闭环驱动模件的原理与调试

　　田湾核电站的闭环驱动回路中，控制驱动模块集中安装在XST机柜内，可集中控制功率为2.2KW、5.5KW和7.5KW调节阀，其利用晶闸管元件搭建的主电路，具有动作快速、精确和保护功能全，能实现无触点的双向平滑调节等优点，尤其是简约了调节阀电动部份的功能设计和成本，因此，在闭环控制回路中得到了广泛的应用。

　　驱动模件作为闭环驱动回路的核心部件，了解其电路工作原理以及与阀门配合特性，对指导闭环调节和闭环回路的硬件维护，具有一定的指导意义。

　　2 驱动模件的工作原理

　　2.1主电路的工作原理

　　主电路由两部分组成：工作主电路和主电路的保护电路。

　　2.1.1 工作主电路的工作原理

　　图1 驱动模件的主工作电路

　　工作主电路的主要功能是通过晶闸管无触点地改变动力电相序，实现调节阀开方向、断电和关方向的动作控制。工作主电路共由四个双向晶闸管构成，它们分别两两被用于异步电机三相交流输电线(A、B、C)的A相和C相中，见图1。

　　电机正转时，在门极电路的触发下，晶闸管A、D被同时导通，三相电源和异步电机定子三相相序之间的对应关系为：L1(A)—U，L2(B)—V，L3(C)—W。当电机反转时，在门极电路的触发下，晶闸管B、C被导通，此时三相电源和异步电机定子三相相序之间的对应关系为：L1(A)—W，L2(B)—V，L3(C)—U。因此，是通过将异步电机三相电源的A、C相相序交换来实现对异步电机的正反转控制的，即实现对调节阀双向控制。当所有的门极触发电路都无输出时，工作主电路将依靠电源在晶闸管上产生的负向电压差来实现自然断流。触发电路输出波形与晶闸管输出波形之间的对应关系见图2。

　　图2 触发电路输出波形与晶闸管输出波形之间的对应关系

　　需要说明的是，晶闸管A、D和B、C触发脉冲的宽度为固定形式，触发时间的长短由外部逻辑控制，晶闸管A、D和B、C在触发电路上相互闭锁，即若触发晶闸管A、D时，闭锁晶闸管B、C触发电路，这样才能达到异步电机正反转控制的协调性。

　　2.1.2 晶闸管保护电路的原理

　　当阀门动作到达目标位置后，控制系统中断控制命令，异步电机电源的A、C相断电，同时对电机进行直流电气抱闸(此时主电路的A、C相晶闸管作为整流管使用，A、C相电路作为整流电路以产生直流报闸所需的直流电压)(电气抱闸时间取决于抱闸逻辑b以及对S7的设定)以及对阀门进行机械抱闸，使阀门能够急停，从而实现精确控制。由于电机绕组为感性，故在抱闸瞬间电机的动能一部分在抱闸过程中由于摩擦的作用转化了热能，而另一部分则存储在线圈绕组中，这将导致线圈的电流瞬间急剧增加。为了防止这部分的电流反向击穿晶闸管，故使用RC电路作为晶闸管的保护电路，见图3。

　　图3 晶闸管RC保护电路

　　从电压的角度分析，图2.3中，RC电路的R和C值设计是根据定子线圈绕组电流可能达到的最大值确定的，以限制定子线圈绕组中大电流，保护晶闸管。

　　2.2 触发电路的工作原理

　　触发电路是由定时电路、脉冲发生电路以及内部互锁电路组成。脉冲发生电路定义了触发脉冲的波形和宽度，定时电路根据外部逻辑(TXP)所给的控制命令定义触发时间的长短。内部互锁电路根据外部、反转命令触发响应的晶闸管，同时闭锁不应该触发的触发电路。同时抱闸逻辑也和触发电路进行连锁，以便正确判断触发电路是否正在工作，从而能够实现及时的抱闸。触发电路的原理图见图4。

