晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置 【技术领域】
本发明涉及电机励磁控制领域，主要涉及晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置。
背景技术
励磁装置一般由励磁调节器柜、励磁整流柜、灭磁及过电压保护柜组成。每个励磁整流柜中包含一个独立的晶闸管整流桥，大型机组的励磁装置一般由多个励磁整流柜(晶闸管整流桥)同时并列运行。并列运行的晶闸管整流桥由于各晶闸管的参数离散性、接线长短不同、接触电阻大小不同等原因，会造成晶闸管整流桥输出电流存在较大差异，使得并列运行的晶闸管整流桥负载很不均衡。这样，长期负荷重的晶闸管的品质变坏，可靠性降低，寿命缩短，造成损坏。损坏的晶闸管退出运行，又增加了其它晶闸管的负担，造成连锁反应。解决并列运行晶闸管整流桥输出电流均衡的方法称为均流技术。通常采用的均流技术有选择适当的交流电缆进行长线均流、通过晶闸管参数匹配实现均流、在每个晶闸管整流桥直流侧铜排加装可调电抗器、对晶闸管元件的触发脉冲进行微调等方法。其中采用交流电缆进行长线均流的方式，电缆利用率低，故障晶闸管整流桥退出运行时，相应的电缆退出运行，因此，需要较多的电缆冗余，增加成本。晶闸管参数匹配实现均流，由于晶闸管运行后，参数发生变化，均流效果无法长期保证。加装可调电抗器均流，增加了电抗，对晶闸管换向不利。而晶闸管元件的触发脉冲进行微调，采用的是模拟方法，不易实现支臂均流，且容易产生温漂，长期稳定性差。
【发明内容】
为了克服上述现有控制装置的缺陷，本发明旨在提供一种适合在励磁系统中整流柜并联运行时需要均流场合使用的晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置。本发明采用数字式闭环控制，使稳定性大大提高。
本发明通过下述技术方案实现：
晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置，包括调节器、整流柜控制器、晶闸管整流桥和检测器件，其特征在于：所述调节器为主控制器，由机端信号处理模块、同步信号处理模块和调节器控制器组成；所述整流柜控制器为从控制器，由整流柜控制器控制模块、整流柜控制器模数转换模块、整流柜控制器脉冲形成模块、整流柜控制器开关量输入输出模块和整流桥显示控制器组成；晶闸管整流桥由晶闸管全控整流桥、脉冲放大模块、脉冲变压器隔离触发模块和集中反向阻断尖峰吸收模块组成；检测器件由电流传感器、传感器电源模块、整流柜控制器和模数转换模块组成；所述机端信号处理模块调整发电机机端电压信号和电流信号，使其适合输出到调节器控制器模数转换模块；同步信号处理模块调整整流柜晶闸管整流桥的阳极电压，使其适合输出到调节器控制器脉冲形成模块，成为晶闸管整流桥的阳极电压的同步信号。
所述调节器控制器为PAC控制器或IPC控制器或其它微机控制器，由调节器控制器模数转换模块、调节器控制器脉冲形成模块、调节器控制器控制模块、调节器控制器开关量输入模块和调节器控制器开关量输出模块组成；调节器控制器采样机端信号，通过交流算法，计算出发电机的瞬时三相线电压、相电压、各相有功功率、各相无功功率、电压有效值、电流有效值、总的有功功率和总的无功功率以及功率因数。
所述调节器控制器根据发电机信号和给定信号，通过PID算法，计算出晶闸管整流桥的总控制角；调节器控制器脉冲形成模块根据总控制角和晶闸管整流桥的阳极电压的同步信号，发出六相触发脉冲，输出到整流柜控制器脉冲形成模块，成为晶闸管整流桥的总触发同步信号；调节器控制器根据实际的运行整流柜的个数，计算出每一晶闸管整流桥支臂应通过的电流，该电流作为每个支臂的电流给定值；比较支臂电流给定值与每一个整流柜晶闸管整流桥支臂电流实际值，得出每一个支臂的均流移相角，最后传输到整流柜控制器。
