一种基于igbt技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统；属于励磁系统【技术领域】；其技术要点包括工频交流电源，其中所述工频交流电源连接有整流模块，在整流模块输出的直流电源正负极之间依序连接有LC滤波电路和IGBT逆变电路，所述IGBT逆变电路连接有中频分离式旋转变压器；本发明旨在提供一种系统造价低、工作效率高、节能且分离式中频变压器体积小的基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统；用于发电机励磁。
【专利说明】 一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系
统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种励磁系统，更具体地说，尤其涉及一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统。
【背景技术】
[0002]励磁系统是指向同步发电机的转子绕组(又称励磁绕组)提供直流励磁电流的装置及其附属设备。同步发电机励磁系统种类很多，目前中小型水轮发电机常用的励磁系统有以下几种:
[0003](I)直流励磁机励磁系统:直流励磁机实际上是专供同步发电机励磁用的直流发电机，与发电机同轴安装，主要由定子、转子和换相器等部分构成；
[0004]直流励磁机励磁系统的主要特点是比较简单、励磁电源独立、工作不受电网影响、调节过程比较平稳。但是发电机的稳态和动态性能较差，存在振动、噪声和火花，整流子机械磨损大及维护麻烦的问题。新建电站水轮发电机已不采用这种励磁系统。
[0005](2)自并励静止晶闸管励磁系统。容量较小的水轮发电机目前大多采用这种励磁系统。励磁变压器接在发电机机端，晶闸管整流器一般采用三相半控桥式、三相全控桥式，自动电压调节器通过改变晶闸管的控制角实现励磁自动调节。它的主要优点是:简单、经济，其技术性能在很多方面能满足同步发电机的要求。主要缺点是:它的励磁电源来自发电机端，受发电机机端电压变化的影响。当发电机机端电压下降时其强励能力下降，对电力系统的暂态稳定不利。
[0006](3)无刷励磁系统。励磁机电枢绕组直接连至三相桥式全波旋转整流装置，旋转整流装置其正、负极直接与发电机转子连接，供给发电机转子励磁电流。因此励磁系统不需要电刷和滑环装置，如此就构成了无刷励磁系统。
[0007]优点:①无碳刷和滑环，维护工作量少，可靠性高；
[0008]②无磨损引起的碳粉和铜末，对发电机绕组、轴承无污染，电机绝缘寿命长，轴承润滑条件好。
[0009]缺点:①励磁控制通过调节励磁机的励磁实现，响应速度慢；
[0010]②无法对发电机励磁回路进行常规检测(转子电流、电压、绝缘和熔断信号)；
[0011]③要求旋转整流器具有良好的机械性能；
[0012]④增加了发电机的主轴长度，投资增加；
[0013]⑤励磁机转子采用单支点悬臂结构，容易产生振动甚至发生励磁机定、转子扫膛；
[0014]⑥发电机运行时励磁电路随同主轴一起旋转，无法直接灭磁。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种系统造价低、工作效率高、 节能且分离式中频变压器体积小的基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系
统。
[0016]本发明的技术方案是这样实现的:一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，包括工频交流电源，其中所述工频交流电源连接有整流模块，在整流模块输出的直流电源正负极之间依序连接有LC滤波电路和IGBT逆变电路，所述IGBT逆变电路连接有中频分离式旋转变压器，中频分离式旋转变压器由与发电机定子相对固定的初级联接部件、设置在初级联接部件上的初级磁芯、绕设在初级磁芯上的初级线圈、与发电机转子同轴旋转的次级联接部件、设置在次级联接部件上的次级磁芯和绕设在次级磁芯上的次级线圈组成，次级线圈输出电流经整流后与发电机转子线圈连接。
[0017]上述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统中，所述整流模块为由二极管Dl、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6组成的桥式整流器或桥式整流模块。
[0018]上述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统中，所述LC滤波电路主要包括电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、续流二极管D7和限流电感L，电容Cl和电容C2并联在直流电源的正负极之间；电容C3和电容C4串联后连接在直流电源的正负极之间；续流二极管D7连接在电容Cl和电容C2的正极之间；限流电感L串联在电容Cl正极和电容C2正极之间的直流电源正极上。
[0019]上述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统中，所述LC滤波电路中还包括电阻Rl和电阻R2，电阻Rl和电阻R2串联后连接在直流电源的正负极之间且电阻Rl和电阻R2之间的线路与电容C3和电容C4之间的线路相连接。
[0020]上述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统中，所述IGBT逆变电路主要由IGBT双管模块、电容C5和电容C6组成；电容C5和电容C6串联后与IGBT双管模块并联在直流电源的正负极之间；初级线圈的A端连接在电容C5和电容C6之间，初级线圈的B端连接在IGBT双管模块的Kl和K2之间。
