CN1016658B - 单相或多相交流电流调节器的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

在利用半导体整流器件(6)的相位边际控制对交流电流调节器进行控制时，触发信号一方面需足够的宽以保证可靠触发，而另一方面又要足够的窄以防止触发信号放大器(12)的过载。根据本发明使用了可变时间宽度的触发信号(ZZ)。它至少差不多在被触发相中电流重新上开时结束。此外给出了实施该方法的装置。

Description

本发明涉及利用半导体整流器件的相位边际控制对单相或多相交流电流调节器进行控制的方法及装置。

为了对交流电网供给电负载的功率进行调节使用了交流电流调节器，它利用半导体整流器件的相应边际控制方式进行控制。特别是在交流由动机工作时需要改变电动机的运行条件：例如对开启和关断电源电动机起动或减速状态时的不同负荷需对提供给该电动机的功率进行控制，以使电网、电动机及传动部件受到保护以免过负荷。

在英国专利说明书（GB-2084359）中公开了一种用于交流电动机的交流电流调节器的控制装置，在其中例如改善了电动机在低负荷时产生的不利的功率因素。为此对电动机在每个供电相上设置了可控制的半导体整流器件，特别是一个双向晶闸管或者一个反向并联的晶闸管电路，它们经过相位边际控制实现了对电动机按真实运行条件有关地提供功率。在这个公知的装置中这样地实现功率因数的改善：在一个控制装置中检测出每相的电压与电流之间的相位差，并利用一个相应加大的触发角（也即每相电流过零点与触发时间点之间经过的时间）以减小上述相位差。在公知的装置中应用了电流过零点作为求得触发时间点的时间参考值，该电流过零点是利用经过双向晶闸管降落的电压的测量获得的。这个电压被输送到一个比 较器上，该比较器的输出端的状态与双向晶闸管的导通状态相对应。该电流过零点因而与比较器输出信号的一个边沿相对应，由该边沿并借助于一个单稳触发器产生出一个用于与供电电压过零同步的门框电压的采样脉冲。由一个从外部经由电位器输入的参考电压值中减去这个门框电压的采样值并输送到一个差分放大器的反向输入端上，该差分放大器的输出电压再与门框电压一起传送到另一个比较器上，该放大器经过一个连接于后的触发脉冲发生器，在门框电压超过差分放大器的输出电压时产生出第一触发信号。通过这种电路于是使电机电流及电机电压间的相位移及其功率因数稳定在某一数值上，该值是经由在电位器上调节的参考电压值给出的。

对无中线的、如以星形或三角形连接运转的交流电动机，在相位边际控制中应该注意：始终不断地保持至少二个相同时地导通。在超过60°的触发角时，仅出现这种情况：除去启动触发的一相外应触发另一第二相。该第二相此时由交流电压的相序及启动触发的相来确定。

在公知的装置上这个同时触发通过由六个与门组成的逻辑电路来实现，其中对每相的控制装置设置二个与门。借助于一个相序检测器，将根据交流电压的相序在该相序检测器两个输出导线的一个上输出一个二进位的信号。这些输出导线的每一个均与待启动相的第一触发信号一起输入到不同的与门上，它们的输出端总是向两个其它的双向晶闸管中的一个的控制极提供第二触发信号。

在双向晶闸管或晶闸管的控制极上施加的触发信号必须有足够的时间宽度，以保证相应的电路的可靠触发。它是这样来实现的：以经验值为根据确定一个固定的时间长度，该时间长度足够的大， 能导致对所有运行条件时的触发。但是一个太宽的触发信号时间宽度是不希望的，以避免引起在前面连接的触发信号放大器的过载，尤其是触发信号变压器的过载。在实践中对于触发信号时间宽度的参数选择方面总是不能得到满意的协调效果。

本发明现在基于这样的任务：提出一种对单相或多相交流电流调节器的控制方法，其中一方面使触发半导体整流器件用的触发信号足够的宽，以使保证可靠的触发，另一方面触发信号宽度参数可以定得足够的窄，以免于触发信号放大器的过载;此外还提出一种装置，它适合于实施这种方法。

上述的任务根据本发明是分别利用权利要求1及3的特征解决的。即为：用于相位边际控制的第二触发信号具有可变的时间宽度，它由延时的第一触发信号导出，第一触发信号具有给定的时间宽度，并且第二触发信号至少差不多在被触发相中电流重新上升时结束，以保障在触发脉冲足够宽的情况下，触发可用不超过必须的时间宽度的脉冲实现。

