摘要：XST模件為西門(mén)子公司生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)用于控制調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動(dòng)模件，其具有動(dòng)作快速、控制精確以及保護(hù)功能全、能實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)的雙向平滑調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)約了調(diào)節(jié)閥電動(dòng)部份的功能設(shè)計(jì)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(duì)指導(dǎo)閉環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)回路的硬件維護(hù)，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(lèi)號(hào)：TH       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：          文章編號(hào)：

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(dòng)回路中，控制驅(qū)動(dòng)模塊集中安裝在XST機(jī)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(dòng)作快速、精確和保護(hù)功能全，能實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)的雙向平滑調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是簡(jiǎn)約了調(diào)節(jié)閥電動(dòng)部份的功能設(shè)計(jì)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(dòng)模件作為閉環(huán)驅(qū)動(dòng)回路的核心部件，了解其電路工作原理以及與閥門(mén)配合特性，對(duì)指導(dǎo)閉環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)回路的硬件維護(hù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

2 驅(qū)動(dòng)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(hù)電路。

2.1.1 工作主電路的工作原理

圖1 驅(qū)動(dòng)模件的主工作電路

工作主電路的主要功能是通過(guò)晶閘管無(wú)觸點(diǎn)地改變動(dòng)力電相序，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開(kāi)方向、斷電和關(guān)方向的動(dòng)作控制。工作主電路共由四個(gè)雙向晶閘管構(gòu)成，它們分別兩兩被用于異步電機(jī)三相交流輸電線（A、B、C）的A相和C相中，見(jiàn)圖1。

電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在門(mén)極電路的觸發(fā)下，晶閘管A、D被同時(shí)導(dǎo)通，三相電源和異步電機(jī)定子三相相序之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：L1（A）—U，L2（B）—V，L3（C）—W。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，在門(mén)極電路的觸發(fā)下，晶閘管B、C被導(dǎo)通，此時(shí)三相電源和異步電機(jī)定子三相相序之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：L1（A）—W，L2（B）—V，L3（C）—U。因此，是通過(guò)將異步電機(jī)三相電源的A、C相相序交換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制的，即實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥雙向控制。當(dāng)所有的門(mén)極觸發(fā)電路都無(wú)輸出時(shí)，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(lái)實(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)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(duì)應(yīng)關(guān)系

需要說(shuō)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(shí)間的長(zhǎng)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(shí)，閉鎖晶閘管B、C觸發(fā)電路，這樣才能達(dá)到異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的協(xié)調(diào)性。

2.1.2 晶閘管保護(hù)電路的原理

當(dāng)閥門(mén)動(dòng)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(jī)電源的A、C相斷電，同時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行直流電氣抱閘（此時(shí)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(bào)閘所需的直流電壓）（電氣抱閘時(shí)間取決于抱閘邏輯b以及對(duì)S7的設(shè)定）以及對(duì)閥門(mén)進(jìn)行機(jī)械抱閘，使閥門(mén)能夠急停，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。由于電機(jī)繞組為感性，故在抱閘瞬間電機(jī)的動(dòng)能一部分在抱閘過(guò)程中由于摩擦的作用轉(zhuǎn)化了熱能，而另一部分則存儲(chǔ)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(hù)電路，見(jiàn)圖3。

圖3 晶閘管RC保護(hù)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(jì)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(hù)晶閘管。

2.2 觸發(fā)電路的工作原理

觸發(fā)電路是由定時(shí)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(shí)電路根據(jù)外部邏輯（TXP）所給的控制命令定義觸發(fā)時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)閉鎖不應(yīng)該觸發(fā)的觸發(fā)電路。同時(shí)抱閘邏輯也和觸發(fā)電路進(jìn)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(shí)的抱閘。觸發(fā)電路的原理圖見(jiàn)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(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能，其一為根據(jù)外部邏輯（TXP）能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制，其二為電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路應(yīng)相互閉鎖，控制電路原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 正反轉(zhuǎn)控制電路原理圖

2.5 XST柜保護(hù)電路工作原理

XST柜中保護(hù)電路是分布在柜內(nèi)電氣回路中，保護(hù)電路最終表現(xiàn)形式為上游開(kāi)關(guān)跳閘，或者驅(qū)動(dòng)模件供電分開(kāi)關(guān)跳閘。分開(kāi)關(guān)向內(nèi)的保護(hù)功能包括工作主電路的短路、接地以及過(guò)負(fù)荷保護(hù)，信號(hào)電壓的故障監(jiān)視，電機(jī)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(hào)及觸發(fā)脈沖的檢測(cè)。當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，故障信號(hào)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(duì)模件的供電。