所述整流柜控制器计算出晶闸管整流桥的每一个支臂电流的瞬时值，通过网络，传输到调节器控制器；整流柜控制器脉冲形成模块根据总触发同步信号和每一个支臂的均流移相角，进行移相触发，发出触发信号，输出到脉冲放大模块。
所述脉冲放大模块触发脉冲，产生系列脉冲，并且产生强触发脉冲信号，脉冲信号经过功率放大后，输出到脉冲变压器隔离触发模块；脉冲变压器隔离触发模块隔离控制回路与晶闸管整流桥的高电压回路；脉冲变压器隔离触发模块输出触发脉冲到晶闸管整流桥的触发级，控制晶闸管整流桥的输出电流大小。
所述集中反向阻断尖峰吸收模块，由高压熔断器、高压三相整流桥和阻容元件组成；高压熔断器防止元件故障，高压三相整流桥将三相交流电压整流，将换向尖峰加到阻容元件，使换向尖峰被抑制和吸收。
所述检测器件的电流传感器为霍尔传感器，三只霍尔传感器分别安装于整流柜U、V、W三相交流进线上，每一相霍尔传感器的工作电源为±15V，由传感器电源模块提供；霍尔传感器将流过交流进线上的交流电流变换成±5V的直流电压信号，该信号连接到模数转换模块后通过滤波计算和交流计算，计算出晶闸管整流桥的每一个支臂电流。
使用时，电流检测器件测量晶闸管整流桥交流侧电流并将测量到的信号反馈到整流柜控制器，通过整流柜控制器的采样计算，分别计算出晶闸管整流桥上每个支臂晶闸管元件的平均电流，该计算结果通过工业以太网络传输到调节器，调节器在进行常规控制计算的同时，再采用调节控制数字均流算法，分别计算出并列运行晶闸管整流桥每个支臂晶闸管为了均流而需要移动的的均流移相控制角度；该移相控制角度又通过工业以太网络发送到各个整流柜控制器，每个支臂晶闸管的触发控制脉冲得到调整，从而使并列运行晶闸管整流桥输出电流趋于一致。通过实时的采样、闭环控制，可以确保并列运行的晶闸管整流桥实时处于均流状态。
本发明具有以下优点：
一、晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置，采用的是数字式闭环均流控制。调节器和整流柜控制器均为完全数字式的微机控制器，其信号采样、控制计算和脉冲形成均采用数字方式实现；调节器和整流柜控制器之间采用双工业以太网络进行网络通讯，所有采集的数据和均流移相控制角度全部以数字的方式通过双工业以太网络进行传输。采用数字式闭环均流方式比其他均流方式控制精度高，而且无温漂，结构更简单可靠，控制方案灵活，参数调整方便，也更稳定。控制效果可以通过程序调整，适应各种结构的整流柜。均流移相的范围通过软件控制，具有诊断故障能力，防止均流电路引起的故障。而闭环控制可以保证在各种运行状态下地均流精度，具有实时度高、均流系数大于95％的特点。
二、通过整流柜控制器完成对晶闸管整流桥上每个支臂晶闸管元件平均电流的测量和计算，由调节器实现均流的调节控制数字均流算法，可以方便的判断哪个支臂元件故障，哪条支路退出运行，正常运行的并联支臂有多少，这是其他均流方式无法实现的；并列运行晶闸管整流桥的调节控制效果由调节器负责完成，更容易判断故障和保证均流效果。
三、通过对并列运行的每只晶闸管整流桥的电流值实时采集、进行数字滤波和定点采样分析，通过双工业以太网络进行数值传输，实现的均流是并联支臂的均流，优于整流桥之间的均流。实现了在全动态环境下多并列运行晶闸管整流桥全数字化智能均流。
【附图说明】
图1为励磁系统原理图
图2为整流柜原理图
图3为集中反向阻断尖峰吸收原理图
图4为整流桥原理及支臂电流采样原理图
图中标记：1、调节器，2、整流柜控制器，3、晶闸管整流桥，4、检测器件，5、机端信号处理模块，6、同步信号处理模块，7、调节器控制器，8、整流柜控制器控制模块，9、整流柜控制器模数转换模块，10、整流柜控制器脉冲形成模块，11、整流柜控制器开关量输入输出模块，12、整流桥显示控制器，13、晶闸管全控整流桥，14、脉冲放大模块，15、脉冲变压器隔离触发模块，16、集中反向阻断尖峰吸收模块，17、电流传感器，18、传感器电源模块，19、模数转换模块，20、调节器控制器模数转换模块，21、调节器控制器脉冲形成模块，22、调节器控制器控制模块，23、调节器控制器开关量输入模块，24、调节器控制器开关量输出模块，25、高压熔断器，26、高压三相整流桥。