为了实施该方法的一种装置包括：指示被触发电流重新上的装置，并由它将一个相应的电信号传送给一个装置;该装置利用这个电信号以提供出时间上相应被限制的触发信号。

为了进一步地说明本发明给出了以下的附图;

图1：以电路框图表示的实施根据本发明方法的一个装置;

图2至4：触发过程使用的电信号，各个均以对时间变化的波形图表示;

图5：实施本发明方法优选构思的另一种装置，它用电路框图表示;

图6至9：进一步说明图5实施形式的所属电信号的随时间变化的波形图;

图10：为了实施本发明方法的一个特别优选的用于交流电路的装置。

在图1上表示了一个负载、例如一个电动机2，它经由一半导体整流器件4、例如是一个双向晶闸管或者由多个半导体整流器件组成的电路、例如一个晶闸管电路连接到一个单相交流电源上。该半导体整流器件4具有一个控制极5及一个触发装置部分10，后者又包含用以触发半导体整流器件4所需的触发脉冲放大器12：例如是光电双向器件或者是触发脉冲变压器。也可以用一个光电触发的半导体整流器件取代电触发的半导体整流器件4。

该半导体整流器件的控制是通过相位边际控制或者触发始点控制实现的。在控制极5上为此将根据其相位施加触发信号，该信号就引起了半导体整流器体4的触发导通。

在图中优选的实施例上对于半导体整流器件4设置了一个参考值检测器6，借助它可以通过半导体整流器件4上的电压降测量在电路流过的电流I的电流过零点。该电流过零点用以确定相位边际控制的时间参考点。在参考值检测器6的输出端8上就给出一个相应的参考信号X。该参考值检测器6为此包括譬如一个比较器，利用它将半导体整流器件4上电压降的绝对值与一个给定的阈值相比较。在输出端8上由此形成了具有两种电位的参考信号X。利用其中的一个电位就能检测出这样的一种状态：在相中流过的电流小于与阈值有关的一个临界值。在该阈值选择得相应较低时，例如约10V，这个电位基本上相当于电流的过零点并且参考信号X基本上表达了半导 体整流器件4的开关状态。于是在两种开关状态之间的参考信号的边沿与流经半导体整流器件4的电流I的过零点至少在时间上差不多是同时发生的。

参考值检测器6的输出端8与一个控制装置14相连接，该控制装置例如是一个微处理机，它根据参考信号X推算出一个相应地延时了一预定触发角的触发信号ZZ并且输送到一个控制输出端141上。该触发角被控制装置14利用在例如一个由外部可选择的控制程序及可由外部输入的电动机参数的范围确定出来。该触发角也可以通过在控制装置14内部运行的程序作到与时间有关。例如通过一个与时间有关的触发脉冲，它从一个预定的初始值一直下降到一个最小值，以实现电动机2的软启动。

在图2中给出在电路中流过的电流相对时间的波形。在达到时间点T5及T11的电流过零点时，在该电路中设置的半导体整流器件4就关断，直到在时间点T6及T12再重新被触发导通。参考值检测器产生出一个参考信号X，相应于图3该参考信号X具有两个信号电位30及32，它们基本上对应于半导体整流器件的导通与非导通状态。这些信号电位30及32通过第一及第二边沿34及36彼此隔开。其中通过第一边沿在图中例子上的下降沿34确定出每个到达电流过零点的时间点T5及T11，并且通过管二边沿，在图中例子上的上升沿36确定出再触发的每个时间点T6及T12。

在该控制单元中总是通过参考信号X的下降沿使一个计数器置数，该计数器的内容由控制装置读出。该控制装置在达到一个预定的计数器内容时即产生出相应于一个有关时延DT的在时间点T5+DT及T12+DT的触发信号号ZZ，它们在图4中用标号50表示。这些触发 信号ZZ总是在时间点T6或T12处终止，这些时间点至少是在时间上差不多与电流的重新上升同时发生。因此触发信号ZZ具有一个可变化的时间WV，并且它仅延续到相中的电流真正地被触发导通时为止。这些触发信号ZZ的时间长度必须足够大，以保证半导体整流器件的维持电流能被超过。这是通过这样的合适方式实现的：将参考值检测器的阈值置得足够高，例如为约10V，以致只当电流超过所需的维持电流时边沿36才被触发。因而这些时间点T5，T6，T11及T12与根据图2的简化描述中的有所不同，它们应理解成这样的时间点：即在这些时间点上，在零电流的附近电流低于或超过一个给定阈值。