[0021]上述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统中，所述IGBT逆变电路还包括电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4，电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4依序串联后连接在直流电源的正负极之间且IGBT双管模块的Kl和K2之间的线路与电阻R3和电容C8之间的线路相连接。
[0022]上述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统中，所述次级线圈与发电机转子线圈之间的电路上还分别设有整流二极管D8、整流二极管D9和保护电阻R5。
[0023]本发明采用上述结构后，由于采用了铁氧体磁性材料作为分离式变压器的铁芯，适用频率范围为20?150kHz，工作频率远高于目前常规的静止可控硅励磁系统、无刷励磁机系统所采用的50Hz的工频交流电的频率，由此带来很多优势。与传统励磁方式相比，其主要特点为:
[0024](I)主变压器的铁芯截面积和线圈匝数大大减少，可以在很大程度上节省贵重金属铜的使用量，减小外形尺寸及重量，显著降低系统的造价；
[0025](2)因为IGBT输出调节方式不同，高效节能，系统效率显著提高，比传统励磁方式节能1/3以上；
[0026](3)因IGBT调节响应速度快，系统能在微秒级的时间内对输出电流进行调整，能实现发电机励磁调节过程的理想控制，系统稳定性进一步提高；
[0027](4)分离式中频变压器体积小，基本不需要增加发电机主轴的长度，不会增加发电机造价。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
[0029]图1是本发明中频分离式旋转变压器的结构示意图；
[0030]图2是本发明的电路原理图。
[0031]图中:工频交流电源1、整流模块2、LC滤波电路3、IGBT逆变电路4、中频分离式旋转变压器5、初级联接部件5a、初级磁芯5b、初级线圈5c、次级联接部件5d、次级磁芯5e、次级线圈5f、IGBT双管模块6。
【具体实施方式】
[0032]参阅图1和图2所示，本发明的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，包括工频交流电源1，所述工频交流电源I连接有整流模块2，在整流模块2输出的直流电源正负极之间依序连接有LC滤波电路3和IGBT逆变电路4，所述IGBT逆变电路4连接有中频分离式旋转变压器5，中频分离式旋转变压器5由与发电机定子相对固定的初级联接部件5a、设置在初级联接部件5a上的初级磁芯5b、绕设在初级磁芯5b上的初级线圈5c、与发电机转子同轴旋转的次级联接部件5d、设置在次级联接部件5d上的次级磁芯5e和绕设在次级磁芯5e上的次级线圈5f组成，次级线圈5f输出电流整流后与发电机转子线圈连接。
[0033]具体地，整流模块2为由二极管Dl、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6组成的桥式整流器或桥式整流模块。参阅图2所示，在本实施例中，所述整流模块2为由二极管Dl、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6组成的三相桥式整流器，整流后输出直流电压U。当然，当交流电源为单相交流电时，则采用单相整流模块。
[0034]所述LC滤波电路3主要包括电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、续流二极管D7和限流电感L，电容Cl和电容C2并联在直流电源的正负极之间；电容C3和电容C4串联后连接在直流电源的正负极之间；续流二极管D7连接在电容Cl和电容C2的正极之间；限流电感L串联在电容Cl正极和电容C2正极之间的直流电源正极上。电容Cl和电容C2滤除高次谐波，电容C3和电容C4为大容量滤波电容。因为电容两端的电压不能突变，在电源接通的瞬间，电容C3和电容C4中产生较大的冲击电流。为了减小此冲击电流，串入限流电感L，因为电感中的电流不能突变，限流电感L起到限流作用。直流电限流后经电容C3和电容C4滤波。
[0035]同时，LC滤波电路3中还包括电阻Rl和电阻R2，电阻Rl和电阻R2串联后连接在直流电源的正负极之间且电阻Rl和电阻R2之间的线路与电容C3和电容C4之间的线路相连接。Rl和电阻R2是放电电阻，电阻值很大，耗电量小，对电路起到保护作用。
[0036]IGBT逆变电路4主要由IGBT双管模块6、电容C5和电容C6组成；电容C5和电容C6串联后与IGBT双管模块6并联在直流电源的正负极之间，串联使用的电容C5和电容C6是两个容量相同的换向电容，每个电容上充有U/2的直流电压。初级线圈5c的A端连接在电容C5和电容C6之间，初级线圈5c的B端连接在IGBT双管模块6的Kl和K2之间。当Kl导通、K2截止时，初级线圈5c中电流流向为:直流电源正极一Kl —变压器B端一A端—(电容C5-、C6+)，当K2导通、Kl截止时，初级线圈5c中电流流向为:(电容C5_、C6+)—变压器A端一B端一K2 —直流电源负极。在次级线圈5f与发电机转子线圈之间的电路上还分别设有整流二极管D8、整流二极管D9和保护电阻R5。
[0037]在主控制板的控制下，轮流导通IGBT双管模块6的Kl、K2，导通频率为20kHz，中频分离式旋转变压器5的初级线圈5c中就有20kHz的中频交流电流通过，次级线圈5f的感应电压经中频整流二极管D8和整流二极管D9整流后输出直流电接入同步发电机的转子线圈，供给发电机转子励磁电流，电阻R5为保护电阻。发电机转子线圈电感值较大，因此无须对直流电流进行滤波。主控制板采用脉宽调制PWM为核心的控制技术或移相控制IGBT的导通时间，改变输出的大小，输出信号设置死区使两路驱动信号的相位错开，以防两个IGBT管同时导通而产生过大电流损坏IGBT管。