【具体实施方式】
实施例1
晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置，包括调节器1、整流柜控制器2、晶闸管整流桥3和检测器件4，所述调节器1为主控制器，由机端信号处理模块5、同步信号处理模块6和调节器控制器7组成；所述整流柜控制器2为从控制器，由整流柜控制器控制模块8、整流柜控制器模数转换模块9、整流柜控制器脉冲形成模块10、整流柜控制器开关量输入输出模块11和整流桥显示控制器12组成；晶闸管整流桥3由晶闸管全控整流桥13、脉冲放大模块14、脉冲变压器隔离触发模块15和集中反向阻断尖峰吸收模块16组成；检测器件4由电流传感器17、传感器电源模块18、整流柜控制器2和模数转换模块19组成；所述机端信号处理模块5调整发电机机端电压信号和电流信号，使其适合输出到调节器控制器模数转换模块20；同步信号处理模块6调整晶闸管整流桥3的阳极电压，使其适合输出到调节器控制器脉冲形成模块21，成为晶闸管整流桥3的阳极电压的同步信号。所述调节器1的核心部件调节器控制器7为PAC控制器，机端信号处理模块5调整发电机机端电压信号和电流信号，使其适合输出到调节器控制器模数转换模块20。同步信号处理模块6调整晶闸管整流桥3的阳极电压，使其适合输出到调节器控制器脉冲形成模块21，成为晶闸管整流桥3的阳极电压的同步信号。调节器控制器7采样机端信号，通过交流算法，计算出发电机的瞬时三相线电压、相电压、各相有功功率、各相无功功率、电压有效值、电流有效值、总的有功功率和总的无功功率以及功率因数。调节器控制器7根据发电机信号和给定信号，通过PID算法，计算出晶闸管整流桥3的总控制角。调节器控制器脉冲形成模块21根据总控制角和晶闸管整流桥3的阳极电压的同步信号，发出六相触发脉冲，输出到整流柜控制器脉冲形成模块10，成为晶闸管整流桥3的总触发同步信号。每一个整流柜控制器2计算出晶闸管整流桥3的每一个支臂电流的瞬时值，通过网络，传输到调节器控制器7。调节器控制器7根据实际的运行整流柜的个数，计算出每一晶闸管整流桥3支臂应通过的电流，该电流作为每个支臂的电流给定值。在计算支臂电流给定值时，采用实际的并联的晶闸管数量，因此晶闸管整流桥3每一支臂+U、+V、+W、-U、-V、-W不一定相同，由于可能有些支臂因故障退出运行，因而支臂电流给定值不一定相同。比较支臂电流给定值与每一个晶闸管整流桥3支臂电流实际值，如果支臂电流给定值大于相应的晶闸管整流桥3支臂电流实际值，该支臂的均流移相角等于零；如果支臂电流给定值小于相应的晶闸管整流桥3支臂电流实际值，该误差值经过PI调节和延时，计算出支臂的均流移相角。均流移相角一般给予最大最小限制。调节器控制器7计算出晶闸管整流桥3的每一个支臂的均流移相角，一般只计算晶闸管整流桥3正组的支臂的均流移相角，通过网络，传输到整流柜控制器2。整流柜控制器脉冲形成模块10根据总触发同步信号和每一个支臂的均流移相角，进行移相触发，发出触发信号，输出到脉冲放大模块14。脉冲放大模块14的功能是触发脉冲，产生系列脉冲，并且产生强触发脉冲信号，脉冲信号经过功率放大后，输出到脉冲变压器隔离触发模块15。脉冲变压器隔离触发模块15的功能是通过高的绝缘电压脉冲变压器，隔离控制回路与晶闸管整流桥3的高电压回路。脉冲变压器隔离触发模块15输出触发脉冲到晶闸管整流桥3的触发级，控制晶闸管整流桥3的输出电流大小。
