基於IGBT的(de)開(kai)關(guan)式(shi)勵磁調節器的(de)應(ying)用(yong)

 1. 背景(jing)
  當(dang)前(qian)很(hen)多國有(you)大(da)中型企(qi)業(ye)都是連(lian)續(xu)生(sheng)產(chan)型(xing)企(qi)業(ye)，企(qi)業(ye)在(zai)生(sheng)產(chan)過(guo)程中需(xu)要大(da)量熱能，為了(le)生(sheng)產(chan)的(de)連(lian)續(xu)和(he)供熱(re)調節需(xu)要，各企(qi)業(ye)均(jun)建(jian)有(you)自備(bei)熱(re)電(dian)廠(chang)，這(zhe)些(xie)自備(bei)熱(re)電(dian)廠(chang)多配(pei)置的(de)是(shi)中、小火電(dian)機組(zu)。
  這(zhe)些(xie)中、小火電(dian)機組(zu)大(da)部分配(pei)置的(de)均(jun)為(wei)直(zhi)流(liu)勵磁機，勵(li)磁調節大(da)部分都采用(yong)老(lao)式的(de)勵(li)磁調節器，如KFD-3勵磁調節器。隨著企(qi)業(ye)的(de)發(fa)展和電(dian)網(wang)對(dui)企(qi)業(ye)電(dian)能質量的(de)要求(qiu)，老(lao)式的(de)勵(li)磁調節器已經(jing)不能調壓和調節無(wu)功(gong)的(de)需(xu)要，對其(qi)進行(xing)改(gai)造(zao)已經(jing)勢(shi)在(zai)必行(xing)。
 
  2. 開(kai)關(guan)式(shi)勵磁調節器
  開關(guan)式(shi)勵磁調節器是利用(yong)晶(jing)閘(zha)管或IGBT為核(he)心(xin)功(gong)率器(qi)件(jian)，輔(fu)助以外(wai)圍調節和回路而(er)組(zu)成(cheng)的(de)勵(li)磁調節器。發(fa)展至(zhi)今(jin)已經(jing)出(chu)現(xian)了(le)微(wei)機型的(de)開(kai)關(guan)式(shi)勵磁調節器。
  TDWLT-01KS勵磁調節器是基於IGBT的(de)開(kai)關(guan)式(shi)勵磁調節器，應用(yong)於中、小火電(dian)機組(zu)中。
 
  3. 系(xi)統現(xian)狀(zhuang)
  某25MW火電(dian)機組(zu)采用(yong)的(de)是(shi)直(zhi)流(liu)勵(li)磁機的(de)勵(li)磁方(fang)式(shi)，配(pei)置的(de)是(shi)KFD-3勵(li)磁調節器。該調節器主(zhu)要由相復(fu)勵(li)裝(zhuang)置和電(dian)壓校正(zheng)器兩(liang)部(bu)分組成(cheng)。相復(fu)勵(li)裝(zhuang)置主(zhu)要由相復(fu)勵(li)變壓器、電(dian)抗器(qi)、補償電(dian)容(rong)器(qi)、升壓自耦(ou)變壓器及(ji)輸(shu)出(chu)整(zheng)流(liu)器(qi)等(deng)構(gou)成(cheng)；電(dian)壓校正(zheng)器由(you)測(ce)量、放大(da)、調整(zheng)三(san)部分構成(cheng)。
  雖然(ran)該調節器在(zai)很長段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)起到了(le)很好(hao)的(de)調節作用(yong)，但(dan)是(shi)由(you)於傳統(tong)相復(fu)勵(li)式(shi)調節器采用(yong)磁放大(da)器，利用(yong)鐵(tie)心(xin)的(de)磁飽(bao)和(he)特(te)進行(xing)電(dian)壓測量、誤差放大(da)和電(dian)流，因(yin)此(ci)調節低(di)。其(qi)測(ce)量變壓器的(de)飽(bao)和(he)度不取(qu)決於(yu)電(dian)壓的(de)低(di)，還(hai)對頻(pin)率敏感(gan)，在(zai)某些(xie)事故(gu)造(zao)成(cheng)局部(bu)電(dian)網(wang)頻(pin)率升或降低(di)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，會(hui)加(jia)大(da)電(dian)壓調節誤差；由於沒有采取(qu)的(de)穩(wen)定措(cuo)施(shi)，調節器運(yun)行(xing)穩(wen)定較(jiao)差，經(jing)常(chang)發(fa)生(sheng)無(wu)功(gong)電(dian)壓擺動、並(bing)列(lie)機組(zu)問搶(qiang)無(wu)功(gong)等，嚴(yan)重(zhong)時(shi)影響發(fa)電(dian)機組(zu)正(zheng)常運(yun)行(xing)；階躍響應調量大(da)，擺動時間(jian)長，調節時間常數(shu)大(da)，調節電(dian)阻(zu)過(guo)熱、易(yi)老(lao)化(hua)，造(zao)成(cheng)接(jie)觸不良，缺(que)乏(fa)必(bi)要的(de)和(he)保(bao)護(hu)功(gong)能。