一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统和方法，其特征在于，触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件判断触发类型是否为可控硅移相触发，如果否，则斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过功率驱动专用集成电路进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲；如果是，则可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过脉冲隔离变压器进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲。结构简单，通用性强，使用更灵活、方便。
【专利说明】一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统和方法。
【背景技术】
[0002]发电机励磁系统的作用是根据电力系统运行需要，控制发电机励磁电流，从而控制发电机机端电压、无功功率。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向发电机或励磁机励磁绕组提供励磁电流，而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。
[0003]图1是发电机励磁系统的原理图:发电机励磁调节器根据电力系统运行需要，控制发电机励磁功率单元输出的励磁电流，发电机励磁功率单元向发电机或励磁机励磁绕组提供直流励磁电流。
[0004]其中发电机励磁功率单元具有不同的电路拓扑结构，由不同的功率器件构成。发电机励磁功率单元的输入电源根据不同的励磁系统类型，可以是交流电、也可以是直流电。交流电可以是单相、也可以是三相、甚至更多相。对于输入电源为交流电的发电机励磁功率单元,往往采用桥式整流电路。根据交流电的相数,桥式整流电路分为单相整流桥、三相整流桥、多相整流桥；根据是否使用二极管，桥式整流电路分为半控桥式整流(即整流桥每相由一只可控硅和一只二极管串联组成的整流电路)和全控桥式整流(即整流桥每相由两只可控硅串联组成的整流电路)。整流电路的功率器件往往采用可控硅、二极管构成，其中移相触发即改变可控硅的触发角大小，从而改变可控硅的导通时间。对于输入电源为直流电的发电机励磁功率单元，大多采用斩波电路，斩波电路功率器件采用IGBT等。
[0005]现有发电机励磁功率单元功率器件触发技术，要根据具体的发电机励磁功率单元电路拓扑和具体的功率器件进行设计，往往要单独设计触发控制逻辑以及相应的放大、隔离电路，不具有通用性。早期的模拟式发电机励磁功率单元功率器件触发技术，更是存在着电路复杂、控制精度低、可靠性差的缺点。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统和方法，适用于多种发电机励磁功率单元的电路拓扑结构、多种功率器件的触发，同时提高控制精度及可靠性，通用性强，使用更灵活、方便。
[0007]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现:
一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，包括顺次相连的可编
程逻辑模块、功率放大模块和脉冲隔离模块，所述脉冲隔离模块向发电机励磁功率单元发送触发脉冲；
所述可编程逻辑模块包括触发脉冲类型选择模块、斩波电路脉宽调制模块、可控硅移相触发模块，所述触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件启动斩波电路脉宽调制模块或可控硅移相触发模块产生第一级触发脉冲至功率放大模块，其中，斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲，可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲；所述功率放大模块将第一级触发脉冲进行电平转换及功率放大后产生第二级触发脉冲并发送至脉冲隔离模块；所述脉冲隔离模块包括脉冲隔离变压器和功率驱动专用集成电路，第二级触发脉冲经过脉冲隔离变压器或功率驱动专用集成电路的电气隔离后输出触发脉冲至发电机励磁功率单
J Li ο
[0008]一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发方法，其特征在于，触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件判断触发类型是否为可控硅移相触发，如果否，则斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过功率驱动专用集成电路进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲；如果是，则可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过脉冲隔离变压器进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲。
[0009]针对不同的发电机励磁功率单元，可编程逻辑模块、功率放大模块保持不变，只有脉冲隔离模块在所采用的隔离器件上存在局部的差异，即脉冲隔离模块针对不同的发电机励磁功率单元，电路基本相同，局部差异仅存在于所采用的隔离器件不同:整流电路往往采用脉冲隔离变压器，斩波电路往往采用功率驱动专用集成电路芯片，比如EXB841，以满足不同的发电机励磁功率单元电压隔离要求以及响应时间要求，提高控制精度及可靠性，通用性强，使用更灵活、方便。并且可编程逻辑模块、功率放大模块、脉冲隔离模块三者之间的接口电路保持不变，接口的信号类型、电压等级维持不变。可编程逻辑模块设计通用的程序包模块，包含了各种类型发电机励磁功率单元功率器件触发逻辑处理，可输出多种类型发电机励磁功率单元功率器件所需要的触发脉冲。在应用到某一具体类型的发电机励磁功率单元时，不需要修改控制软件的程序包模块，通过硬件跳线选择或软件定值整定等方法实现具体触发脉冲类型的选择，以满足具体应用的需要。
