控制角自動(dòng)定位整流控制器的設(shè)計(jì)

海洋石油工程股份有限公司 王凱坡 王愛(ài)武 趙孟君

1.引言

大功率直流電源廣泛應(yīng)用于冶金、化工及科研領(lǐng)域，大多采用大功率整流系統(tǒng)采用晶閘管整流。大功率晶閘管整流電路對(duì)觸發(fā)電路的要求[1]是：控制精度高，實(shí)時(shí)性好，對(duì)稱度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，觸發(fā)安全可靠。然而大功率整流裝置其輸出功率可達(dá)數(shù)兆瓦，電流達(dá)數(shù)千安。在這些場(chǎng)合，通常電磁干擾較強(qiáng)，電網(wǎng)畸變嚴(yán)重，工作環(huán)境惡劣，這就要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。

本文采用單片機(jī)作為控制電路，可用軟件的方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并按一定的算法調(diào)節(jié)觸發(fā)角。由于單片機(jī)的晶振頻率可達(dá)12MHz，產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖有很高的時(shí)間精度和嚴(yán)格的對(duì)稱性。而且單片機(jī)線路具有良好的人機(jī)界面，可以方便地改變工作方式及調(diào)節(jié)參數(shù)，使調(diào)節(jié)效果最佳。同時(shí)，對(duì)輸人輸出信號(hào)的采樣，可對(duì)裝置進(jìn)行較完善的保護(hù)。

2.三相橋式全控整流電路對(duì)觸發(fā)脈沖的要求

本系統(tǒng)采用三相橋式全控整流電路作為整流電路，其原理圖如圖1所示，

三相橋式全控整流電路中，含兩個(gè)相鄰編號(hào)的晶閘管元件，其中一個(gè)晶閘管元件編號(hào)與整流回路編號(hào)相同；另一個(gè)則為前一號(hào)晶閘管元件。兩個(gè)元件的自然換相點(diǎn)相位差為p/3。為保證整流回路中兩個(gè)晶閘管同時(shí)得到脈沖，以形成電流通路。本系統(tǒng)采用雙窄脈沖方式實(shí)現(xiàn)上訴工作要求。

當(dāng)采用雙窄脈沖觸發(fā)方式時(shí)，觸發(fā)脈沖的寬度τ＞60°，一般取為80°-120°。因?yàn)橄噜従幪?hào)的兩元件的自然換相點(diǎn)間時(shí)間間隔為60°，所以觸發(fā)某一號(hào)元件時(shí)，前一號(hào)元件的觸發(fā)脈沖尚未結(jié)束。這樣就可以保證各整流回路中兩個(gè)晶閘管元件同時(shí)具有觸發(fā)脈沖，并具有足夠的脈沖寬度。圖2所示為三相橋式全控整流電路雙窄脈沖觸發(fā)示意圖。圖2(a)為三相電源電壓波形及自然換相點(diǎn)；圖2(b)為6個(gè)晶閘管元件的觸發(fā)脈沖順序及兩組元件分別換相的順序；圖2(c)為采用雙窄脈沖觸發(fā)時(shí)的觸發(fā)脈沖。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以80C196KC為核心控制，定時(shí)輸出觸發(fā)脈沖，能夠進(jìn)行30°內(nèi)的控制角自動(dòng)定位，實(shí)現(xiàn)整流控制。30°控制角自動(dòng)定位是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，在稍候的章節(jié)中將專門敘述。

數(shù)字觸發(fā)器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由同步信號(hào)形成，觸發(fā)角α的計(jì)算、移相及脈沖形成和分配，脈沖輸出及功率放大3個(gè)環(huán)節(jié)組成。首先將系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程得瞬態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，變成計(jì)算機(jī)能夠接收和處理的數(shù)字量，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理，得到所要測(cè)試的控制角，通過(guò)控制α角大小，即可達(dá)到控制晶閘管觸發(fā)的時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到整流控制的目的。

1）CPU主電路：由80C196KC為主組成的CPU電路包括程序存儲(chǔ)器(EPROM)、總線及讀寫(xiě)控制電路以及CPU的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等[2]。

2）同步信號(hào)電路：80C196KC的四個(gè)高速輸入/高速輸出復(fù)用口中的兩個(gè)用作輸出口后，就只剩下兩個(gè)高速輸入口可用來(lái)作同步信號(hào)檢測(cè)。用HSI.0響應(yīng)同步信號(hào)電路的輸入中斷，得到系統(tǒng)的同步信號(hào)。

3）A/D采樣電路：80C196KC有內(nèi)嵌的10位A/D轉(zhuǎn)換器，但10位的A/D轉(zhuǎn)換器的精度只有千分之一，不能滿足該系統(tǒng)的要求。所以，本系統(tǒng)采用外接的12位A/D轉(zhuǎn)換器。

4）鍵盤(pán)控制與顯示電路：為了進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線控制，并將監(jiān)測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，采用專用的8279接口芯片，配LED顯示器。需要改變一些設(shè)定值時(shí)，可以通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5）隔離驅(qū)動(dòng)電路：從80C196KC的高速輸出口輸出的六相脈沖需要經(jīng)過(guò)隔離、放大后輸出才能驅(qū) 動(dòng)晶閘管。

4.控制角30°內(nèi)自動(dòng)定位的方案

對(duì)于三相橋式全控整流電路而言。整流器輸出電壓由下式計(jì)算

式中Ud是整流器輸出電壓平均值；U2為整流變壓器二次測(cè)額定相電壓有效值；a從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角。