該調節器已經(jing)被(bei)淘(tao)汰。
 
  4. 系(xi)統改(gai)造(zao)
  4.1 方(fang)案(an)論證
  對勵(li)磁設備(bei)改(gai)造(zao)時(shi)， 如(ru)果整(zheng)體拆(chai)除(chu)直流勵磁機換(huan)自(zi)並(bing)激(ji)勵磁系(xi)統，次(ci)投(tou)資(zi)太大(da)，而(er)且(qie)自並(bing)激(ji)改(gai)造(zao)時(shi)需(xu)要增加(jia)大(da)容(rong)量勵磁變壓器及(ji)可(ke)控(kong)矽(gui)整(zheng)流(liu)裝(zhuang)置，施工(gong)難度較(jiao)大(da)。因此(ci)，保(bao)留(liu)直(zhi)流勵(li)磁機，采用(yong)開關(guan)式(shi)微(wei)機勵磁調節器替(ti)代直流(liu)勵磁機原(yuan)勵磁裝(zhuang)置是勵(li)磁設備(bei)自(zi)動化(hua)改(gai)造(zao)時(shi)優先考慮(lv)的(de)方(fang)案(an)。把IGBT作為勵(li)磁主(zhu)回路元件(jian)串接(jie)在(zai)勵磁機勵(li)磁繞組(zu)中， 利用(yong)斬(zhan)波IGBT的(de)占空(kong)比，來調節勵磁機勵(li)磁電(dian)流，從而(er)發(fa)電(dian)機勵(li)磁電(dian)壓和無(wu)功(gong)來達到勵(li)磁自動調節的(de)目(mu)的(de)。此(ci)改(gai)造(zao)方(fang)案(an)原(yuan)理簡(jian)單(dan)，不需(xu)另外(wai)增加(jia)設備(bei)，直(zhi)接(jie)通過(guo)直流(liu)勵磁機的(de)電(dian)樞(shu)取(qu)勵磁源，殘壓起勵(li)，勵(li)磁繞組(zu)通過(guo)開關(guan)管和直(zhi)流(liu)勵磁機組(zu)成(cheng)自激(ji)系(xi)統，主(zhu)回路元件(jian)少(shao)，結構(gou)簡(jian)單(dan)可(ke)靠，可(ke)以根據(ju)勵(li)磁機原(yuan)有勵(li)磁方(fang)式(shi)靈(ling)活地(di)進行(xing)配(pei)置。
  4.2 改(gai)造(zao)方(fang)案(an)
  改(gai)造(zao)部(bu)分為面(mian)屏櫃，內(nei)部配(pei)置立、互為備(bei)用(yong)的(de)兩(liang)套(tao)微(wei)機式勵(li)磁調節器（選用(yong)TDWLT-01系(xi)列(lie)）以及(ji)兩(liang)組(zu)IGBT回路，兩(liang)個(ge)IGBT功(gong)率回路並(bing)聯(lian)工(gong)作。保(bao)留(liu)原(yuan)直流(liu)勵磁機、原(yuan)勵磁設備(bei)的(de)滅磁部分（即滅磁開關(guan)和(he)滅磁電(dian)阻(zu)）和(he)磁場變阻(zu)器(qi)。兩(liang)個(ge)IGBT開(kai)關(guan)管與(yu)磁場變阻(zu)器(qi)並(bing)聯(lian)後與(yu)直流(liu)勵磁機轉(zhuan)子(zi)繞組(zu)串聯(lian)，由(you)雙(shuang)套微(wei)機勵磁調節器中的(de)主(zhu)調節器發(fa)調節脈沖共同(tong)調節兩(liang)個(ge)IGBT開(kai)關(guan)管，進而(er)改(gai)變發(fa)電(dian)機勵(li)磁電(dian)流，調節發(fa)電(dian)機無(wu)功(gong)，共同(tong)完(wan)成(cheng)發(fa)電(dian)機勵(li)磁調節。裝(zhuang)置按大(da)裕度選用(yong)IGBT開關(guan)管，並(bing)設置可(ke)靠的(de)保(bao)護(hu)和(he)吸(xi)收(shou)電(dian)路。