[0038]当直流脉冲电压从最大值减小到零时，限流电感L产生的反电动势通过续流二极管D7形成的续流电路形成回路，避免产生过电压击穿IGBT管。
[0039]进一步地，所述IGBT逆变电路4还包括电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4，电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4依序串联后连接在直流电源的正负极之间且IGBT双管模块6的Kl和K2之间的线路与电阻R3和电容C8之间的线路相连接。中频分离式旋转变压器5的初级线圈5c在IGBT通、断瞬间产生的反峰电动势，由电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4组成的阻容保护电路吸收，防止过电压击穿IGBT。
[0040]工作时，50Hz工频交流电经三相桥式整流器变成直流，再经过IGBT (绝缘栅双极型晶体管)逆变电路4，将直流电逆变成20kHz的中频矩形波，再经过分离式中频变压器5降压，将20kHz的交流电送至发电机转动部分，经过二次整流成为稳定的直流电源。整流装置的正、负极直接与同步发电转子连接，构成逆变无刷励磁系统，供给发电机转子励磁电流，因此励磁系统不需要电刷和滑环装置。
[0041]本发明的特点是:二次整流后的直流电源输出波形好，通过脉宽调制或移相控制IGBT逆变器的导通时间，改变输出的大小，从而调节发电机转子绕组的励磁电流以适应发电机的各种运行工况需要。
[0042]以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属【技术领域】中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
【权利要求】
1.一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，包括工频交流电源(1)，其特征在于，所述工频交流电源(1)连接有整流模块(2)，在整流模块(2)输出的直流电源正负极之间依序连接有LC滤波电路(3)和IGBT逆变电路⑷，所述IGBT逆变电路(4)连接有中频分离式旋转变压器(5)，中频分离式旋转变压器(5)由与发电机定子相对固定的初级联接部件(5a)、设置在初级联接部件(5a)上的初级磁芯(5b)、绕设在初级磁芯(5b)上的初级线圈(5c)、与发电机转子同轴旋转的次级联接部件(5d)、设置在次级联接部件(5d)上的次级磁芯(5e)和绕设在次级磁芯(5e)上的次级线圈(5f)组成，次级线圈(5f)输出电流经整流后与发电机转子线圈连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，其特征在于，所述整流模块(2)为由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6组成的桥式整流器或桥式整流模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，其特征在于，所述LC滤波电路(3)主要包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、续流二极管D7和限流电感L，电容C1和电容C2并联在直流电源的正负极之间；电容C3和电容C4串联后连接在直流电源的正负极之间；续流二极管D7连接在电容C1和电容C2的正极之间；限流电感L串联在电容C1正极和电容C2正极之间的直流电源正极上。
4.根据权利要求3所述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，其特征在于，所述LC滤波电路(3)中还包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2串联后连接在直流电源的正负极之间且电阻R1和电阻R2之间的线路与电容C3和电容C4之间的线路相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，其特征在于，所述IGBT逆变电路(4)主要由IGBT双管模块(6)、电容C5和电容C6组成；电容C5和电容C6串联后与IGBT双管模块(6)并联在直流电源的正负极之间；初级线圈(5c)的A端连接在电容C5和电容C6之间，初级线圈(5c)的B端连接在IGBT双管模块(6)的K1和K2之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，其特征在于，所述IGBT逆变电路⑷还包括电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4，电容C7、电阻R3、电容C8和电阻R4依序串联后连接在直流电源的正负极之间且IGBT双管模块(6)的K1和K2之间的线路与电阻R3和电容C8之间的线路相连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于IGBT技术的分离式中频变压器逆变无刷励磁系统，其特征在于，所述次级线圈(5f)与发电机转子线圈之间的电路上还分别设有整流二极管D8、整流二极管D9和保护电阻R5。
【文档编号】H02P9/30GK104410344SQ201410748436
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】余志刚, 周振声, 余仕波, 杨艳梅, 钟孔英, 叶翠峰 申请人:梅县洁源水电有限公司