[0010]本发明的有益效果是:结构简单，适用于多种发电机励磁功率单元的电路拓扑结构、多种功率器件的触发，同时提高控制精度及可靠性，通用性强，使用更灵活、方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是发电机励磁系统的原理图；
图2是本发明一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统的结构框图；
图3是图2中可编程逻辑模块的内部结构图；
图4是图2中功率放大模块的内部结构图；
图5是图2中脉冲隔离模块的内部结构图；
图6是一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发方法的流程图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。[0013]如图2所示，一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，包括顺次相连的可编程逻辑模块、功率放大模块和脉冲隔离模块，其中脉冲隔离模块向发电机励磁功率单元发送触发脉冲。
[0014]可编程逻辑模块的结构框图如图3所示，可编程逻辑模块根据发电机励磁功率单元的电路拓扑及采用的功率器件，形成功率器件的触发逻辑，产生低电平的触发脉冲，送至功率放大模块。优选可编程逻辑模块采用FPGA模块(FieId-ProgrammabIe Gate ArrayJJ^1场可编程门阵列)或CPLD模块(Comp I ex Programmable Logic Device:复杂可编程逻辑器件)，下面仅以FPGA进行举例说明。 [0015]FPGA模块相比模拟电路具有更高的控制精度及可靠性。同时，由于FPGA的可编程性，根据发电机励磁功率单元的电路拓扑及采用的功率器件，可定义对应数量的引脚，输出对应数量的触发脉冲，不改变可编程逻辑模块的硬件，即可满足各种发电机励磁功率单元功率器件的触发要求，具体为:
可编程逻辑模块(或FPGA模块)包括触发脉冲类型选择模块、斩波电路脉宽调制模块、可控硅移相触发模块。触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件启动斩波电路脉宽调制模块或可控硅移相触发模块产生第一级触发脉冲(为了便于区分，将斩波电路脉宽调制模块或可控硅移相触发模块产生的触发脉冲命为第一级触发脉冲)至功率放大模块，即:触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件，选择触发脉冲类型:如果发电机励磁功率单元采用整流电路，则启动可控硅移相触发模块；如果发电机励磁功率单元采用斩波电路，则启动斩波电路脉宽调制模块。需说明的是:对于可控硅移相触发，还需要可控硅同步电压滤波电路和同步方波信号形成电路进行转化后发送至可编程逻辑模块；而对于斩波电路，这两部分电路不起作用。即虚线框表示的为可控硅移相触发控制所需要的同步电压处理电路，对于斩波电路这部分电路不起作用。
[0016]斩波电路脉宽调制模块根据开关频率(调制脉冲的频率)和占空比产生调制脉冲，开关频率参数通过硬件跳线选择或软件定值整定等方法输入，占空比参数由励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则实时计算并传送给可编程逻辑模块。斩波电路脉宽调制模块根据脉宽调制控制的原理，产生IGBT等开关功率器件脉宽调制第一级触发脉冲。
[0017]可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲，优选可控硅移相触发模块运用可控硅移相触发原理，根据整流电路为单相整流、三相整流还是更多相整流，为半控桥式整流还是全控桥式整流，定义对应数量的引脚，产生满足要求的可控硅移相第一级触发脉冲，即可控硅移相触发模块包括单相可控硅全控整流桥移相触发模块、三相可控硅全控整流桥移相触发模块、多相可控硅全控整流桥移相触发模块、单相可控硅半控整流桥移相触发模块、三相可控硅半控整流桥移相触发模块、多相可控硅半控整流桥移相触发模块，分别产生对应的可控硅移相第一级触发脉冲。
[0018]如图4所示，功率放大模块将第一级触发脉冲进行电平转换及功率放大后产生第二级触发脉冲并发送至脉冲隔离模块。优选功率放大模块包括顺次相连的光电耦合器电路和MOSFET电路，光电耦合器电路用于可编程逻辑模块输出的第一级触发脉冲的隔离、电平转换，MOSFET电路用于第一级触发脉冲的功率放大。此为现有技术，在此不再赘述。
[0019]为了减少两个不同的电路之间的相互干扰，第二级触发脉冲需经过脉冲隔离模块输出发电机励磁功率单元的触发脉冲。如图5所示，脉冲隔离模块包括脉冲隔离变压器和功率驱动专用集成电路，图中功率驱动专用集成电路是EXB841，其中斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过功率驱动专用集成电路进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲；可控娃移相触发模块根据不同的可控娃整流桥拓扑类型产生对应的可控娃移相触发脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过脉冲隔离变压器进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲，即直接驱动发电机励磁功率单元中的功率器件。
[0020]相应的，如图6所示，一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发方法，触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件判断触发类型是否为可控硅移相触发，可以根据读入的硬件跳线电平或定值(软件定值整定)来判断需要输出的功率器件触发脉冲类型，从而执行相应的脉冲触发算法。如果否，则执行斩波电路脉宽调制算法:即斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过功率驱动专用集成电路进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲。