  調節器通過(guo)接(jie)於機(ji)端的(de)電(dian)壓互感(gan)器、電(dian)流互感(gan)器以及(ji)轉(zhuan)子(zi)分流器(qi)，測(ce)量發(fa)電(dian)機的(de)定子(zi)電(dian)壓、機組(zu)頻率、有(you)功(gong)功(gong)率、無(wu)功(gong)功(gong)率以及(ji)轉(zhuan)子(zi)電(dian)流等(deng)發(fa)電(dian)機當(dang)前(qian)運(yun)行(xing)工(gong)況，和給定值比較(jiao)後經(jing)PID調節計算(suan)產(chan)生(sheng)輸(shu)出(chu)PWM值，PWM範圍為-～，PWM在(zai)0～範圍時，IGBT占空(kong)比在(zai)0～調節。
  4.3 調節原(yuan)理
  以電(dian)壓閉(bi)環(huan)調節為例，說(shuo)明(ming)調節過(guo)程。
  勵(li)磁調節器根據(ju)占空(kong)比PWM 形成(cheng)觸發(fa)脈沖(chong)，此(ci)脈(mai)沖(chong)通過(guo)驅動板進行(xing)電(dian)壓和頻(pin)率放大(da)後驅動IGBT，IGBT的(de)開(kai)通和關(guan)斷(duan)的(de)時(shi)間(jian)，從而(er)勵(li)磁機勵(li)磁電(dian)流I_lf。IGBT在(zai)開關(guan)勵(li)磁系(xi)統中的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理如(ru)圖1所示。

圖1 IGBT在(zai)開關(guan)勵(li)磁系(xi)統中的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理

 
  5. 存(cun)在(zai)的(de)問題及(ji)解(jie)決方(fang)案(an)
  5.1 均流問題
  電(dian)力電(dian)子器(qi)件(jian)並(bing)聯(lian)使(shi)用(yong)，如果器(qi)件(jian)之間(jian)長期(qi)不均流(liu)，就會(hui)導致某個器(qi)件長(chang)期(qi)滿負(fu)荷(he)甚(shen)至(zhi)負(fu)荷(he)運(yun)行(xing)，而(er)另個器件(jian)低(di)負(fu)荷(he)運(yun)行(xing)，長(chang)期(qi)下(xia)去就會(hui)造(zao)成(cheng)單(dan)器(qi)件的(de)損壞(huai)。
  外(wai)很多文獻對器(qi)件(jian)均(jun)流(liu)問題提出(chu)了(le)解決方(fang)法(fa)，比如“下(xia)垂(chui)法(fa)”、“主(zhu)從均流法(fa)”、“自(zi)動均流(liu)法(fa)”、“民(min)主(zhu)均(jun)流(liu)法(fa)”等(deng)，效(xiao)果不，各有優缺(que)點(dian)。
  為了(le)解決改(gai)造(zao)工(gong)程(cheng)中的(de)器(qi)件(jian)均(jun)流(liu)問題，從工程角(jiao)度出(chu)發(fa)，采用(yong)了(le)以下(xia)方(fang)法(fa)：
  (1)選用(yong)大(da)裕度的(de)功(gong)率器(qi)件(jian)並(bing)所選器(qi)件(jian)參數(shu)的(de)致，這(zhe)樣就了(le)器件(jian)不會(hui)負(fu)荷(he)運(yun)行(xing)。
  (2)為(wei)了(le)使(shi)調節器針對兩(liang)個(ge)功(gong)率器(qi)件(jian)發(fa)出(chu)相同(tong)的(de)調節脈沖，以兩(liang)個(ge)器(qi)件(jian)得到的(de)指(zhi)令(ling)致，強行(xing)將(jiang)兩(liang)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)占空(kong)比調成(cheng)致。
  (3)將(jiang)兩(liang)個(ge)器(qi)件(jian)安(an)裝(zhuang)在(zai)同塊(kuai)散(san)熱(re)板上，盡(jin)量兩(liang)個(ge)器(qi)件(jian)的(de)安(an)裝(zhuang)條(tiao)件致。從運(yun)行(xing)效(xiao)果和(he)實(shi)際測(ce)量結果上(shang)看(kan)，這(zhe)些(xie)措施(shi)可(ke)以兩(liang)個(ge)功(gong)率器(qi)件(jian)運(yun)行(xing)電(dian)流分配(pei)的(de)致，較(jiao)好(hao)地(di)解(jie)決了(le)器件(jian)的(de)均(jun)流(liu)問題。