调节器控制器7通过以太网与整流柜控制器2通讯，晶闸管整流桥3运行时，会出现换相过电压，换相过电压是由励磁变漏感及线路电感引起的，在每个晶闸管整流桥3交流侧接入一套集中反向阻断式阻容吸收回路，可同时吸收晶闸管整流桥3的交流侧过电压和换相过电压尖峰。集中反向阻断尖峰吸收模块16由高压熔断器25、高压三相整流桥26、阻容元件组成。高压熔断器25防止元件故障引起事故扩大。高压三相整流桥26一方面将三相交流电压整流，另一方面使换向尖峰可以加到阻容元件上，使换向尖峰被抑制和吸收。由于高压三相整流桥26的存在，电容不会通过晶闸管放电，保护了电容，因此称为反向阻断式。又由于阻容是集中配置，整个晶闸管整流桥3配置一套，减少元器件的数量。当交流侧出现过电压时，将通过晶闸管整流桥3向电容器充电，由于电容器两端电压不能突变，交流侧过电压得以限制。当过电压能量被转移后，电容器又通过电阻释放所储存的电荷。该吸收回路的放电电流由于晶闸管整流桥3的反向阻断作用而自成回路，有助于减小晶闸管元件导通时的电流上升率，此外，还可避免电容器和励磁变压器回路电感构成谐振。晶闸管整流桥3并联运行时，允许部分集中反向阻断尖峰吸收模块16退出运行，剩余的集中反向阻断尖峰吸收模块16可以完成换向尖峰的抑制和吸收。
当发电机励磁电流较大时，如2000A，需要几个整流柜晶闸管整流桥3并联运行，每个晶闸管整流桥3的检测器件4包括电流传感器17，在U、V、W相交流进线上分别安装三只电流传感器17。电流传感器17采用霍尔传感器，防止电磁式电流传感器由于电流不对称产生的偏磁而测量不准确。每一相霍尔传感器可以检测与该相连接的正晶闸管和负晶闸管的电流，避免每一支臂安装电流传感器17。晶闸管整流桥3的检测器件4输出连接到整流柜控制器模数转换模块9，整流柜控制器2采集电流传感器17的信号，通过滤波计算和交流计算，计算出晶闸管整流桥3的每一个支臂电流。每一个支臂导通120°电角度。该波形为梯形波，梯形波的斜边由发电机的励磁电流和励磁变压器的二次侧漏抗决定。梯形波过零点后，如果信号是正的方向增长，该信号为正相晶闸管的电流信号；反之，梯形波过零点后，如果信号是负的方向增长，该信号为负相晶闸管的电流信号。交流计算可以通过高速多次采样电流传感器17信号后，计算正相或负相晶闸管导通后的平均电流。交流计算还可以在梯形波过零点后，延时足够的换向角，如45°，等待正相或负相晶闸管导通换向完成后，计算晶闸管的导通电流。
实施例2
晶闸管整流桥并列运行全数字化智能均流控制装置，包括调节器1、整流柜控制器2、晶闸管整流桥3和检测器件4，所述调节器1为主控制器，由机端信号处理模块5、同步信号处理模块6和调节器控制器7组成；所述整流柜控制器2为从控制器，由整流柜控制器控制模块8、整流柜控制器模数转换模块9、整流柜控制器脉冲形成模块10、整流柜控制器开关量输入输出模块11和整流桥显示控制器12组成；晶闸管整流桥3由晶闸管全控整流桥13、脉冲放大模块14、脉冲变压器隔离触发模块15和集中反向阻断尖峰吸收模块16组成；检测器件4由电流传感器17、传感器电源模块18、整流柜控制器2和模数转换模块19组成；所述机端信号处理模块5调整发电机机端电压信号和电流信号，使其适合输出到调节器控制器模数转换模块20；同步信号处理模块6调整晶闸管整流桥3的阳极电压，使其适合输出到调节器控制器脉冲形成模块21，成为晶闸管整流桥3的阳极电压的同步信号。所述调节器1的核心部件调节器控制器7为IPC控制器，机端信号处理模块5调整发电机机端电压信号和电流信号，使其适合输出到调节器控制器模数转换模块20。同步信号处理模块6调整晶闸管整流桥3的阳极电压，使其适合输出到调节器控制器脉冲形成模块21，成为晶闸管整流桥3的阳极电压的同步信号。调节器控制器7采样机端信号，通过交流算法，计算出发电机的瞬时三相线电压、相电压、各相有功功率、各相无功功率、电压有效值、电流有效值、总的有功功率和总的无功功率以及功率因数。调节器控制器7根据发电机信号和给定信号，通过PID算法，计算出晶闸管整流桥3的总控制角。调节器控制器脉冲形成模块21根据总控制角和晶闸管整流桥3的阳极电压的同步信号，发出六相触发脉冲，输出到整流柜控制器脉冲形成模块10，成为晶闸管整流桥3的总触发同步信号。每一个整流柜控制器2计算出晶闸管整流桥3的每一个支臂电流的瞬时值，通过网络，传输到调节器控制器7。