摘要：XST模件為西門子公司生產(chǎn)的專門用于控制調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動模件，其具有動作快速、控制精確以及保護功能全、能實現(xiàn)無觸點的雙向平滑調(diào)節(jié)等優(yōu)點，簡約了調(diào)節(jié)閥電動部份的功能設(shè)計和成本，因此，在閉環(huán)控制回路中得到了廣泛的應(yīng)用，本文詳細(xì)分析了XST模件各單元的電路工作原理及應(yīng)用不足，對指導(dǎo)閉環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)回路的硬件維護，具有一定的指導(dǎo)參考意義。

關(guān)鍵詞：XST模件；調(diào)節(jié)閥；閉環(huán)控制回路

中圖分類號：TH       文獻(xiàn)標(biāo)識碼：          文章編號：

The principle and debuging of the closed loop module

HOU Yao，Ling Nong，Su ben-xin，Zhu Feng

(China National Neuclear Corporation Jiang Su Neuclear Power Corporation Jiang Su Neuclear Power Corporation，Lian Yun Gang Of Jiang SU 222042，China）

Abstract:The XST module of Siemens is specially used as the drivinge module of regulating valves. The advantages of XST module contain fast action, accurate control, complete protection function, the function of realizing contactless two-way smooth adjustment etc. The XST module has contracted the regulating valve electric part of the function design and cost. Therefore, The XST module has been widely used in the closed loop control circuit. This paper will analyze circuit working principle and the insufficiency of each unit of XST module, which have some certain reference significance to guide the hardware maintenance of closed loop control and the closed loop circuit.

Keywords：XST module   regulating valves   closed loop control circuit

1 引言

田灣核電站的閉環(huán)驅(qū)動回路中，控制驅(qū)動模塊集中安裝在XST機柜內(nèi)，可集中控制功率為2.2KW、5.5KW和7.5KW調(diào)節(jié)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(xiàn)無觸點的雙向平滑調(diào)節(jié)等優(yōu)點，尤其是簡約了調(diào)節(jié)閥電動部份的功能設(shè)計和成本，因此，在閉環(huán)控制回路中得到了廣泛的應(yīng)用。

驅(qū)動模件作為閉環(huán)驅(qū)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(dǎo)閉環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)回路的硬件維護，具有一定的指導(dǎo)意義。

2 驅(qū)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(qū)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(xiàn)調(diào)節(jié)閥開方向、斷電和關(guān)方向的動作控制。工作主電路共由四個雙向晶閘管構(gòu)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(zhuǎn)時，在門極電路的觸發(fā)下，晶閘管A、D被同時導(dǎo)通，三相電源和異步電機定子三相相序之間的對應(yīng)關(guān)系為：L1（A）—U，L2（B）—V，L3（C）—W。當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時，在門極電路的觸發(fā)下，晶閘管B、C被導(dǎo)通，此時三相電源和異步電機定子三相相序之間的對應(yīng)關(guān)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(xiàn)對異步電機的正反轉(zhuǎn)控制的，即實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥雙向控制。當(dāng)所有的門極觸發(fā)電路都無輸出時，工作主電路將依靠電源在晶閘管上產(chǎn)生的負(fù)向電壓差來實現(xiàn)自然斷流。觸發(fā)電路輸出波形與晶閘管輸出波形之間的對應(yīng)關(guān)系見圖2。

圖2 觸發(fā)電路輸出波形與晶閘管輸出波形之間的對應(yīng)關(guān)系

需要說明的是，晶閘管A、D和B、C觸發(fā)脈沖的寬度為固定形式，觸發(fā)時間的長短由外部邏輯控制，晶閘管A、D和B、C在觸發(fā)電路上相互閉鎖，即若觸發(fā)晶閘管A、D時，閉鎖晶閘管B、C觸發(fā)電路，這樣才能達(dá)到異步電機正反轉(zhuǎn)控制的協(xié)調(diào)性。

2.1.2 晶閘管保護電路的原理

當(dāng)閥門動作到達(dá)目標(biāo)位置后，控制系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)定）以及對閥門進行機械抱閘，使閥門能夠急停，從而實現(xiàn)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(zhuǎn)化了熱能，而另一部分則存儲在線圈繞組中，這將導(dǎo)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(shè)計是根據(jù)定子線圈繞組電流可能達(dá)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(fā)電路的工作原理

觸發(fā)電路是由定時電路、脈沖發(fā)生電路以及內(nèi)部互鎖電路組成。脈沖發(fā)生電路定義了觸發(fā)脈沖的波形和寬度，定時電路根據(jù)外部邏輯（TXP）所給的控制命令定義觸發(fā)時間的長短。內(nèi)部互鎖電路根據(jù)外部、反轉(zhuǎn)命令觸發(fā)響應(yīng)的晶閘管，同時閉鎖不應(yīng)該觸發(fā)的觸發(fā)電路。同時抱閘邏輯也和觸發(fā)電路進行連鎖，以便正確判斷觸發(fā)電路是否正在工作，從而能夠?qū)崿F(xiàn)及時的抱閘。觸發(fā)電路的原理圖見圖4。

圖4 觸發(fā)電路原理圖

2.3 控制電路工作原理

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

圖5 正反轉(zhuǎn)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(nèi)電氣回路中，保護電路最終表現(xiàn)形式為上游開關(guān)跳閘，或者驅(qū)動模件供電分開關(guān)跳閘。分開關(guān)向內(nèi)的保護功能包括工作主電路的短路、接地以及過負(fù)荷保護，信號電壓的故障監(jiān)視，電機溫度（PTC：熱敏電阻）監(jiān)視，脈沖發(fā)生電路的電壓監(jiān)視，抱閘輸出信號及觸發(fā)脈沖的檢測。當(dāng)有故障發(fā)生時，故障信號觸發(fā)光電觸發(fā)器，然后光電觸發(fā)器觸發(fā)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(fù)荷保護

