一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)和方法，其特征在于，觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件判斷觸發(fā)類型是否為可控硅移相觸發(fā)，如果否，則斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過功率驅動專用集成電路進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖；如果是，則可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過脈沖隔離變壓器進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖。結構簡單，通用性強，使用更靈活、方便。
【專利說明】一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的作用是根據(jù)電力系統(tǒng)運行需要，控制發(fā)電機勵磁電流，從而控制發(fā)電機機端電壓、無功功率。它一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個主要部分組成。勵磁功率單元向發(fā)電機或勵磁機勵磁繞組提供勵磁電流，而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。
[0003]圖1是發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的原理圖:發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)電力系統(tǒng)運行需要，控制發(fā)電機勵磁功率單元輸出的勵磁電流，發(fā)電機勵磁功率單元向發(fā)電機或勵磁機勵磁繞組提供直流勵磁電流。
[0004]其中發(fā)電機勵磁功率單元具有不同的電路拓撲結構，由不同的功率器件構成。發(fā)電機勵磁功率單元的輸入電源根據(jù)不同的勵磁系統(tǒng)類型，可以是交流電、也可以是直流電。交流電可以是單相、也可以是三相、甚至更多相。對于輸入電源為交流電的發(fā)電機勵磁功率單元,往往采用橋式整流電路。根據(jù)交流電的相數(shù),橋式整流電路分為單相整流橋、三相整流橋、多相整流橋；根據(jù)是否使用二極管，橋式整流電路分為半控橋式整流(即整流橋每相由一只可控硅和一只二極管串聯(lián)組成的整流電路)和全控橋式整流(即整流橋每相由兩只可控硅串聯(lián)組成的整流電路)。整流電路的功率器件往往采用可控硅、二極管構成，其中移相觸發(fā)即改變可控硅的觸發(fā)角大小，從而改變可控硅的導通時間。對于輸入電源為直流電的發(fā)電機勵磁功率單元，大多采用斬波電路，斬波電路功率器件采用IGBT等。
[0005]現(xiàn)有發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)技術，要根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元電路拓撲和具體的功率器件進行設計，往往要單獨設計觸發(fā)控制邏輯以及相應的放大、隔離電路，不具有通用性。早期的模擬式發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)技術，更是存在著電路復雜、控制精度低、可靠性差的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明提供一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)和方法，適用于多種發(fā)電機勵磁功率單元的電路拓撲結構、多種功率器件的觸發(fā)，同時提高控制精度及可靠性，通用性強，使用更靈活、方便。
[0007]為實現(xiàn)上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn):
一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，包括順次相連的可編
程邏輯模塊、功率放大模塊和脈沖隔離模塊，所述脈沖隔離模塊向發(fā)電機勵磁功率單元發(fā)送觸發(fā)脈沖；
所述可編程邏輯模塊包括觸發(fā)脈沖類型選擇模塊、斬波電路脈寬調(diào)制模塊、可控硅移相觸發(fā)模塊，所述觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件啟動斬波電路脈寬調(diào)制模塊或可控硅移相觸發(fā)模塊產(chǎn)生第一級觸發(fā)脈沖至功率放大模塊，其中，斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖，可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖；所述功率放大模塊將第一級觸發(fā)脈沖進行電平轉換及功率放大后產(chǎn)生第二級觸發(fā)脈沖并發(fā)送至脈沖隔離模塊；所述脈沖隔離模塊包括脈沖隔離變壓器和功率驅動專用集成電路，第二級觸發(fā)脈沖經(jīng)過脈沖隔離變壓器或功率驅動專用集成電路的電氣隔離后輸出觸發(fā)脈沖至發(fā)電機勵磁功率單
J Li ο
[0008]一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)方法，其特征在于，觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件判斷觸發(fā)類型是否為可控硅移相觸發(fā)，如果否，則斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過功率驅動專用集成電路進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖；如果是，則可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過脈沖隔離變壓器進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖。