2.5.1主電路的短路、接地及過(guò)負(fù)荷保護(hù)

當(dāng)檢測(cè)單元a檢測(cè)到主電路中出現(xiàn)短路、接地以及過(guò)負(fù)荷等情況時(shí)，檢測(cè)單元將觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，然后光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)模件電源的跳閘線圈，切斷對(duì)模件的供電，見(jiàn)圖6。

圖6 主電路的短路、接地及過(guò)負(fù)荷保護(hù)原理圖

2.5.2   信號(hào)電壓故障監(jiān)視的工作原理

信號(hào)電壓故障監(jiān)視的工作原理與短路、接地和過(guò)負(fù)荷的保護(hù)原理相似，當(dāng)信號(hào)電壓故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，檢測(cè)單元將觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，然后光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)模件電源的跳閘線圈，切斷對(duì)模件的供電。

2.5.3   電機(jī)溫度保護(hù)

圖7 閥門(mén)溫度保護(hù)原理圖

當(dāng)一些特殊的原因（例如電機(jī)缺相運(yùn)行，或者介質(zhì)濃度高導(dǎo)致閥門(mén)有卡塞等現(xiàn)象存在而導(dǎo)致電機(jī)的工作電流超過(guò)其額定電流但小于過(guò)流檢測(cè)裝置的動(dòng)作電流，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行）導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，為了避免電機(jī)的熱損壞，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱保護(hù)。電機(jī)熱保護(hù)的工作原理為：在電機(jī)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(jī)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(kāi)路，然后“開(kāi)路跳閘單元”將產(chǎn)生故障信號(hào)，此故障信號(hào)的作用有兩個(gè)，其一用于觸發(fā)模件電源開(kāi)關(guān)的跳閘線圈，使模件斷電，其二可用作為上位機(jī)的溫度報(bào)警信號(hào)。閥門(mén)溫度保護(hù)原理圖見(jiàn)圖7。

2.5.2   電源的三相電壓不平衡檢測(cè)電路

在XST機(jī)柜三相電源輸入端并聯(lián)一三相不平衡繼電器，為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)模件及調(diào)閥的電機(jī)在電網(wǎng)電壓三相不平衡時(shí)不被損壞，當(dāng)電網(wǎng)三相電壓存在不平衡情況時(shí)，三相不平衡繼電器將動(dòng)作，則使驅(qū)動(dòng)模件的信號(hào)電壓和信號(hào)故障監(jiān)視之間不平衡繼電器的一個(gè)常閉觸點(diǎn)（模件正常工作時(shí)線圈帶電，常閉觸點(diǎn)為斷開(kāi)狀態(tài)）將閉合，主電路的故障檢測(cè)單元檢測(cè)到觸發(fā)電路單元有故障信號(hào)存在，最終通過(guò)光電觸發(fā)器觸發(fā)模件輸入電源的跳閘線圈，切斷對(duì)模件的供電。

3 驅(qū)動(dòng)模件的調(diào)試

3.1 抱閘時(shí)間（S7選擇器）的選擇

現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)閥絕大部分都不帶有機(jī)械抱閘裝置，故電氣直流抱閘時(shí)間的設(shè)定對(duì)閥門(mén)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(shí)，驅(qū)動(dòng)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(jī)的定子繞組上將通入直流脈動(dòng)電壓，通入直流電壓的時(shí)間由驅(qū)動(dòng)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(dòng)磁場(chǎng)，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(dòng)電流，此直流脈動(dòng)電流將使旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組在脈動(dòng)磁場(chǎng)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(shí)間設(shè)定的太長(zhǎng)，當(dāng)調(diào)閥需要和原開(kāi)度相反的方向調(diào)節(jié)時(shí)，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(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的反復(fù)試驗(yàn)，最終確定最佳抱閘時(shí)間為40mS，即時(shí)間S7選擇器選擇4模式。

