整流設(shè)備及其通用數(shù)字控制裝置的研究開發(fā)

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和控制技術(shù)水平的不斷提高，整流裝置在很多工業(yè)領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。由于整流裝置的被控對(duì)象相對(duì)復(fù)雜，并且具有時(shí)變性，因此，對(duì)設(shè)備內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的控制達(dá)到最佳，保障整個(gè)整流裝置的輸出穩(wěn)定性非常重要。本文將針對(duì)整流設(shè)備及其通用數(shù)字控制裝置的研究開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。

關(guān)鍵詞：整流設(shè)備；數(shù)字控制裝置

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0059-02

Abstract：With the continuous development of power electronics technology and the continuous improvement of control technology，rectifier devices have been widely used in many industrial fields. Because the controlled object of rectifier equipment are relatively complex and have characteristics of time varying. The control of each link inside the equipment is optimal，and it is very important to ensure the stability of the output of the entire rectifier. This article will briefly discuss the research and development of rectifier devices and their universal digital control devices.

Keywords：rectifier equipment；digital control device

0 引 言

電力電子技術(shù)與各種控制技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用使電力電子技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)行和社會(huì)生活等多個(gè)領(lǐng)域中都得到了不斷的發(fā)展。晶閘管整流是整流設(shè)備中最典型的應(yīng)用，特別是在大功率的場(chǎng)合中，脈沖觸發(fā)和調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)是整流裝置中最重要的設(shè)計(jì)。因此，本文將從這幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

1 整流設(shè)備的研究開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 整流設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

整流設(shè)備的應(yīng)用涉及多個(gè)方面，首先是在一般工業(yè)中的應(yīng)用，直流電動(dòng)機(jī)由于良好的調(diào)速性被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)中，其良好的調(diào)速性能夠使用于多種場(chǎng)合，為直流電動(dòng)機(jī)供電的電子裝置大多數(shù)是整流電源設(shè)備，另外電解鋁、電解食鹽水、冶金工程等電化學(xué)工業(yè)的電源也多由整流設(shè)備提供。在交通運(yùn)輸中，整流設(shè)備也有很大的用途，例如，電力機(jī)車中的直流供電和交流機(jī)車中的變頻電源，特別是在未來(lái)的磁懸浮列車中，整流設(shè)備將發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。另外，在家用電器設(shè)備中也存在整流設(shè)備，比較典型的變頻空調(diào)器。由此可見，整流設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛，而且對(duì)人們的生活有著一定的影響。

1.2 晶閘管整流設(shè)備中脈沖觸發(fā)控制的研究現(xiàn)狀

模擬觸發(fā)電路和和數(shù)字觸發(fā)電路是晶閘管整流觸發(fā)電路中常見的兩種類型，一種是模擬信號(hào)，一種是數(shù)學(xué)信號(hào)，脈沖觸發(fā)作為晶閘管整流設(shè)備中的核心控制技術(shù)，是確保晶閘管正常工作的關(guān)鍵因素，但是當(dāng)前的晶閘管整流設(shè)備中存在一些問題，傳統(tǒng)的脈沖觸發(fā)裝置通常采用三相同步變壓器，這種變壓器盡管能夠簡(jiǎn)單地獲得同步信號(hào)，但缺乏對(duì)稱性和穩(wěn)定性，很容易造成脈沖紊亂。另外，觸發(fā)脈沖的可靠性不高，常會(huì)出現(xiàn)脈沖丟失或者過(guò)于損耗晶閘管的現(xiàn)象。

1.3 整流設(shè)備機(jī)器數(shù)字控制裝置的研究開發(fā)內(nèi)容

為了解決上述整流設(shè)備中存在的問題，本文通過(guò)在硬件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行研究開發(fā)。例如，大功率晶閘管整流脈沖控制中的脈沖觸發(fā)，電壓電流采集以及模塊驅(qū)動(dòng)和放大等，使整流設(shè)備及其通用數(shù)字控制裝置得到改進(jìn)。

2 整流設(shè)備及其通用數(shù)字控制裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 整流設(shè)備的控制裝置組成

以晶閘管整流設(shè)備為例，它的控制裝置由脈沖觸發(fā)控制裝置的主回路、控制回路以及操作回路組成，主回路包括供電電源、晶閘管三相橋式整流電路，控制回路由同步信號(hào)變換和檢測(cè)電路、脈沖觸發(fā)與移向控制電路等組成，操作回路由過(guò)流保護(hù)、截壓保護(hù)和缺相保護(hù)等構(gòu)成，這些裝置是整流設(shè)備的重要組成部分，能夠保障整流設(shè)備正常工作。