當(dāng)檢測單元a檢測到主電路中出現(xiàn)短路、接地以及過負(fù)荷等情況時，檢測單元將觸發(fā)光電開關(guān)，然后光電開關(guān)觸發(fā)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(fù)荷保護原理圖

2.5.2   信號電壓故障監(jiān)視的工作原理

信號電壓故障監(jiān)視的工作原理與短路、接地和過負(fù)荷的保護原理相似，當(dāng)信號電壓故障信號出現(xiàn)時，檢測單元將觸發(fā)光電開關(guān)，然后光電開關(guān)觸發(fā)模件電源的跳閘線圈，切斷對模件的供電。

2.5.3   電機溫度保護

圖7 閥門溫度保護原理圖

當(dāng)一些特殊的原因（例如電機缺相運行，或者介質(zhì)濃度高導(dǎo)致閥門有卡塞等現(xiàn)象存在而導(dǎo)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(dǎo)致電機發(fā)熱嚴(yán)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(qū)裝一熱敏電阻（PTC），如果存在一些特殊情況導(dǎo)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(dāng)阻值達(dá)到一定的值（大于等于2.7千歐）后溫度監(jiān)視回路將被視作為開路，然后“開路跳閘單元”將產(chǎn)生故障信號，此故障信號的作用有兩個，其一用于觸發(fā)模件電源開關(guān)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(lián)一三相不平衡繼電器，為了保護驅(qū)動模件及調(diào)閥的電機在電網(wǎng)電壓三相不平衡時不被損壞，當(dāng)電網(wǎng)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(qū)動模件的信號電壓和信號故障監(jiān)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(tài)）將閉合，主電路的故障檢測單元檢測到觸發(fā)電路單元有故障信號存在，最終通過光電觸發(fā)器觸發(fā)模件輸入電源的跳閘線圈，切斷對模件的供電。

3 驅(qū)動模件的調(diào)試

3.1 抱閘時間（S7選擇器）的選擇

現(xiàn)場的調(diào)節(jié)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(shè)定對閥門的快速穩(wěn)定控制具有重要的意義。電氣抱閘原理為：當(dāng)外部控制器不再向XST模件發(fā)送調(diào)節(jié)脈沖時，驅(qū)動模件里的A、C相晶閘管電路將變?yōu)檎麟娐?，調(diào)節(jié)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(qū)動模件里的S7選擇器選擇，此電壓將在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的氣隙間產(chǎn)生直流脈動磁場，如果轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)，則將在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生直流脈動電流，此直流脈動電流將使旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組在脈動磁場中產(chǎn)生反向力的作用，直至轉(zhuǎn)子繞組停止旋轉(zhuǎn)，即調(diào)節(jié)閥被抱閘。如果電氣抱閘時間設(shè)定的太長，當(dāng)調(diào)閥需要和原開度相反的方向調(diào)節(jié)時，也將產(chǎn)生抱閘的作用，阻礙了閉環(huán)回路的調(diào)節(jié)作用。經(jīng)過對現(xiàn)場閥門的反復(fù)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(diào)節(jié)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(qū)動模件內(nèi)部脈沖電路的閉鎖信號，即當(dāng)驅(qū)動模件電壓故障信號出現(xiàn)時，無論其內(nèi)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(qū)動模件內(nèi)部脈沖電路的閉鎖信號的選擇信號，即當(dāng)XST柜電壓故障，或者內(nèi)部脈沖電路發(fā)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(diào)試初期，出于對保護調(diào)節(jié)閥電機和驅(qū)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(diào)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(diào)試末期，發(fā)現(xiàn)有許多驅(qū)動模件在運行過程中頻繁調(diào)閥，后經(jīng)分析其原因為由于調(diào)節(jié)閥所調(diào)節(jié)的介質(zhì)濃度比較大或者調(diào)閥的啟動特性不好等原因，導(dǎo)致調(diào)閥電機啟動電流大而保護跳閘，當(dāng)調(diào)閥正常運行后，電流能夠恢復(fù)正常。針對此情況，我們對一些重要的調(diào)閥（需要連續(xù)工作的調(diào)閥），解除了其模件的電源跳閘保護功能。

4 調(diào)試過程中存在的問題總結(jié)

4.1電源分開關(guān)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(xiàn)象，從而導(dǎo)致電源開關(guān)跳閘。

（3）檢查XST柜三相交流電源輸入側(cè)的三相不平衡繼電器是否有報警發(fā)生，如有報警發(fā)生，則說明電網(wǎng)曾發(fā)生過三相不平衡現(xiàn)象，需將三相不平衡繼電器復(fù)位。

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

4.2 分開關(guān)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(fā)生。

4.3 驅(qū)動模件輸出電壓不平衡

如果驅(qū)動模件送電后無任何報警，電源開關(guān)也無跳閘現(xiàn)象發(fā)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(fù)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(dǎo)致母線的低電壓情況發(fā)生，使驅(qū)動模件過流跳閘，閉環(huán)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(xiàn)有的延時繼電器都沒有經(jīng)過核級認(rèn)證，于是，西門子廠家就從驅(qū)動模件內(nèi)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(huán)回路退自動問題。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對田灣核電站XST柜內(nèi)驅(qū)動模件的現(xiàn)場調(diào)試，目前，所有的XST柜都能正常、穩(wěn)定工作。調(diào)試過程中常見問題及解決方法，對機組的閉環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)回路驅(qū)動放大單元的調(diào)試及維護具有一定的參考意義。

6 參考文獻(xiàn)

1 冷增強，《電力電子學(xué)基礎(chǔ)》，東南大學(xué)出版社，1997,5

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