　　图4 触发电路原理图

　　控制电路主要实现以下两个功能，其一为根据外部逻辑(TXP)能实现电机的正、反转控制，其二为电机正、反转控制电路应相互闭锁，控制电路原理图见图5。

　　图5 正反转控制电路原理图

　　2.5 XST柜保护电路工作原理

　　XST柜中保护电路是分布在柜内电气回路中，保护电路最终表现形式为上游开关跳闸，或者驱动模件供电分开关跳闸。分开关向内的保护功能包括工作主电路的短路、接地以及过负荷保护，信号电压的故障监视，电机温度(PTC：热敏电阻)监视，脉冲发生电路的电压监视，抱闸输出信号及触发脉冲的检测。当有故障发生时，故障信号触发光电触发器，然后光电触发器触发XST柜模件电源的快速跳闸线圈，切断对模件的供电。

　　2.5.1主电路的短路、接地及过负荷保护

　　当检测单元a检测到主电路中出现短路、接地以及过负荷等情况时，检测单元将触发光电开关，然后光电开关触发模件电源的跳闸线圈，切断对模件的供电，见图6。

　　图6 主电路的短路、接地及过负荷保护原理图

　　2.5.2 信号电压故障监视的工作原理

　　信号电压故障监视的工作原理与短路、接地和过负荷的保护原理相似，当信号电压故障信号出现时，检测单元将触发光电开关，然后光电开关触发模件电源的跳闸线圈，切断对模件的供电。

　　当一些特殊的原因(例如电机缺相运行，或者介质浓度高导致阀门有卡塞等现象存在而导致电机的工作电流超过其额定电流但小于过流检测装置的动作电流，并长时间运行)导致电机发热严重，为了避免电机的热损坏，需要对电机进行热保护。电机热保护的工作原理为：在电机的温度敏感区装一热敏电阻(PTC)，如果存在一些特殊情况导致电机的温度异常，则热敏电阻随着温度的升高电阻值将迅速增大，当阻值达到一定的值(大于等于2.7千欧)后温度监视回路将被视作为开路，然后“开路跳闸单元”将产生故障信号，此故障信号的作用有两个，其一用于触发模件电源开关的跳闸线圈，使模件断电，其二可用作为上位机的温度报警信号。阀门温度保护原理图见图7。

　　2.5.2 电源的三相电压不平衡检测电路

　　在XST机柜三相电源输入端并联一三相不平衡继电器，为了保护驱动模件及调阀的电机在电网电压三相不平衡时不被损坏，当电网三相电压存在不平衡情况时，三相不平衡继电器将动作，则使驱动模件的信号电压和信号故障监视之间不平衡继电器的一个常闭触点(模件正常工作时线圈带电，常闭触点为断开状态)将闭合，主电路的故障检测单元检测到触发电路单元有故障信号存在，最终通过光电触发器触发模件输入电源的跳闸线圈，切断对模件的供电。

　　3 驱动模件的调试

　　3.1 抱闸时间(S7选择器)的选择

　　现场的调节阀绝大部分都不带有机械抱闸装置，故电气直流抱闸时间的设定对阀门的快速稳定控制具有重要的意义。电气抱闸原理为：当外部控制器不再向XST模件发送调节脉冲时，驱动模件里的A、C相晶闸管电路将变为整流电路，调节阀异步电机的定子绕组上将通入直流脉动电压，通入直流电压的时间由驱动模件里的S7选择器选择，此电压将在定子绕组和转子绕组的气隙间产生直流脉动磁场，如果转子在旋转，则将在转子绕组上产生直流脉动电流，此直流脉动电流将使旋转的转子绕组在脉动磁场中产生反向力的作用，直至转子绕组停止旋转，即调节阀被抱闸。如果电气抱闸时间设定的太长，当调阀需要和原开度相反的方向调节时，也将产生抱闸的作用，阻碍了闭环回路的调节作用。经过对现场阀门的反复试验，最终确定最佳抱闸时间为40mS，即时间S7选择器选择4模式。