2.2 整流設(shè)備控制裝置硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)要從多個(gè)方面進(jìn)行規(guī)劃，選擇單片機(jī)最小控制系統(tǒng)，電源的設(shè)計(jì)要選擇使用變壓器變壓、二極管整流、電容濾波和三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓的方式得到直流電或交流電，保障電源提供的電壓穩(wěn)定，功率消耗小，諧波小，滿足控制裝置的需求。確定電源以后要確定電路設(shè)計(jì)，選擇同步信號(hào)采樣電路，保障其相序自適應(yīng)的能力，確保其不會(huì)由于因電源輸入時(shí)的相序不同而發(fā)生混亂，以防整流設(shè)備中的晶閘管受到損害。另外，要做信號(hào)放大以及處理電路的工作，采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)給定的信號(hào)以及電壓反饋信號(hào)調(diào)理電路，利用AD轉(zhuǎn)換電路，脈沖觸發(fā)產(chǎn)生電路，通過(guò)這一系列的設(shè)計(jì)使整流設(shè)備控制裝置的硬件設(shè)置完備。

2.3 對(duì)通用性數(shù)字脈沖觸發(fā)器的要求

脈沖觸發(fā)電路是晶閘管整流設(shè)備中的核心技術(shù)，也是裝置正常有效工作的關(guān)鍵，晶閘管的型號(hào)很多，電路種類也多樣，所以對(duì)脈沖觸發(fā)器的要求也不同。常用的晶閘管脈沖觸發(fā)器有移向脈沖觸發(fā)、過(guò)零脈沖觸發(fā)以及脈沖序列觸發(fā)等，種類雖然不同，但是要求是一致的：第一，觸發(fā)脈沖的相位與晶閘管整流主電路的相位必須一致，同時(shí)頻率也要保持一致，觸發(fā)脈沖要保障充足的功率和幅度，并且觸發(fā)脈沖的電壓幅值要大于晶閘管門極要求的數(shù)值；第二，觸發(fā)脈沖還要有一定的寬度，前沿盡可能陡，保證在觸發(fā)以后設(shè)備能夠及時(shí)導(dǎo)通。

3 整流設(shè)備及其通用數(shù)字控制裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 整流設(shè)備中軟件設(shè)計(jì)的組成

首先，確定軟件設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)，其軟件設(shè)計(jì)包括故障在線監(jiān)測(cè)、AD采樣、故障顯示與報(bào)警等多個(gè)環(huán)節(jié)。其核心是脈沖觸發(fā)產(chǎn)生位置移相，第一，要進(jìn)行相序監(jiān)測(cè)以及缺相判斷，第二，進(jìn)行AD采樣軟件設(shè)計(jì)，這一環(huán)節(jié)主要的目的是對(duì)給定信號(hào)、反饋信號(hào)以及控制信號(hào)進(jìn)行采樣，送至硬件設(shè)計(jì)中的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制；其次，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的軟件設(shè)計(jì)，判斷直流電壓的整流輸出；最后，進(jìn)行故障判斷，當(dāng)整流設(shè)備開始通入電流，裝置進(jìn)行故障檢測(cè)，出現(xiàn)故障就會(huì)有報(bào)警指令，若沒有故障就會(huì)順利開始工作，這個(gè)組成環(huán)節(jié)是為了避免在整流設(shè)備應(yīng)用時(shí)發(fā)生事故，減少由于設(shè)備故障造成的損失。

3.2 脈沖觸發(fā)以及相序自適應(yīng)的設(shè)計(jì)

脈沖觸發(fā)的軟件編程是軟件設(shè)計(jì)的核心。在相序自適應(yīng)的影響下，脈沖觸發(fā)根據(jù)不同的相序輸出，使晶閘管導(dǎo)通，然后對(duì)輸出電壓的大小進(jìn)行控制，通過(guò)這一環(huán)節(jié)的控制，整流設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中，移相受到的干擾小，變得更加準(zhǔn)確，整流設(shè)備的電壓也相對(duì)更穩(wěn)定。另外，也保證了脈沖觸發(fā)的實(shí)時(shí)性，而且位置準(zhǔn)確。