在半导体整流器件上加上的使之重新导通的触发信号ZZ的时间延续的界限例如可以如此地产生：根据图5在控制装置14中由参考值信号X推导出一个第一触发信号Z，它的延时长度是固定给定的并且它相当于延时了一个给定的触发角。这个第一触发信号然后例如提供到控制装置14的一个控制输出端141上，并且与参考信号一起传送到一个逻辑门15上，在它的输出端上形成一个供触发用的第二触发信号ZZ。

有关的信号对时间变化的波形可从图6至图9中观察出来。相应于图8，在控制装置中产生出第一触发信号Z，它在图中用标号40表示。这个第一触发信号相对于时间点T5及T11延时了一个时延DT，并具有一个固定的给定时间宽度W。由该图可以看出：在电流已经被触发出时，该第一触发信号仍然存在。在图9上给出的第二触发信号ZZ在该实施例中利用根据图8的第一触发信号Z与根据图7的参考信号X经由一个逻辑（Z∧X）连接关系产生出来的。

其中第一触发信号Z的固定给定的时间宽度W足够宽地加以限定，以使得由它导生出的第二触发信号ZZ在不利的工作条件下对于相应的相的可靠触发也能达到。它与第二触发信号ZZ的时间极限一起因而作到：尽管触发信号的时间宽度有足够的裕量，然而也能避免触发脉冲放大器的过载。

这种根据图6至9描述的方法也可以应用在三相电流调节器的控制上，在其中触发角超过60°时，至少必须同时触发二个相。为此与上述方法相似地，对于每相有时延的第一触发信号利用固定给定的时间宽度W导出，由它再借助于一个逻辑电路导出第二触发信号，该第二触发信号总是用于同时触发相应于交流电三相相序中的二相。利用第一触发信号与参考信号的一种逻辑连接关系一方面保证第二触发信号的时间宽度被限制在需要的量值上，而另一方面当在还不需要二相同时触发的小触发角时总是保证仅是电流为零的相实现触发。

相应地在图10上，一个多相的交流电路中电动机2经由半导体整流器件4A，4B或4C连接到一个交流电源的三个相上。这些半导体整流器件4A，4B及4C各个具有控制极5A，5B或5C，并且各具有一个触发装置部分10A，10B或10C，它们每个中包括半导体整流器件4A，4B及4C所需的触发脉冲放大器12A，12B或12C。在控制极5A，5B或5C上施加与相位有关的第二触发信号，它们将引起相应的半导体整流器件4A，4B或4C的触发。对每个半导体整流器件4A，4B或4C各设置了一个参考值检测器6A，6B或6C。利用它通过半导体整流器件4A，4B或4C上的管压降测量在相A，B及C中流过的每一相电流IA，IB或IC的过零点。在参考值检测器6A，6B或6C的输出端8A，8B及8C上输出 各自的参考信号XA，XB或XC，它们与借助图1上说明的实施例相似基本上表示出半导体整流器件4A，4B或4C的开关状态。在它们二种开关状态之间的边沿在时间上是与流经每个半导体整流器件4A，4B或4C的电流的过零点同时发生的。参考值检测器6A，6B及6C的输出端8A，8B及8C与一个控制装置14相连接，后者例如为一个微处理机，它由参考信号XA、XB及XC推导出相应延时了一个给定触发角的第一触发信号ZA、ZB及ZC，并且输出到对于相A、B或C设置的各个控制输出端141、142或143上。

此外，该控制装置14在另外的控制输出端144及145还提供了二进位控制信号S1及S2，它们以其相应的电位表示控制运行35方式以及交流电动机的转向。为了获得电动机转向在该图的例子中可设置一个旋转方向检测器13，它把相应于转向的二进位编码的输出信号传送给控制装置14。这些控制输出端141至145连接到一个固定值存储器16的控制输入端161至165上，该固定值存储器16最好是一个可编程的固定值存储器（PROM），尤其是一上EPROM或一个EEPROM。该固定值存储器16此外通过另外的控制输入端166至168送入信号，这些控制输入端各与参考值检测器6A，6B或6C的输出端6A、6B或6C分别相连接。在控制输入端161至165上输入的第一触发信号ZA、ZB及ZC以及控制信号S1及S2与在控制输入端166至168上输入的参考值信XA，XB及XC根据在固定值存储器16中一个编程表格进行处理。在该固定值存储器16的数据输出输出端16A，16B及16C上输出根据该预定表格得到的用于三相的触发信号ZZA，ZZB或ZZC，它们以二进位数据字的形式输出。这些数据输出端16A，16B及16C各与一个触发装置10A，10B或10C相连接，在它们中间将第二触发信号ZZA，ZZB 及ZZC进行放大并且进行电位隔离再传送到可控半导体整流器件4A，4B或4C上。在固定值存储器16中第一触发信号ZA，ZB及ZC与参考信号XA，XB或XC以下列方式进行逻辑连接：仅当参考信号XA，XB或XC根据它们的状态在该时刻显示出例如为零（接通低位），即在相应的相中无电流流通时，才产生出不为零的（接通高位）第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC。通过在固定值存储器16中实现的第一触发信号ZA，ZB，ZC与参考信号XA，XB，XC的逻辑连接将起到这样的作用：即使第二触发脉冲信号ZZA，ZZB，ZZC在时间上被限制在触发所需的时间宽度上。利用这个措施也可以保证：在固定值存储器16中，只当触发角超过60°时，才使编程的双相触发生作用，因为一旦满足这个条件就会出现在所有的三相中同时不流过电流的状态。