3.2 報(bào)警、保護(hù)信號(hào)（S1 選擇器）的選擇

S1選擇器為模件的報(bào)警、保護(hù)信號(hào)選擇器，其共有四組跳線，第一組為調(diào)節(jié)閥電機(jī)的溫度保護(hù)信號(hào)選擇；第二組為模件電壓故障報(bào)警、跳閘信號(hào)；第三組為電壓故障信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)模件內(nèi)部脈沖電路的閉鎖信號(hào)，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)模件電壓故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，無(wú)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(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)模件內(nèi)部脈沖電路的閉鎖信號(hào)的選擇信號(hào)，即當(dāng)XST柜電壓故障，或者內(nèi)部脈沖電路發(fā)生故障時(shí)，模件的電源輔助觸點(diǎn)將動(dòng)作，模件電源保護(hù)跳閘。調(diào)試初期，出于對(duì)保護(hù)調(diào)節(jié)閥電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模件的實(shí)際需要，選擇將S1的第一，第二，第三組觸點(diǎn)閉合。對(duì)于無(wú)溫度保護(hù)的調(diào)閥，短接溫度保護(hù)端子以減小端子間的電阻，避免跳閘。

3.3 跳閘保護(hù)功能的解除

在調(diào)試末期，發(fā)現(xiàn)有許多驅(qū)動(dòng)模件在運(yùn)行過(guò)程中頻繁調(diào)閥，后經(jīng)分析其原因?yàn)橛捎谡{(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(dòng)特性不好等原因，導(dǎo)致調(diào)閥電機(jī)啟動(dòng)電流大而保護(hù)跳閘，當(dāng)調(diào)閥正常運(yùn)行后，電流能夠恢復(fù)正常。針對(duì)此情況，我們對(duì)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(hù)功能。

4 調(diào)試過(guò)程中存在的問(wèn)題總結(jié)

4.1電源分開(kāi)關(guān)合不上閘

（1）檢查閥門(mén)電機(jī)的溫度保護(hù)電阻，解開(kāi)XST柜動(dòng)力電纜端子排上的熱敏電阻（PTC）的接線，測(cè)量其值是否小于1.65 ，若阻值超過(guò)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(mén)無(wú)溫度保護(hù)，則可用短接線將動(dòng)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(mén)電機(jī)定子繞組的V相絕緣，因?yàn)殡姍C(jī)輸入電源的B相直接和電機(jī)的V相相連接，若電機(jī)定子繞組的V相（電源B相）接地或者其絕緣遭破壞，則會(huì)引起過(guò)流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電源開(kāi)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(bào)警發(fā)生，如有報(bào)警發(fā)生，則說(shuō)明電網(wǎng)曾發(fā)生過(guò)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(kāi)關(guān)供電正常，模件啟動(dòng)時(shí)電源跳閘

（1）檢查閥門(mén)電機(jī)U、W（電源A、C相）繞組線圈的絕緣。

（2）檢查閥門(mén)是否有卡塞情況發(fā)生。

4.3 驅(qū)動(dòng)模件輸出電壓不平衡

如果驅(qū)動(dòng)模件送電后無(wú)任何報(bào)警，電源開(kāi)關(guān)也無(wú)跳閘現(xiàn)象發(fā)生，但模件啟動(dòng)后，模件的輸出動(dòng)力電源的電壓分別為398V，198V，198V。遇此情況，說(shuō)明晶閘管A、C中有一個(gè)被擊穿，需更換模件。

4.4 在XST機(jī)柜中，所有模件都沒(méi)有電的原因及解決方法

此情況的原因?yàn)閄ST柜的不平衡繼電器動(dòng)作，復(fù)位不平衡繼電器即可。

4.5 主變切換

在1、2號(hào)機(jī)組的主變切換時(shí)，由于電壓的瞬間急劇過(guò)渡，導(dǎo)致母線的低電壓情況發(fā)生，使驅(qū)動(dòng)模件過(guò)流跳閘，閉環(huán)回路退出自動(dòng)。最初，提出的解決辦法是通過(guò)在跳閘回路上增加延時(shí)繼電器，避開(kāi)切換時(shí)過(guò)流的時(shí)間，但考慮到現(xiàn)有的延時(shí)繼電器都沒(méi)有經(jīng)過(guò)核級(jí)認(rèn)證，于是，西門(mén)子廠家就從驅(qū)動(dòng)模件內(nèi)部的ROM上對(duì)過(guò)流保護(hù)功能進(jìn)行了修改，增加了過(guò)流保護(hù)時(shí)間，解決了主變切換時(shí)閉環(huán)回路退自動(dòng)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)田灣核電站XST柜內(nèi)驅(qū)動(dòng)模件的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，目前，所有的XST柜都能正常、穩(wěn)定工作。調(diào)試過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法，對(duì)機(jī)組的閉環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)回路驅(qū)動(dòng)放大單元的調(diào)試及維護(hù)具有一定的參考意義。

6 參考文獻(xiàn)

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2 吳天明，謝小竹，彭彬，《MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析》，國(guó)防電力出版社，2004,1