3.3 整流設(shè)備中的抗干擾系統(tǒng)

外界的干擾會(huì)使設(shè)計(jì)的軟件程序受到不良影響，特別是單機(jī)片的工作，如果抗干擾能力不強(qiáng)會(huì)使程序跑飛，使程序陷入死循環(huán)以至于無(wú)法正常工作。因此，在設(shè)計(jì)上要注意對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以采用“看門狗監(jiān)測(cè)芯片”，防止程序跑飛，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 整流設(shè)備以及數(shù)字控制設(shè)置在研究開發(fā)中需要注意的問題

4.1 硬件調(diào)試中需要注意的問題

硬件正常的運(yùn)行，是保障軟件和整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，所以在研究開發(fā)中，對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試才能保障整流設(shè)備的工作質(zhì)量。首先要確保電路的完整性，不能人為的破壞電路，各個(gè)元件之間要進(jìn)行良好的焊接，焊接好以后，檢查焊接的情況，數(shù)字地與數(shù)字電源是否分開，元件之間是否相通，還要確定電路是否有短路現(xiàn)象發(fā)生，通電以后，還要觀察電路板上芯片的發(fā)熱情況，若出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象，則仍需檢查。

4.2 軟件調(diào)試中需要注意的問題

整流設(shè)備的軟件調(diào)試是在Keil C環(huán)境下進(jìn)行，首先將系統(tǒng)中的軟件分為不同的模塊，針對(duì)每一個(gè)小模塊進(jìn)行調(diào)解和檢測(cè)，確保每一個(gè)小模塊正常工作，才可以將眾多小模塊進(jìn)行拼接，一旦出現(xiàn)問題，要采取合適的手段，更改或者重新編制設(shè)備中的軟件程序，每一個(gè)子程序的準(zhǔn)確性與整個(gè)軟件程序息息相關(guān)，輸出正常的脈沖是進(jìn)行軟件調(diào)試的最終目標(biāo)。

4.3 整流設(shè)備的整體調(diào)試

在對(duì)整流設(shè)備控制裝置的硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試與檢測(cè)以后，總結(jié)硬件與軟件中出現(xiàn)的問題，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行調(diào)試檢測(cè)，在將所有元件連接好給電以后，可以采用兩種辦法進(jìn)行調(diào)節(jié)：一種是手動(dòng)調(diào)節(jié)，這種方式調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)在接通電源后，調(diào)節(jié)給定的電位器，輸出電壓比較不穩(wěn)定，波動(dòng)比較大的現(xiàn)象，這種情況出現(xiàn)時(shí)，要觀察設(shè)備中的觸發(fā)脈沖，發(fā)現(xiàn)其中的問題，并予以糾正；另一種方式是自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)是在給定信號(hào)一定時(shí)，觀察輸出是否跟隨給定的信號(hào)變化，如果不能正常運(yùn)行，那么整體調(diào)試還要重新檢查。

4.4 保護(hù)功能的研究

在對(duì)整流設(shè)備及其數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)之后，要對(duì)其保護(hù)功能進(jìn)行研究，這一個(gè)過(guò)程不能略過(guò)。第一是過(guò)壓保護(hù)，整流設(shè)備輸出的電壓大于額定電壓時(shí)的設(shè)備狀態(tài)；第二是過(guò)流保護(hù)，當(dāng)輸出的電流大于額定電流時(shí)的設(shè)備狀態(tài)。這兩種保護(hù)功能是對(duì)整流設(shè)備本身的保護(hù)，超過(guò)的電壓和電流要控制在一定范圍內(nèi)，否則就失去了意義。另外的保護(hù)功能是對(duì)脈沖的封鎖以及丟失的保護(hù)，避免設(shè)備出現(xiàn)無(wú)法工作的情況，或者燒壞晶閘管。

5 結(jié) 論

整流設(shè)備及其數(shù)字控制裝置的研究開發(fā)中有很多因素要進(jìn)行考慮，無(wú)論是硬件還是軟件，都需要精心的設(shè)計(jì)和測(cè)試，在使用過(guò)程中要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)，確保裝置產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖可靠性高，對(duì)稱性好，晶閘管在穩(wěn)定的觸發(fā)下正常高效的工作。

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作者簡(jiǎn)介：賈宇（1983-），男，陜西西安人，技術(shù)員，工程師，工程碩士。研究方向：變流設(shè)備及其通用數(shù)字控制裝置的研究開發(fā)。