Claims (6)

1、利用半导体整流器件(4)的相位边际控制对单相或多相交流电流调节器进行控制的方法，其特征在于：

a)为了相位边际控制设置了具有可变时间宽度(WV)的第二触发信号(ZZ)；

b)该第二触发信号(ZZ)是从被相应地延时了一预定触发角(DT)的第一触发信号(Z)推导出的；

c)第一触发信号(Z)具有一个固定给定的时间宽度(W)及

d)第二触发信号(Z)至少差不多在被触发相中流通的电流重新上升时结束。

2、根据权利要求1对单相交流电流调节器进行控制的方法，其特征在于：

a）由在该相中流过的电流推导出具有两个逻辑状态的参考信号（X），其中一个状态相应于电流强度的数值小于一个给定的阈值，而其另一状态属于电流强度值超过该阈值的状态，

b）由这两种逻辑状态之间的第一边沿（34）（它相应于电流到达零点），导出一个具有固定给定时间宽度的被延时的第一触发信号（Z），

c）这时由第一触发信号（Z）产生出一个第二触发信号（ZZ），它的时间宽度均通过参考信号（X）的第二边沿（36）加以限定。

3、用以实施根据权利要求1方法的装置，其特征为，具有下列装置：

a）用以检测被触发电流的重新上升的装置（8）;

b）与上述装置（8）相连接的装置（14），它用来提供具有固定给定时间宽度（W）的第一触发信号（Z）;

c）装置（15），它利用这个第一触发信号（Z）导出具有可变时间宽度（WV）的第二触发信号（ZZ），它至少差不多以电流重新上升告结束。

4、实施根据权利要求2方法的装置，其特征在于：具有一个用于产生参考信号（X）的参考值检测器（8），一个导出第一触发信号（Z）的控制装置（14），及一个与控制装置（14）及参考值检测器（8）相连接的逻辑门（15），在该逻辑门的输出端输出第二触发信号（ZZ）。

5、用以控制多相交流电流调节器的方法，

其特征在于：

a）由在一个相（A，B或C）中流过的电流各产生出具有两个逻辑状态（30，32）的一个参考信号（XA，XB，或XC），其中一个状态（32）相应于电流强度值小于一个可预定的阈值，而另一状态（30）相应于电流强度超过该阈值;

b）由这二个逻辑状态之间的一个第一边沿（34），它相当于电流到达零点，将导出用于每一相的具有固定给定时间宽度（W）的被延时的第一触发信号（ZA，ZB，ZC），

c）这时只当在相应相中电流低于预定的阈值时，才产生出用以同时触发二个相的第二触发信号。

6、为了实施根据权利要求5的方法的装置，其特征在于：

a）对每相（A、B及C）设置了一个参考值检测器（6A，6B或6C）及一个触发装置（10A，10B或10C），

b）参考值检测器（6A，6B，6C）的输出端（8A，8B，8C）与一个控制装置（14）相连接，控制装置（14）由每个参考信号（XA，XB，及XC）导出被延时了一个由该控制装置预定的触发角的一个第一触发信号（ZA、ZB及ZC），它们互相隔离并且输出在对每相（A、B、C）设置的控制输出端（141、142或143）上;

c）该控制装置（14）是一个为产生第二触发信号（ZZA、ZZB及ZZC）的固定值存储器（16）;

d）该控制装置的控制输出端（141、142及143）与参考值检测器（6A、6B及6C）的输出端（8A、8B及8C）各个与固定值存储器（16）的一个控制输入端（161至168）相连接;

e）并且对于每相（A、B及C）固定值存储器（16）设有一个数据输出端（16A、16B或16C），在其上输出第二触发信号（ZZA、ZZB及ZZC）。

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