　　3.2 报警、保护信号(S1 选择器)的选择

　　S1选择器为模件的报警、保护信号选择器，其共有四组跳线，第一组为调节阀电机的温度保护信号选择;第二组为模件电压故障报警、跳闸信号;第三组为电压故障信号对驱动模件内部脉冲电路的闭锁信号，即当驱动模件电压故障信号出现时，无论其内部脉冲电路是否正常工作，都将跳闸;第四组为电压故障信号对驱动模件内部脉冲电路的闭锁信号的选择信号，即当XST柜电压故障，或者内部脉冲电路发生故障时，模件的电源辅助触点将动作，模件电源保护跳闸。调试初期，出于对保护调节阀电机和驱动模件的实际需要，选择将S1的第一，第二，第三组触点闭合。对于无温度保护的调阀，短接温度保护端子以减小端子间的电阻，避免跳闸。

　　3.3 跳闸保护功能的解除

　　在调试末期，发现有许多驱动模件在运行过程中频繁调阀，后经分析其原因为由于调节阀所调节的介质浓度比较大或者调阀的启动特性不好等原因，导致调阀电机启动电流大而保护跳闸，当调阀正常运行后，电流能够恢复正常。针对此情况，我们对一些重要的调阀(需要连续工作的调阀)，解除了其模件的电源跳闸保护功能。

　　4 调试过程中存在的问题总结

　　4.1电源分开关合不上闸

　　(1)检查阀门电机的温度保护电阻，解开XST柜动力电缆端子排上的热敏电阻(PTC)的接线，测量其值是否小于1.65 ，若阻值超过此范围则可能是由于热敏电阻的接线接触不良或热敏电阻被烧毁的缘故。若有的阀门无温度保护，则可用短接线将动力电缆输出端子排上热敏电阻接线的两端子短接。

　　(2)检查阀门电机定子绕组的V相绝缘，因为电机输入电源的B相直接和电机的V相相连接，若电机定子绕组的V相(电源B相)接地或者其绝缘遭破坏，则会引起过流现象，从而导致电源开关跳闸。

　　(3)检查XST柜三相交流电源输入侧的三相不平衡继电器是否有报警发生，如有报警发生，则说明电网曾发生过三相不平衡现象，需将三相不平衡继电器复位。

　　(4)如有不同相电源间的晶闸管被击穿，从而导致A、C短路，从而导致合闸不上。

　　4.2 分开关供电正常，模件启动时电源跳闸

　　(1)检查阀门电机U、W(电源A、C相)绕组线圈的绝缘。

　　(2)检查阀门是否有卡塞情况发生。

　　4.3 驱动模件输出电压不平衡

　　如果驱动模件送电后无任何报警，电源开关也无跳闸现象发生，但模件启动后，模件的输出动力电源的电压分别为398V，198V，198V。遇此情况，说明晶闸管A、C中有一个被击穿，需更换模件。

　　4.4 在XST机柜中，所有模件都没有电的原因及解决方法

　　此情况的原因为XST柜的不平衡继电器动作，复位不平衡继电器即可。

　　4.5 主变切换

　　在1、2号机组的主变切换时，由于电压的瞬间急剧过渡，导致母线的低电压情况发生，使驱动模件过流跳闸，闭环回路退出自动。最初，提出的解决办法是通过在跳闸回路上增加延时继电器，避开切换时过流的时间，但考虑到现有的延时继电器都没有经过核级认证，于是，西门子厂家就从驱动模件内部的ROM上对过流保护功能进行了修改，增加了过流保护时间，解决了主变切换时闭环回路退自动问题。

　　5 结束语

　　经过对田湾核电站XST柜内驱动模件的现场调试，目前，所有的XST柜都能正常、稳定工作。调试过程中常见问题及解决方法，对机组的闭环调节和闭环回路驱动放大单元的调试及维护具有一定的参考意义。