專利名稱：同步發(fā)電機逆變式勵磁系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
同步發(fā)電機逆變 式勵磁系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)及其控制技木，它是采用ー種新型的逆變式電源作為同步發(fā)電機的可調(diào)勵磁電源的勵磁系統(tǒng)，屬于電カ電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技木勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機重要組成部分，目前國內(nèi)外同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)有交流勵磁機勵磁系統(tǒng)(包恬他勵旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)即無刷勵磁系統(tǒng)和他勵靜止整流器勵磁系統(tǒng))，直流勵磁機勵磁系統(tǒng)，靜止勵磁系統(tǒng)(可控硅自并勵、自復(fù)勵勵磁系統(tǒng))及諧波勵磁系統(tǒng)，各種勵磁系統(tǒng)有其不同的特點。自并勵靜止可控硅勵磁系統(tǒng)，其發(fā)電機的勵磁電源直接由發(fā)電機端電壓獲得，經(jīng)過控制整流后，送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路，作為發(fā)電機的勵磁電流，沒有機械轉(zhuǎn)動或機械接觸類元件，但需要龐大勵磁變及功率単元，占地面積大，噪聲大，價格亦高；直流勵磁機勵磁系統(tǒng)是采用同軸直流發(fā)電機作為勵磁電源，供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的勵磁電流，這是多年來同步發(fā)電機的主要勵磁系統(tǒng)，至今中小型同步發(fā)電機仍有很多采用這種勵磁系統(tǒng)。這種勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點是具有獨立的不受外系統(tǒng)干擾的勵磁電源，調(diào)節(jié)方便，設(shè)備投資及運行費用也比較少。但是，運行時整流子與電刷之間火花嚴(yán)重，事故多，性能差，維護困難，換向器和電刷的維護工作量大，維護費用高，檢修勵磁機時必須停主機。而且，隨著電カ技術(shù)及系統(tǒng)的發(fā)展，同步發(fā)電機的容量愈來愈大，要求勵磁功率也相應(yīng)増大，而大容量的直流勵磁機無論在換向問題或電機的結(jié)構(gòu)上都受到限制，直流勵磁機勵磁系統(tǒng)不能滿足要求。因此，新發(fā)電機組直流勵磁機勵磁系統(tǒng)不再采用，已采用的必須改造；交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，是用交流勵磁機經(jīng)整流供給發(fā)電機勵磁。交流勵磁機也裝在發(fā)電機主軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁。此勵磁方式屬他勵磁方式。交流勵磁機勵磁系統(tǒng)有他勵旋轉(zhuǎn)整流器和他勵靜止整流器勵磁系統(tǒng)兩種。他勵靜止的整流裝置，又稱為他勵靜止勵磁，它由交流副勵磁機提供其勵磁電流。交流副勵磁機有永磁機和自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。靜止勵磁系統(tǒng)中必須經(jīng)過滑環(huán)向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流。滑環(huán)是ー種轉(zhuǎn)動接觸元件。大型發(fā)電機機組，其轉(zhuǎn)子電流大，滑環(huán)的數(shù)量多，運行時必須防止滑環(huán)過熱。他勵旋轉(zhuǎn)整流器常稱無刷勵磁系統(tǒng)，為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)取消滑環(huán)使整個勵磁系統(tǒng)都無轉(zhuǎn)動接觸的元件，因此近年來很多采用無刷勵磁系統(tǒng)。但同抽交流勵磁機及旋轉(zhuǎn)整流器維修時仍然要仃機，運行時噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。為了克服上述勵磁系統(tǒng)的缺點，本發(fā)明提供一種同步發(fā)電機逆變式勵磁控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述勵磁系統(tǒng)的缺點，特別是直流電機勵磁系統(tǒng)及自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)存在的問題而發(fā)明的ー種新型發(fā)電機勵磁電源系統(tǒng)及其控制技木。