閉環驅動模件的原理與調試

　　田灣核電站的閉環驅動回路中，控制驅動模塊集中安裝在XST機柜內，可集中控制功率為2.2KW、5.5KW和7.5KW調節閥，其利用晶閘管元件搭建的主電路，具有動作快速、精確和保護功能全，能實現無觸點的雙向平滑調節等優點，尤其是簡約了調節閥電動部份的功能設計和成本，因此，在閉環控制回路中得到了廣泛的應用。

　　驅動模件作為閉環驅動回路的核心部件，了解其電路工作原理以及與閥門配合特性，對指導閉環調節和閉環回路的硬件維護，具有一定的指導意義。

　　2 驅動模件的工作原理

　　2.1主電路的工作原理

　　主電路由兩部分組成：工作主電路和主電路的保護電路。

　　2.1.1 工作主電路的工作原理

　　圖1 驅動模件的主工作電路

　　工作主電路的主要功能是通過晶閘管無觸點地改變動力電相序，實現調節閥開方向、斷電和關方向的動作控制。工作主電路共由四個雙向晶閘管構成，它們分別兩兩被用于異步電機三相交流輸電線(A、B、C)的A相和C相中，見圖1。

　　電機正轉時，在門極電路的觸發下，晶閘管A、D被同時導通，三相電源和異步電機定子三相相序之間的對應關系為：L1(A)—U，L2(B)—V，L3(C)—W。當電機反轉時，在門極電路的觸發下，晶閘管B、C被導通，此時三相電源和異步電機定子三相相序之間的對應關系為：L1(A)—W，L2(B)—V，L3(C)—U。因此，是通過將異步電機三相電源的A、C相相序交換來實現對異步電機的正反轉控制的，即實現對調節閥雙向控制。當所有的門極觸發電路都無輸出時，工作主電路將依靠電源在晶閘管上產生的負向電壓差來實現自然斷流。觸發電路輸出波形與晶閘管輸出波形之間的對應關系見圖2。

　　圖2 觸發電路輸出波形與晶閘管輸出波形之間的對應關系

　　需要說明的是，晶閘管A、D和B、C觸發脈沖的寬度為固定形式，觸發時間的長短由外部邏輯控制，晶閘管A、D和B、C在觸發電路上相互閉鎖，即若觸發晶閘管A、D時，閉鎖晶閘管B、C觸發電路，這樣才能達到異步電機正反轉控制的協調性。

　　2.1.2 晶閘管保護電路的原理

　　當閥門動作到達目標位置后，控制系統中斷控制命令，異步電機電源的A、C相斷電，同時對電機進行直流電氣抱閘(此時主電路的A、C相晶閘管作為整流管使用，A、C相電路作為整流電路以產生直流報閘所需的直流電壓)(電氣抱閘時間取決于抱閘邏輯b以及對S7的設定)以及對閥門進行機械抱閘，使閥門能夠急停，從而實現精確控制。由于電機繞組為感性，故在抱閘瞬間電機的動能一部分在抱閘過程中由于摩擦的作用轉化了熱能，而另一部分則存儲在線圈繞組中，這將導致線圈的電流瞬間急劇增加。為了防止這部分的電流反向擊穿晶閘管，故使用RC電路作為晶閘管的保護電路，見圖3。

　　圖3 晶閘管RC保護電路

　　從電壓的角度分析，圖2.3中，RC電路的R和C值設計是根據定子線圈繞組電流可能達到的最大值確定的，以限制定子線圈繞組中大電流，保護晶閘管。

　　2.2 觸發電路的工作原理

　　觸發電路是由定時電路、脈沖發生電路以及內部互鎖電路組成。脈沖發生電路定義了觸發脈沖的波形和寬度，定時電路根據外部邏輯(TXP)所給的控制命令定義觸發時間的長短。內部互鎖電路根據外部、反轉命令觸發響應的晶閘管，同時閉鎖不應該觸發的觸發電路。同時抱閘邏輯也和觸發電路進行連鎖，以便正確判斷觸發電路是否正在工作，從而能夠實現及時的抱閘。觸發電路的原理圖見圖4。