[0021]如果是，则判断是否是可控硅全控桥式整流，如果否，则根据整流桥是单相、三相还是多相，执行可控娃半控整流桥移相触发算法；如果是，则根据整流桥是单相、二相还是多相，执行可控硅全控整流桥移相触发算法。可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过脉冲隔离变压器进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲。
[0022]优选可控硅移相触发模块根据可控硅整流桥拓扑类型产生单相可控硅全控整流桥移相触发脉冲、三相可控硅全控整流桥移相触发脉冲、多相可控硅全控整流桥移相触发脉冲、单相可控硅半控整流桥移相触发脉冲、三相可控硅半控整流桥移相触发脉冲、多相可控硅半控整流桥移相触发脉冲。
[0023]针对不同的发电机励磁功率单元，可编程逻辑模块、功率放大模块保持不变，只有脉冲隔离模块在所采用的隔离器件上存在局部的差异，即脉冲隔离模块针对不同的发电机励磁功率单元，电路基本相同，局部差异仅存在于所采用的隔离器件不同:整流电路往往采用脉冲隔离变压器，斩波电路往往采用功率驱动专用集成电路芯片，比如EXB841，以满足不同的发电机励磁功率单元电压隔离要求以及响应时间要求，提高控制精度及可靠性，通用性强，使用更灵活、方便。并且可编程逻辑模块、功率放大模块、脉冲隔离模块三者之间的接口电路保持不变，接口的信号类型、电压等级维持不变。可编程逻辑模块设计通用的程序包模块，包含了各种类型发电机励磁功率单元功率器件触发逻辑处理，可输出多种类型发电机励磁功率单元功率器件所需要的触发脉冲。在应用到某一具体类型的发电机励磁功率单元时，不需要修改控制软件的程序包模块，通过硬件跳线选择或软件定值整定等方法实现具体触发脉冲类型的选择，以满足具体应用的需要。
[0024]以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，包括顺次相连的可编程逻辑模块、功率放大模块和脉冲隔离模块，所述脉冲隔离模块向发电机励磁功率单元发送触发脉冲； 所述可编程逻辑模块包括触发脉冲类型选择模块、斩波电路脉宽调制模块、可控硅移相触发模块， 所述触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件启动斩波电路脉宽调制模块或可控硅移相触发模块产生第一级触发脉冲至功率放大模块，其中，斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲，可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲； 所述功率放大模块将第一级触发脉冲进行电平转换及功率放大后产生第二级触发脉冲并发送至脉冲隔离模块； 所述脉冲隔离模块包括脉冲隔离变压器和功率驱动专用集成电路，第二级触发脉冲经过脉冲隔离变压器或功率驱动专用集成电路的电气隔离后输出触发脉冲至发电机励磁功率单元。
2.根据权利要求1所述的一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，所述可控硅移相触发模块包括单相可控硅全控整流桥移相触发模块、三相可控硅全控整流桥移相触发模块、多相可控硅全控整流桥移相触发模块、单相可控硅半控整流桥移相触发模块、三相可控硅半控整流桥移相触发模块、多相可控硅半控整流桥移相触发模块。
3.根据权利要求1所述的一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，所述可编程逻辑模块是FPGA或CPLD模块。
4.根据权利要求3所述的一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，还包括相连的可控硅同步电压滤波电路和同步方波信号形成电路，所述同步方波信号形成电路与FPGA或CPLD模块相连。
5.根据权利要求1所述的一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，所述功率驱动专用集成电路是EXB841。
6.根据权利要求5所述的一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发系统，其特征在于，所述功率放大模块包括顺次相连的光电耦合器电路和MOSFET电路。
7.一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发方法，其特征在于，触发脉冲类型选择模块根据具体的发电机励磁功率单元拓扑及功率器件判断触发类型是否为可控硅移相触发，如果否，则斩波电路脉宽调制模块根据开关频率和占空比产生调制脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过功率驱动专用集成电路进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲；如果是，则可控硅移相触发模块根据不同的可控硅整流桥拓扑类型产生对应的可控硅移相触发脉冲并发送至功率放大模块进行电平转换及功率放大，最后通过脉冲隔离变压器进行电气隔离产生发电机励磁功率单元的触发脉冲。
8.根据权利要求7所述的一种通用发电机励磁功率单元功率器件触发方法，其特征在于，可控硅移相触发模块根据可控硅整流桥拓扑类型产生单相可控硅全控整流桥移相触发脉冲、三相可控硅全控整流桥移相触发脉冲、多相可控硅全控整流桥移相触发脉冲、单相可控硅半控整流桥移相触发脉冲、三相可控硅半控整流桥移相触发脉冲、多相可控硅半控整流桥移相触发脉冲。
【文档编号】H02P9/30GK103944469SQ201410196998
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】彭钢, 朱红伟, 单华鹏, 刘玉林, 顾建嵘, 张绍峰, 王斌, 宋文渊 申请人:南京国电南自美卓控制系统有限公司