A额定电流时，设置运放的放大倍数为1，当输入是1A额定电流时，设置运放的放大倍数为5。

进一步的，AD采集电路还包括励磁电流采集支路，励磁电流采集支路中接入有板载的CSM020A穿孔式霍尔传感器，励磁电流采集支路的一端连接AD7606采集芯片1.2，另一端通过CSM020A穿孔式霍尔传感器所述连接励磁电流采集点A，具体的，励磁电流的导线穿过CSM020A穿孔式霍尔传感器。其中，励磁电流信号通过板载的CSM020A穿孔式霍尔传感器将电流信号转换为电压信号后，送入AD7606采集芯片1.2进行采集。

AD7606采集芯片1.2将采集的模拟信号输送至主控电路，主控电路连接IGBT驱动板2，用于通过DSP芯片1.1基于模拟信号进行运算，并获取运算结果；DSP芯片1.1中含有PWM硬件模块，PWM硬件模块用于根据运算结果产生5KHZ的PWM波信号，该PWM波信号输入IGBT驱动板2。

进一步的，DSP芯片1.1可通过通信串口与RS485芯片（型号为ADM2587E）连接，将串口通信转换为可以长距离传输的RS485标准。

实施例5

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例4中，针对机端电压和系统电压的采集，在AD采集电路设置相应的电压采集支路，该电压采集支路结合了线电压和相电压方案。具体的，在线电压的方案中，分压后，测量电阻采用三角形连接，采集的是Uab,Ubc,Uca三相电；在相电压方案中，测量电阻采用星形连接，采集的是Ua,Ub,Uc三相。基于此，通过焊接不同的配置电阻，可以实现线电压方案和相电压方案的选择。系统电压的采集也是和机端电压同样的方案，通过配置不同的电阻，实现相电压和线电压的测量。它可以简单的通过设置电阻来确定放大倍数。机端电流有5A和1A两种额定电流，当输入是5A额定电流时，设置运放的放大倍数为1，当输入是1A额定电流时，设置运放的放大倍数为5。另外，噪声信号是直接接入AD采集芯片。

实施例6

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即基于实施例4或5中提出本技术方案的数字量及通信方案，具体的，数字量输入信号可通过光隔TLP181送入DSP芯片1.1的GPIO接口，GPIO接口一共有16个，数字量输出信号通过GPIO接口送入IGBT模块4，形成IGBT模块4开关信号。串口通信由低速串口线连接串口转换芯片ADM2587E，形成符合RS485标准的信号。进一步的，数字主控板1上通过POWERLINK接口固定搭载一块专用于网络通信的arm9卡，该arm9卡支持双网口，数字主控板1通过另一路串口与arm9卡相连。

实施例7

本实施例公开一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即基于实施例6，还包括箱体7，所述数字主控板1、IGBT驱动板2、三相不可控整流桥模块3、IGBT模块4和滤波电容C1集成于箱体7中。进一步的，该箱体7为铝壳箱体7，另外，可在箱体7内部相对下方的位置设置散热器，将三相不可控整流桥模块3和IGBT模块4安装于散热器上，箱体7内部的侧面安装IGBT驱动板2，箱体7内部相对上方的位置安装数字主控板1。可在箱体7上设置安装孔7.1，与便于本技术方案在电气柜上的安装使用。

基于此，如图4所示，本技术方案在实际运用中，电源使用24V直流电源，电源接口使用端子MCDV_1.5_2-GF-3.81，能接2根线，最大支持2.5mm2线。RS485接口使用端子MCDV_1.5_2-GF-3.81。DI（数字输入）和DO（数字输出）。系统电压PT接口和机端电压PT接口使用MSTBV 2.5/5-GF-5.08最大可以支持4mm2线。系统电压PT和机端电压PT线可以直接接入。阳极电流CT接口使用端子MSTBV 2.5/2-GF-5.08。直流输出到无刷励磁机6和阳极电压输入接口采用端子KDS 10/6，最大支持16mm2线。网络通信使用双RJ45网口，支持MODBUS TCP协议。

该无刷励磁装置安装于电气柜中，用于含有励磁变压器5的无刷励磁系统。它将励磁变的三相交流电转变为可控的直流电，最大支持20A电流。当系统不含有励磁变压器5时，也可以使用380V厂用电作为输入电源。

Claims (8)

1.一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：包括数字主控板（1）、IGBT驱动板（2）、三相不可控整流桥模块（3）、IGBT模块（4）、无刷励磁机（6）和滤波电容C1；

所述三相不可控整流桥模块（3）的输入端用于连接励磁变压器（5）的副边，三相不可控整流桥模块（3）的输出端与IGBT模块（4）电性连接，所述滤波电容C1接入三相不可控整流桥模块（3）与IGBT模块（4）之间；

所述数字主控板（1）通过IGBT驱动板（2）接入IGBT模块（4），用于控制IGBT模块（4）对三相不可控整流桥模块（3）输出的直流电进行斩波，以生成可控电压的直流电，用于输入所述无刷励磁机（6）的定子侧以形成磁场。

2.如权利要求1所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：所述IGBT模块（4）的内部封装有包括三极管Q和续流二极管D；所述IGBT驱动板（2）接入三极管Q的栅极，三极管Q的发射极连接三相不可控整流桥模块（3）输出端的正极，三极管Q的集电极连接无刷励磁机（6）的正极，同时通过续流二极管D连接无刷励磁机（6）的负极和三相不可控整流桥模块（3）输出端的负极。

3.如权利要求2所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：所述三极管Q的发射极与三相不可控整流桥模块（3）输出端的正极之间设置有连接数字主控板（1）的励磁电流采集点A；所述无刷励磁机（6）的正极端设置有连接数字主控板（1）的机端电流采集点B、机端电压采集点C和系统电压采集点D。

4.如权利要求3所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：所述数字主控板（1）集成了AD采集电路以及含有DSP芯片（1.1）的主控电路；AD采集电路与的输出端接入主控电路，用于采集包括机端电压、系统电压、机端电流和励磁电流在内的模拟信号，并将模拟信号输送至主控电路；主控电路连接IGBT驱动板（2），用于通过DSP芯片（1.1）基于模拟信号进行运算，并获取运算结果；DSP芯片（1.1）中含有PWM硬件模块，PWM硬件模块用于根据运算结果产生输入IGBT驱动板（2）的PWM波信号。

5.如权利要求4所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：所述AD采集电路包括用于对所述模拟信号进行集中采集的AD7606采集芯片（1.2），AD7606采集芯片（1.2）设置有8路模拟信号采集，8路模拟信号分别为3路机端电压、1路系统电压、1路励磁电流、1路机端电流和2路噪声信号。

6.如权利要求4所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：所述AD采集电路还包括机端电流采集支路，机端电流采集支路中串联有引线型霍尔传感器和仪用放大器；所述机端电压采集点C依次通过引线型霍尔传感器和仪用放大器接入AD7606采集芯片（1.2）。

7.如权利要求4所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：所述 AD采集电路还包括励磁电流采集支路，励磁电流采集支路中接入有板载的CSM020A穿孔式霍尔传感器，励磁电流采集支路的一端连接AD7606采集芯片（1.2），另一端通过CSM020A穿孔式霍尔传感器所述连接励磁电流采集点A。

8.如权利要求1所述一种基于IGBT控电的无刷励磁装置，其特征在于：还包括箱体（7），所述数字主控板（1）、IGBT驱动板（2）、三相不可控整流桥模块（3）、IGBT模块（4）和滤波电容C1集成于箱体（7）中。

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