　　圖4 觸發電路原理圖

　　控制電路主要實現以下兩個功能，其一為根據外部邏輯(TXP)能實現電機的正、反轉控制，其二為電機正、反轉控制電路應相互閉鎖，控制電路原理圖見圖5。

　　圖5 正反轉控制電路原理圖

　　2.5 XST柜保護電路工作原理

　　XST柜中保護電路是分布在柜內電氣回路中，保護電路最終表現形式為上游開關跳閘，或者驅動模件供電分開關跳閘。分開關向內的保護功能包括工作主電路的短路、接地以及過負荷保護，信號電壓的故障監視，電機溫度(PTC：熱敏電阻)監視，脈沖發生電路的電壓監視，抱閘輸出信號及觸發脈沖的檢測。當有故障發生時，故障信號觸發光電觸發器，然后光電觸發器觸發XST柜模件電源的快速跳閘線圈，切斷對模件的供電。

　　2.5.1主電路的短路、接地及過負荷保護

　　當檢測單元a檢測到主電路中出現短路、接地以及過負荷等情況時，檢測單元將觸發光電開關，然后光電開關觸發模件電源的跳閘線圈，切斷對模件的供電，見圖6。

　　圖6 主電路的短路、接地及過負荷保護原理圖

　　2.5.2 信號電壓故障監視的工作原理

　　信號電壓故障監視的工作原理與短路、接地和過負荷的保護原理相似，當信號電壓故障信號出現時，檢測單元將觸發光電開關，然后光電開關觸發模件電源的跳閘線圈，切斷對模件的供電。

　　當一些特殊的原因(例如電機缺相運行，或者介質濃度高導致閥門有卡塞等現象存在而導致電機的工作電流超過其額定電流但小于過流檢測裝置的動作電流，并長時間運行)導致電機發熱嚴重，為了避免電機的熱損壞，需要對電機進行熱保護。電機熱保護的工作原理為：在電機的溫度敏感區裝一熱敏電阻(PTC)，如果存在一些特殊情況導致電機的溫度異常，則熱敏電阻隨著溫度的升高電阻值將迅速增大，當阻值達到一定的值(大于等于2.7千歐)后溫度監視回路將被視作為開路，然后“開路跳閘單元”將產生故障信號，此故障信號的作用有兩個，其一用于觸發模件電源開關的跳閘線圈，使模件斷電，其二可用作為上位機的溫度報警信號。閥門溫度保護原理圖見圖7。

　　2.5.2 電源的三相電壓不平衡檢測電路

　　在XST機柜三相電源輸入端并聯一三相不平衡繼電器，為了保護驅動模件及調閥的電機在電網電壓三相不平衡時不被損壞，當電網三相電壓存在不平衡情況時，三相不平衡繼電器將動作，則使驅動模件的信號電壓和信號故障監視之間不平衡繼電器的一個常閉觸點(模件正常工作時線圈帶電，常閉觸點為斷開狀態)將閉合，主電路的故障檢測單元檢測到觸發電路單元有故障信號存在，最終通過光電觸發器觸發模件輸入電源的跳閘線圈，切斷對模件的供電。

　　3 驅動模件的調試

　　3.1 抱閘時間(S7選擇器)的選擇

　　現場的調節閥絕大部分都不帶有機械抱閘裝置，故電氣直流抱閘時間的設定對閥門的快速穩定控制具有重要的意義。電氣抱閘原理為：當外部控制器不再向XST模件發送調節脈沖時，驅動模件里的A、C相晶閘管電路將變為整流電路，調節閥異步電機的定子繞組上將通入直流脈動電壓，通入直流電壓的時間由驅動模件里的S7選擇器選擇，此電壓將在定子繞組和轉子繞組的氣隙間產生直流脈動磁場，如果轉子在旋轉，則將在轉子繞組上產生直流脈動電流，此直流脈動電流將使旋轉的轉子繞組在脈動磁場中產生反向力的作用，直至轉子繞組停止旋轉，即調節閥被抱閘。如果電氣抱閘時間設定的太長，當調閥需要和原開度相反的方向調節時，也將產生抱閘的作用，阻礙了閉環回路的調節作用。經過對現場閥門的反復試驗，最終確定最佳抱閘時間為40mS，即時間S7選擇器選擇4模式。