本發(fā)明提供一種同步發(fā)電機逆變式勵磁控制系統(tǒng)，它由提供勵磁電源的主回路及完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控任務(wù)的控制回路組成。主回路由エ頻交流整流、濾波單元、逆變單元、高頻交流變壓單元、二次整流、濾波單元組成，主回路的直流輸出與發(fā)電機勵磁回路相連，不用傳統(tǒng)的大型勵磁變壓器及大功率可控硅元件。本發(fā)明提供的控制回路完成數(shù)據(jù)采集，運算控制，參數(shù)給定、脈沖輸出、功率放大、狀態(tài)和參數(shù)顯示等監(jiān)控任務(wù)，包括采樣單元，主控制器単元，脈沖輸出與功率放大(驅(qū)動)単元。它能夠使勵磁裝置體積和重量降低，節(jié)能省材，效率提高，調(diào)節(jié)性能改善。由于采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖，可獲得較好的調(diào)節(jié)特性。因間歇振蕩的頻率低，脈沖寬度窄，空載損耗小，變壓器不易飽和。

圖I是本發(fā)明一種同步發(fā)電機逆變式勵磁系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明一種同步發(fā)電機逆變式勵磁控制回路結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明一種同步發(fā)電機逆變式勵磁控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明一種同步發(fā)電機的逆變式勵磁裝置電路圖；圖5是本發(fā)明一種同步發(fā)電機的逆變式勵磁裝置主控制器接線圖。圖中I為交流電壓；2為エ頻交流整流、濾波單元；3為直流電壓；4為逆變単元；5為高頻交流電壓A ;6為高頻交流電變壓；7為高頻交流電壓B ；8為整流、濾波單元；9為直流輸出電壓。A為數(shù)據(jù)采集單元；B為主控制器単元；C為脈沖輸出和功率放大(即驅(qū)動)単元；E為主控制器還與上位機；F為人機對話；G為開關(guān)量輸入；H為開關(guān)量輸出；UF為發(fā)電機端電壓；UX為系統(tǒng)電壓；IF為發(fā)電機定子電流；IL為發(fā)電機勵磁電流。
具體實施方式下面參照附圖結(jié)合實施例對本實用新型作進ー步的說明圖I、圖2所示為提供勵磁電源的主回路及完成信息采集、調(diào)節(jié)計算和監(jiān)控任務(wù)的控制回路，主回路它將エ頻(50Hz)單相交流220V電壓或三相交流380V電壓，先經(jīng)整流器整流和濾波變成直流，再通過大功率開關(guān)電子元件(場效應(yīng)管MOSFET或IGBT)進行逆變處理，由開關(guān)管逆變成100KHz(10萬Hz)的高頻交流電，同時經(jīng)變壓器降至適合于勵磁用的幾十伏電壓，再經(jīng)二次整流和濾波將IOOKHz的高頻交流電流再次轉(zhuǎn)變成直流電流，供發(fā)電機勵磁。其變換順序為エ頻交流(經(jīng)整流濾波)一直流(經(jīng)逆變)一高頻交流(降壓、整流、濾波)—直流。即AC — DC — AC — DC。如圖3、圖4、圖5所示勵磁輸出電流、功率的大小由逆變單元控制。逆變單元工作頻率高，因此功率元件選用MOSFET場效應(yīng)管或IGBT管。MOSFET場效應(yīng)管由于具有極高的開關(guān)頻率，每秒鐘可開關(guān)50萬次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150°C (管芯)，而且導(dǎo)通電阻，管子損耗低，場效應(yīng)管作為逆變器的開關(guān)器件，可以把開關(guān)頻率設(shè)計得很高，以提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)省成本(使用高頻率變壓器以減小體積)。它是較好的開關(guān)器件，適合在高頻電路中作開關(guān)器件使用。但是場效應(yīng)管的工作電流較小，一般在9A至20A左右，需采用多只并聯(lián)的形式來提高焊機電源的輸出電流，而且由于場效應(yīng)管其引腳的爬電距離(導(dǎo)電體到另ー導(dǎo)電體間的表面距離)較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導(dǎo)電而損壞機器或危害人身安全；采用IGBT即雙極型絕緣效應(yīng)管，可以通過大電流(100A以上)，但其開關(guān)頻率在20KHZ 30KHZ之間。由于IGBT的開關(guān)頻率較場效應(yīng)管低，因此其變壓器、濾波、儲能電容、電抗器等電子器件都較場效應(yīng)管體積增大，技術(shù)參數(shù)也不同。IGBT外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。晶閘管(SCR)由于其開關(guān)頻率最低約1000次/秒左右，因此不用作高頻工作的逆變式勵磁控制系統(tǒng)開關(guān)電路。