[0009]針對不同的發(fā)電機勵磁功率單元，可編程邏輯模塊、功率放大模塊保持不變，只有脈沖隔離模塊在所采用的隔離器件上存在局部的差異，即脈沖隔離模塊針對不同的發(fā)電機勵磁功率單元，電路基本相同，局部差異僅存在于所采用的隔離器件不同:整流電路往往采用脈沖隔離變壓器，斬波電路往往采用功率驅動專用集成電路芯片，比如EXB841，以滿足不同的發(fā)電機勵磁功率單元電壓隔離要求以及響應時間要求，提高控制精度及可靠性，通用性強，使用更靈活、方便。并且可編程邏輯模塊、功率放大模塊、脈沖隔離模塊三者之間的接口電路保持不變，接口的信號類型、電壓等級維持不變?？删幊踢壿嬆K設計通用的程序包模塊，包含了各種類型發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)邏輯處理，可輸出多種類型發(fā)電機勵磁功率單元功率器件所需要的觸發(fā)脈沖。在應用到某一具體類型的發(fā)電機勵磁功率單元時，不需要修改控制軟件的程序包模塊，通過硬件跳線選擇或軟件定值整定等方法實現(xiàn)具體觸發(fā)脈沖類型的選擇，以滿足具體應用的需要。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:結構簡單，適用于多種發(fā)電機勵磁功率單元的電路拓撲結構、多種功率器件的觸發(fā)，同時提高控制精度及可靠性，通用性強，使用更靈活、方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的原理圖；
圖2是本發(fā)明一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)的結構框圖；
圖3是圖2中可編程邏輯模塊的內(nèi)部結構圖；
圖4是圖2中功率放大模塊的內(nèi)部結構圖；
圖5是圖2中脈沖隔離模塊的內(nèi)部結構圖；
圖6是一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。[0013]如圖2所示，一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，包括順次相連的可編程邏輯模塊、功率放大模塊和脈沖隔離模塊，其中脈沖隔離模塊向發(fā)電機勵磁功率單元發(fā)送觸發(fā)脈沖。
[0014]可編程邏輯模塊的結構框圖如圖3所示，可編程邏輯模塊根據(jù)發(fā)電機勵磁功率單元的電路拓撲及采用的功率器件，形成功率器件的觸發(fā)邏輯，產(chǎn)生低電平的觸發(fā)脈沖，送至功率放大模塊。優(yōu)選可編程邏輯模塊采用FPGA模塊(FieId-ProgrammabIe Gate ArrayJJ^1場可編程門陣列)或CPLD模塊(Comp I ex Programmable Logic Device:復雜可編程邏輯器件)，下面僅以FPGA進行舉例說明。 [0015]FPGA模塊相比模擬電路具有更高的控制精度及可靠性。同時，由于FPGA的可編程性，根據(jù)發(fā)電機勵磁功率單元的電路拓撲及采用的功率器件，可定義對應數(shù)量的引腳，輸出對應數(shù)量的觸發(fā)脈沖，不改變可編程邏輯模塊的硬件，即可滿足各種發(fā)電機勵磁功率單元功率器件的觸發(fā)要求，具體為:
可編程邏輯模塊(或FPGA模塊)包括觸發(fā)脈沖類型選擇模塊、斬波電路脈寬調(diào)制模塊、可控硅移相觸發(fā)模塊。觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件啟動斬波電路脈寬調(diào)制模塊或可控硅移相觸發(fā)模塊產(chǎn)生第一級觸發(fā)脈沖(為了便于區(qū)分，將斬波電路脈寬調(diào)制模塊或可控硅移相觸發(fā)模塊產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖命為第一級觸發(fā)脈沖)至功率放大模塊，即:觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件，選擇觸發(fā)脈沖類型:如果發(fā)電機勵磁功率單元采用整流電路，則啟動可控硅移相觸發(fā)模塊；如果發(fā)電機勵磁功率單元采用斬波電路，則啟動斬波電路脈寬調(diào)制模塊。需說明的是:對于可控硅移相觸發(fā)，還需要可控硅同步電壓濾波電路和同步方波信號形成電路進行轉化后發(fā)送至可編程邏輯模塊；而對于斬波電路，這兩部分電路不起作用。即虛線框表示的為可控硅移相觸發(fā)控制所需要的同步電壓處理電路，對于斬波電路這部分電路不起作用。
[0016]斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率(調(diào)制脈沖的頻率)和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖，開關頻率參數(shù)通過硬件跳線選擇或軟件定值整定等方法輸入，占空比參數(shù)由勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則實時計算并傳送給可編程邏輯模塊。斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)脈寬調(diào)制控制的原理，產(chǎn)生IGBT等開關功率器件脈寬調(diào)制第一級觸發(fā)脈沖。