　　3.2 報警、保護信號(S1 選擇器)的選擇

　　S1選擇器為模件的報警、保護信號選擇器，其共有四組跳線，第一組為調節閥電機的溫度保護信號選擇;第二組為模件電壓故障報警、跳閘信號;第三組為電壓故障信號對驅動模件內部脈沖電路的閉鎖信號，即當驅動模件電壓故障信號出現時，無論其內部脈沖電路是否正常工作，都將跳閘;第四組為電壓故障信號對驅動模件內部脈沖電路的閉鎖信號的選擇信號，即當XST柜電壓故障，或者內部脈沖電路發生故障時，模件的電源輔助觸點將動作，模件電源保護跳閘。調試初期，出于對保護調節閥電機和驅動模件的實際需要，選擇將S1的第一，第二，第三組觸點閉合。對于無溫度保護的調閥，短接溫度保護端子以減小端子間的電阻，避免跳閘。

　　3.3 跳閘保護功能的解除

　　在調試末期，發現有許多驅動模件在運行過程中頻繁調閥，后經分析其原因為由于調節閥所調節的介質濃度比較大或者調閥的啟動特性不好等原因，導致調閥電機啟動電流大而保護跳閘，當調閥正常運行后，電流能夠恢復正常。針對此情況，我們對一些重要的調閥(需要連續工作的調閥)，解除了其模件的電源跳閘保護功能。

　　4 調試過程中存在的問題總結

　　4.1電源分開關合不上閘

　　(1)檢查閥門電機的溫度保護電阻，解開XST柜動力電纜端子排上的熱敏電阻(PTC)的接線，測量其值是否小于1.65 ，若阻值超過此范圍則可能是由于熱敏電阻的接線接觸不良或熱敏電阻被燒毀的緣故。若有的閥門無溫度保護，則可用短接線將動力電纜輸出端子排上熱敏電阻接線的兩端子短接。

　　(2)檢查閥門電機定子繞組的V相絕緣，因為電機輸入電源的B相直接和電機的V相相連接，若電機定子繞組的V相(電源B相)接地或者其絕緣遭破壞，則會引起過流現象，從而導致電源開關跳閘。

　　(3)檢查XST柜三相交流電源輸入側的三相不平衡繼電器是否有報警發生，如有報警發生，則說明電網曾發生過三相不平衡現象，需將三相不平衡繼電器復位。

　　(4)如有不同相電源間的晶閘管被擊穿，從而導致A、C短路，從而導致合閘不上。

　　4.2 分開關供電正常，模件啟動時電源跳閘

　　(1)檢查閥門電機U、W(電源A、C相)繞組線圈的絕緣。

　　(2)檢查閥門是否有卡塞情況發生。

　　4.3 驅動模件輸出電壓不平衡

　　如果驅動模件送電后無任何報警，電源開關也無跳閘現象發生，但模件啟動后，模件的輸出動力電源的電壓分別為398V，198V，198V。遇此情況，說明晶閘管A、C中有一個被擊穿，需更換模件。

　　4.4 在XST機柜中，所有模件都沒有電的原因及解決方法

　　此情況的原因為XST柜的不平衡繼電器動作，復位不平衡繼電器即可。

　　4.5 主變切換

　　在1、2號機組的主變切換時，由于電壓的瞬間急劇過渡，導致母線的低電壓情況發生，使驅動模件過流跳閘，閉環回路退出自動。最初，提出的解決辦法是通過在跳閘回路上增加延時繼電器，避開切換時過流的時間，但考慮到現有的延時繼電器都沒有經過核級認證，于是，西門子廠家就從驅動模件內部的ROM上對過流保護功能進行了修改，增加了過流保護時間，解決了主變切換時閉環回路退自動問題。

　　5 結束語

　　經過對田灣核電站XST柜內驅動模件的現場調試，目前，所有的XST柜都能正常、穩定工作。調試過程中常見問題及解決方法，對機組的閉環調節和閉環回路驅動放大單元的調試及維護具有一定的參考意義。