调节器控制器7根据实际的运行整流柜的个数，计算出每一晶闸管整流桥3支臂应通过的电流，该电流作为每个支臂的电流给定值。在计算支臂电流给定值时，采用实际的并联的晶闸管数量，因此晶闸管整流桥3每一支臂+U、+V、+W、-U、-V、-W不一定相同，由于可能有些支臂因故障退出运行，因而支臂电流给定值不一定相同。比较支臂电流给定值与每一个晶闸管整流桥3支臂电流实际值，如果支臂电流给定值大于相应的晶闸管整流桥3支臂电流实际值，该支臂的均流移相角等于零；如果支臂电流给定值小于相应的晶闸管整流桥3支臂电流实际值，该误差值经过PI调节和延时，计算出支臂的均流移相角。均流移相角一般给予最大最小限制。调节器控制器7计算出晶闸管整流桥3的每一个支臂的均流移相角，一般只计算晶闸管整流桥3正组的支臂的均流移相角，通过网络，传输到整流柜控制器2。整流柜控制器脉冲形成模块10根据总触发同步信号和每一个支臂的均流移相角，进行移相触发，发出触发信号，输出到脉冲放大模块14。脉冲放大模块14的功能是触发脉冲，产生系列脉冲，并且产生强触发脉冲信号，脉冲信号经过功率放大后，输出到脉冲变压器隔离触发模块15。脉冲变压器隔离触发模块15的功能是通过高的绝缘电压脉冲变压器，隔离控制回路与晶闸管整流桥3的高电压回路。脉冲变压器隔离触发模块15输出触发脉冲到晶闸管整流桥3的触发级，控制晶闸管整流桥3的输出电流大小。
调节器控制器7通过以太网与整流柜控制器2通讯，晶闸管整流桥3运行时，会出现换相过电压，换相过电压是由励磁变漏感及线路电感引起的，在每个晶闸管整流桥3交流侧接入一套集中反向阻断式阻容吸收回路，可同时吸收晶闸管整流桥3的交流侧过电压和换相过电压尖峰。集中反向阻断尖峰吸收模块16由高压熔断器25、高压三相整流桥26、阻容元件组成。高压熔断器25防止元件故障引起事故扩大。高压三相整流桥26一方面将三相交流电压整流，另一方面使换向尖峰可以加到阻容元件上，使换向尖峰被抑制和吸收。由于高压三相整流桥26的存在，电容不会通过晶闸管放电，保护了电容，因此称为反向阻断式。又由于阻容是集中配置，整个晶闸管整流桥3配置一套，减少元器件的数量。当交流侧出现过电压时，将通过晶闸管整流桥3向电容器充电，由于电容器两端电压不能突变，交流侧过电压得以限制。当过电压能量被转移后，电容器又通过电阻释放所储存的电荷。该吸收回路的放电电流由于晶闸管整流桥3的反向阻断作用而自成回路，有助于减小晶闸管元件导通时的电流上升率，此外，还可避免电容器和励磁变压器回路电感构成谐振。晶闸管整流桥3并联运行时，允许部分集中反向阻断尖峰吸收模块16退出运行，剩余的集中反向阻断尖峰吸收模块16可以完成换向尖峰的抑制和吸收。
当发电机励磁电流较大时，如2100A，需要几个整流柜晶闸管整流桥3并联运行，每个晶闸管整流桥3的检测器件4包括电流传感器17，在U、V、W相交流进线上分别安装三只电流传感器17。电流传感器17采用霍尔传感器，防止电磁式电流传感器由于电流不对称产生的偏磁而测量不准确。每一相霍尔传感器可以检测与该相连接的正晶闸管和负晶闸管的电流，避免每一支臂安装电流传感器17。晶闸管整流桥3的检测器件4输出连接到整流柜控制器模数转换模块9，整流柜控制器2采集电流传感器17的信号，通过滤波计算和交流计算，计算出晶闸管整流桥3的每一个支臂电流。每一个支臂导通120°电角度。该波形为梯形波，梯形波的斜边由发电机的励磁电流和励磁变压器的二次侧漏抗决定。梯形波过零点后，如果信号是正的方向增长，该信号为正相晶闸管的电流信号；反之，梯形波过零点后，如果信号是负的方向增长，该信号为负相晶闸管的电流信号。交流计算可以通过高速多次采样电流传感器17信号后，计算正相或负相晶闸管导通后的平均电流。交流计算还可以在梯形波过零点后，延时足够的换向角，如45°，等待正相或负相晶闸管导通换向完成后，计算晶闸管的导通电流。
本发明不限于以上实施例，但均应落入本发明权利要求保护范围之内。