[0017]可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖，優(yōu)選可控硅移相觸發(fā)模塊運用可控硅移相觸發(fā)原理，根據(jù)整流電路為單相整流、三相整流還是更多相整流，為半控橋式整流還是全控橋式整流，定義對應數(shù)量的引腳，產(chǎn)生滿足要求的可控硅移相第一級觸發(fā)脈沖，即可控硅移相觸發(fā)模塊包括單相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)模塊、三相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)模塊、多相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)模塊、單相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)模塊、三相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)模塊、多相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)模塊，分別產(chǎn)生對應的可控硅移相第一級觸發(fā)脈沖。
[0018]如圖4所示，功率放大模塊將第一級觸發(fā)脈沖進行電平轉換及功率放大后產(chǎn)生第二級觸發(fā)脈沖并發(fā)送至脈沖隔離模塊。優(yōu)選功率放大模塊包括順次相連的光電耦合器電路和MOSFET電路，光電耦合器電路用于可編程邏輯模塊輸出的第一級觸發(fā)脈沖的隔離、電平轉換，MOSFET電路用于第一級觸發(fā)脈沖的功率放大。此為現(xiàn)有技術，在此不再贅述。
[0019]為了減少兩個不同的電路之間的相互干擾，第二級觸發(fā)脈沖需經(jīng)過脈沖隔離模塊輸出發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖。如圖5所示，脈沖隔離模塊包括脈沖隔離變壓器和功率驅動專用集成電路，圖中功率驅動專用集成電路是EXB841，其中斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過功率驅動專用集成電路進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖；可控娃移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控娃整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控娃移相觸發(fā)脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過脈沖隔離變壓器進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖，即直接驅動發(fā)電機勵磁功率單元中的功率器件。
[0020]相應的，如圖6所示，一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)方法，觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件判斷觸發(fā)類型是否為可控硅移相觸發(fā)，可以根據(jù)讀入的硬件跳線電平或定值(軟件定值整定)來判斷需要輸出的功率器件觸發(fā)脈沖類型，從而執(zhí)行相應的脈沖觸發(fā)算法。如果否，則執(zhí)行斬波電路脈寬調(diào)制算法:即斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過功率驅動專用集成電路進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖。
[0021]如果是，則判斷是否是可控硅全控橋式整流，如果否，則根據(jù)整流橋是單相、三相還是多相，執(zhí)行可控娃半控整流橋移相觸發(fā)算法；如果是，則根據(jù)整流橋是單相、二相還是多相，執(zhí)行可控硅全控整流橋移相觸發(fā)算法?？煽毓枰葡嘤|發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過脈沖隔離變壓器進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖。
[0022]優(yōu)選可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生單相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)脈沖、三相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)脈沖、多相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)脈沖、單相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)脈沖、三相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)脈沖、多相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)脈沖。
[0023]針對不同的發(fā)電機勵磁功率單元，可編程邏輯模塊、功率放大模塊保持不變，只有脈沖隔離模塊在所采用的隔離器件上存在局部的差異，即脈沖隔離模塊針對不同的發(fā)電機勵磁功率單元，電路基本相同，局部差異僅存在于所采用的隔離器件不同:整流電路往往采用脈沖隔離變壓器，斬波電路往往采用功率驅動專用集成電路芯片，比如EXB841，以滿足不同的發(fā)電機勵磁功率單元電壓隔離要求以及響應時間要求，提高控制精度及可靠性，通用性強，使用更靈活、方便。并且可編程邏輯模塊、功率放大模塊、脈沖隔離模塊三者之間的接口電路保持不變，接口的信號類型、電壓等級維持不變?？删幊踢壿嬆K設計通用的程序包模塊，包含了各種類型發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)邏輯處理，可輸出多種類型發(fā)電機勵磁功率單元功率器件所需要的觸發(fā)脈沖。在應用到某一具體類型的發(fā)電機勵磁功率單元時，不需要修改控制軟件的程序包模塊，通過硬件跳線選擇或軟件定值整定等方法實現(xiàn)具體觸發(fā)脈沖類型的選擇，以滿足具體應用的需要。