整流觸發(fā)電路中對(duì)觸發(fā)控制角a的精確的計(jì)算與控制相當(dāng)重要。本系統(tǒng)為了得到穩(wěn)定的輸出電流采用閉環(huán)控制的PID算法來(lái)計(jì)算觸發(fā)控制角a。這可以在一定范圍內(nèi)得到所需要的觸發(fā)控制角a的值，并能基本上實(shí)現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定。但閉環(huán)控制的PID算法只能抑制被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)，而對(duì)反饋環(huán)以外的擾動(dòng)卻無(wú)能為力。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

圖2 三相橋式全控整流電路雙窄脈沖觸發(fā)

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

計(jì)算觸發(fā)控制角a的一個(gè)重要的前提就是要知道a=0時(shí)刻點(diǎn)所在（即基準(zhǔn)點(diǎn)的確定）。本設(shè)計(jì)采用“準(zhǔn)相對(duì)觸發(fā)”的方式來(lái)檢測(cè)同步信號(hào)，確定其自然換相點(diǎn)。同步認(rèn)相相對(duì)精確可靠，但這樣所得到的自然換相點(diǎn)的位置往往會(huì)因?yàn)橥叫盘?hào)電壓的漂移而存在誤差。很明顯，同步信號(hào)電壓的漂移產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)不在反饋環(huán)包圍的前向通道上，閉環(huán)系統(tǒng)不能抑制這一擾動(dòng)。從而使觸發(fā)過(guò)程受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)失敗，這對(duì)大功率整流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許的。這就要求設(shè)計(jì)中要解決控制角定位問(wèn)題，本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)控制角30°內(nèi)自動(dòng)定位。

4.1 解決方案

要直接得到同步電壓信號(hào)的漂移量比較困難，但我們可以由整流器輸出電壓平均值Ud，反推出觸發(fā)器實(shí)際給出的觸發(fā)控制角a。這樣得的觸發(fā)控制角a存在誤差，即包含了同步電壓信號(hào)的漂移量。此外，我們還可以PID算法[3]得以理想的自然換相的為基準(zhǔn)的觸發(fā)控制角pα。

圖4 控制角自動(dòng)定位程序框圖

則：

同步電壓信號(hào)的漂移量：

這樣就可以根據(jù)同步電壓信號(hào)的漂移量'α來(lái)調(diào)整觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)控制角a自動(dòng)定位。

實(shí)測(cè)值a可有整流裝置的輸出得平均電壓Ud與控制角a的關(guān)系反推得到。本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為三相橋式全控整流電路，其輸出得平均電壓Ud與控制角a的關(guān)系如公式（1）所示。U2是a相電壓有效值，在設(shè)計(jì)中它們的大小可以通過(guò)A/D采樣獲得。

由公式(1)可以得到a值的計(jì)算公式：

為了縮短占用CPU的時(shí)間，編制Ud，U2比值和控制角a之間的反余弦函數(shù)表。在實(shí)際制表的時(shí)候存儲(chǔ)的應(yīng)是與a對(duì)應(yīng)得定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即一個(gè)計(jì)數(shù)值，用拖延時(shí)間表示a值。

觸發(fā)控制角αp由給定值αp經(jīng)PID運(yùn)算得到，所以在這里簡(jiǎn)稱為給定值。

4.2 控制角自動(dòng)定位的具體實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上面的計(jì)算我們可以得到同步電壓信號(hào)的漂移量 α'= α-α ，從而可以得

p到控制觸發(fā)角的修正值α0。

要想在一個(gè)周期內(nèi)及時(shí)地對(duì)控制觸發(fā)角a的修正，控制系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖能夠進(jìn)行360°的移相。本設(shè)計(jì)用80C196KC的高速輸出口HSO輸出脈沖，它們獨(dú)立于CPU而工作，HSO口的輸出信號(hào)可以預(yù)先設(shè)置，可以方便地進(jìn)行360°的移相。只要把0α轉(zhuǎn)化成計(jì)數(shù)值后寫(xiě)入HSO的CAM中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)角的修正。

此外80C196KC有一種特殊的工作狀態(tài)—待機(jī)狀態(tài)，也為系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)提供了條件[4]。待機(jī)狀態(tài)是80C196系列產(chǎn)品的一種特殊的節(jié)電工作方式。在這種方式下，CPU停止工作，CPU時(shí)鐘被凍結(jié)在邏輯零狀態(tài)，但外設(shè)時(shí)鐘繼續(xù)工作。當(dāng)中斷信號(hào)到來(lái)時(shí)，CPU退出待機(jī)工作方式，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序的返回地址為鍵盤(pán)查詢，之后進(jìn)入采樣程序模塊，這樣一來(lái)，就保證了在兩次同步信號(hào)之間進(jìn)行一次采樣和控制角修正值0α的計(jì)算。

其流程圖如圖4。

5.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為控制角自動(dòng)定位整流控制器的設(shè)計(jì)，控制對(duì)象為大功率整流電路。大功率整流電路，因?yàn)槠涔ぷ鳁l件相對(duì)惡劣，對(duì)整流控制器有更高的要求。所以本設(shè)計(jì)除了要要實(shí)現(xiàn)控制角自動(dòng)定位，還要能適應(yīng)其惡劣的工作條件。上述的所有設(shè)計(jì)都是圍繞這兩方面進(jìn)行。該系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)定方便、硬件結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、調(diào)試方便、調(diào)速范圍廣、系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化硬件電路的組成，并可提高觸發(fā)器的控制精度。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]吳云,戴文.基于Intel80C196KC單片機(jī)控制的晶閘管觸發(fā)器的設(shè)計(jì)[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(2):79-82.

[3]于海生,等.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[4]劉復(fù)華.8XC196KX單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清化大學(xué)出版社社,2002.