  5.2 勵(li)磁系(xi)統的(de)開(kai)機(ji)問題
  改(gai)造(zao)保(bao)留(liu)了(le)磁場變阻(zu)器(qi)，其(qi)與(yu)開關(guan)式(shi)勵磁調節裝(zhuang)置相互作用(yong)，如果單(dan)采用(yong)開關(guan)式(shi)勵磁調節裝(zhuang)置開機(ji)，在(zai)開機的(de)瞬(shun)間(jian)會(hui)出(chu)現(xian)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)壓波動，導致系(xi)統不穩定。
  改(gai)造(zao)中，通過(guo)不斷(duan)試(shi)驗(yan)，zui終采用(yong)先用(yong)磁場變阻(zu)器(qi)調節開機並(bing)網(wang)，再投(tou)入(ru)開關(guan)式(shi)勵磁調節裝(zhuang)置的(de)方(fang)式(shi)，不會(hui)造(zao)成(cheng)電(dian)壓波動的(de)問題，調節過(guo)程相當(dang)平(ping)滑(hua)。
  5.3 勵磁系(xi)統中的(de)強(qiang)勵(li)問題
  由(you)於(yu)原(yuan)有的(de)強(qiang)勵(li)繼(ji)電(dian)器依然(ran)保(bao)留(liu)，而(er)開(kai)關(guan)式(shi)勵磁調節裝(zhuang)置本(ben)身(shen)也具備(bei)強(qiang)勵功(gong)能，這(zhe)樣就出(chu)現(xian)了(le)兩(liang)部(bu)分強勵(li)功(gong)能怎(zen)樣配(pei)合、強勵倍數(shu)如(ru)何(he)整(zheng)定的(de)問題。
  分析回路，發(fa)現(xian)開關(guan)式(shi)勵磁調節裝(zhuang)置強勵(li)動作後，相當(dang)於(yu)將(jiang)並(bing)聯(lian)回路進行(xing)了(le)短接(jie)，原(yuan)來保(bao)留(liu)的(de)強(qiang)勵(li)不起作(zuo)用(yong)；如果開(kai)關(guan)式(shi)勵磁調節裝(zhuang)置強勵(li)不動作，原(yuan)來預留的(de)強(qiang)勵(li)也(ye)可(ke)以動作。因(yin)此(ci)，在(zai)實際中將(jiang)兩(liang)部(bu)分強勵(li)投(tou)入(ru)，並(bing)聯(lian)運(yun)行(xing)。
  5.4誤強勵(li)問題
  新(xin)的(de)勵(li)磁系(xi)統要求(qiu)采用(yong)三(san)組TV作為(wei)系(xi)統電(dian)壓低(di)還(hai)是TV斷(duan)線的(de)判(pan)據(ju)，而(er)實(shi)際(ji)改(gai)造(zao)中只有兩(liang)組(zu)TV，如(ru)果兩(liang)組(zu)TV同(tong)時(shi)斷(duan)線，由(you)於沒有系(xi)統TV作(zuo)為輔(fu)助判(pan)據(ju)，就會(hui)造(zao)成(cheng)誤強勵(li)。
  在(zai)改(gai)造(zao)工(gong)程(cheng)中，通過(guo)和制(zhi)造(zao)廠(chang)家(jia)協(xie)商(shang)，修改(gai)了(le)強勵(li)的(de)動作判(pan)據(ju)，加(jia)入發(fa)電(dian)機斷(duan)路器的(de)輔(fu)助接(jie)點(dian)作為(wei)輔(fu)助判(pan)據(ju)。如(ru)果兩(liang)組(zu)TV同(tong)時(shi)斷(duan)線，只(zhi)要發(fa)電(dian)機出(chu)口斷(duan)路器未跳(tiao)閘，就判(pan)斷(duan)為TV斷(duan)線。手(shou)動將(jiang)電(dian)壓閉(bi)環(huan)轉(zhuan)為(wei)電(dian)流閉(bi)環(huan)，處(chu)理完(wan)TV斷(duan)線後，再將(jiang)電(dian)流閉(bi)環(huan)轉(zhuan)為(wei)電(dian)壓閉(bi)環(huan)。