[0024]以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結構或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，包括順次相連的可編程邏輯模塊、功率放大模塊和脈沖隔離模塊，所述脈沖隔離模塊向發(fā)電機勵磁功率單元發(fā)送觸發(fā)脈沖； 所述可編程邏輯模塊包括觸發(fā)脈沖類型選擇模塊、斬波電路脈寬調(diào)制模塊、可控硅移相觸發(fā)模塊， 所述觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件啟動斬波電路脈寬調(diào)制模塊或可控硅移相觸發(fā)模塊產(chǎn)生第一級觸發(fā)脈沖至功率放大模塊，其中，斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖，可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖； 所述功率放大模塊將第一級觸發(fā)脈沖進行電平轉換及功率放大后產(chǎn)生第二級觸發(fā)脈沖并發(fā)送至脈沖隔離模塊； 所述脈沖隔離模塊包括脈沖隔離變壓器和功率驅動專用集成電路，第二級觸發(fā)脈沖經(jīng)過脈沖隔離變壓器或功率驅動專用集成電路的電氣隔離后輸出觸發(fā)脈沖至發(fā)電機勵磁功率單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述可控硅移相觸發(fā)模塊包括單相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)模塊、三相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)模塊、多相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)模塊、單相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)模塊、三相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)模塊、多相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述可編程邏輯模塊是FPGA或CPLD模塊。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，還包括相連的可控硅同步電壓濾波電路和同步方波信號形成電路，所述同步方波信號形成電路與FPGA或CPLD模塊相連。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述功率驅動專用集成電路是EXB841。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)系統(tǒng)，其特征在于，所述功率放大模塊包括順次相連的光電耦合器電路和MOSFET電路。
7.一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)方法，其特征在于，觸發(fā)脈沖類型選擇模塊根據(jù)具體的發(fā)電機勵磁功率單元拓撲及功率器件判斷觸發(fā)類型是否為可控硅移相觸發(fā)，如果否，則斬波電路脈寬調(diào)制模塊根據(jù)開關頻率和占空比產(chǎn)生調(diào)制脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過功率驅動專用集成電路進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖；如果是，則可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)不同的可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生對應的可控硅移相觸發(fā)脈沖并發(fā)送至功率放大模塊進行電平轉換及功率放大，最后通過脈沖隔離變壓器進行電氣隔離產(chǎn)生發(fā)電機勵磁功率單元的觸發(fā)脈沖。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種通用發(fā)電機勵磁功率單元功率器件觸發(fā)方法，其特征在于，可控硅移相觸發(fā)模塊根據(jù)可控硅整流橋拓撲類型產(chǎn)生單相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)脈沖、三相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)脈沖、多相可控硅全控整流橋移相觸發(fā)脈沖、單相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)脈沖、三相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)脈沖、多相可控硅半控整流橋移相觸發(fā)脈沖。
【文檔編號】H02P9/30GK103944469SQ201410196998
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權日:2014年5月12日
【發(fā)明者】彭鋼, 朱紅偉, 單華鵬, 劉玉林, 顧建嶸, 張紹峰, 王斌, 宋文淵 申請人:南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司