由于變壓器原繞組和副繞組電勢E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數(shù)W有如下關(guān)系E = 4. 44FBSW,而繞組的端電壓U近似地等于E，即U ^ E =4. 44FBSW,由上式可見，當(dāng)U、B —定時F提高，則S減小，W減少，使變壓器的重量和體積就可以大大減小。就能使整機的重量和體積顯著減小。控制回路包括數(shù)據(jù)采集単元A，主控制器単元B，脈沖輸出和功率放大單元C，其數(shù)據(jù)采集単元A與UF，UX, IF, IL等采樣量相連；其主控制器単元B —端與數(shù)據(jù)采集単元A相連，另一端與脈沖輸出和功率放大單元C相連，主控制器還與上位機E，人機對話F及開關(guān)量輸入G、開關(guān)量輸出H設(shè)備相聯(lián)；其脈沖輸出和功率放大單兀C與逆變單兀4相連。主控器單元B以單片機為核心，采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖；逆變單元4其功率元件以MOSFET場效應(yīng)管或IGBT管為核心，其直流輸出電流大小由逆變單元調(diào)節(jié)。主控制器単元B —端與數(shù)據(jù)采集単元A相聯(lián)，另一端與脈沖輸出和功率放大單元C相聯(lián)，主控制器還與上位機E，人機對話F及開關(guān)量輸入G、開關(guān)量輸出H設(shè)備相聯(lián)，主控器以單片機為核心。主回路由エ頻交流整流、濾波單元、逆變單元、高頻交流變壓單元、二次整流、濾波單元組成，主回路的直流輸出與發(fā)電機勵磁回路(LQ)相連，不用大型變壓器及大功率可控硅元件。逆變單元功率元件以MOSFET場效應(yīng)管或IGBT管為核心，エ頻交流電源可由發(fā)電機端提供(自勵)，也可由其它交流電源提供(他勵)。 本發(fā)明控制回路的主控制器以單片機為核心，采樣參數(shù)有勵磁電流，系統(tǒng)電壓，發(fā)電機電流，發(fā)電機電壓，勵磁電流，勵磁電壓及有關(guān)開關(guān)量信息等。采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖，其逆變頻率為100kHz。
權(quán)利要求1.一種同步發(fā)電機逆變式勵磁系統(tǒng)，它由提供勵磁電源的主回路及完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控任務(wù)的控制回路組成，其特征在于主回路由工頻交流整流、濾波單元(2)、逆變單元(4)、高頻交流變壓單元(6)、二次整流、濾波單元(8)組成，主回路的直流輸出(9)與發(fā)電機勵磁回路(LQ)相連，不用傳統(tǒng)的大型勵磁變壓器及大功率可控硅元件。
2.按照權(quán)利要求I所述的一種同步發(fā)電機逆變式勵磁系統(tǒng)，其特征在于控制回路包括數(shù)據(jù)采集單元(A)，主控制器單元(B)，脈沖輸出和功率放大單元(C)，其數(shù)據(jù)采集單元(A)與發(fā)電機端電壓(UF)，系統(tǒng)電壓(UX)，發(fā)電機定子電流(IF)，發(fā)電機勵磁電流(IL)采樣量相連；其主控制器單元⑶一端與數(shù)據(jù)采集單元㈧相連，另一端與脈沖輸出和功率放大單元(C)相連，主控制器單元⑶還與上位機(E)，人機對話(F)及開關(guān)量輸入(G)、開關(guān)量輸出(H)設(shè)備相聯(lián)；其脈沖輸出和功率放大單兀(C)與逆變單兀(4)相連。
3.按照權(quán)利要求I或2所述的一種同步發(fā)電機逆變式勵磁系統(tǒng)，其特征在于主控器單元(B)以單片機為核心，采用PWM脈寬調(diào)制間斷地輸出脈沖；逆變單元(4)其功率元件以MOSFET場效應(yīng)管或IGBT管為核心，其直流輸出電流大小由逆變單元調(diào)節(jié)。
專利摘要本實用新型提供了一種同步發(fā)電機逆變式勵磁系統(tǒng)，它由主回路及控制回路組成。主回路是提供勵磁電源的電路，包括工頻電流整流濾波單元，逆變單元，高頻交流變壓單元，整流、濾波單元；控制回路主要完成信息采集、數(shù)據(jù)處理、運算控制、參數(shù)給定、脈沖輸出與放大、狀態(tài)和參數(shù)顯示等監(jiān)控任務(wù)，包括數(shù)據(jù)采集單元，主控制器單元和脈沖功率放大(即驅(qū)動)單元，主控制器單元以單片機為核心，逆變單元以大功率開關(guān)管(場效應(yīng)管、IGBT管)為核心。本實用新型不用大型勵磁變壓器及大功率可控硅元件，具有節(jié)能省材，減少體積和重量，降低造價，提高效率，改善調(diào)節(jié)性能等優(yōu)點。
文檔編號H02P9/30GK202385046SQ201120426990
公開日2012年8月15日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者戴樹梅, 施隆照, 章文裕 申請人:戴樹梅