CN1021000C - 交流电流调节器的控制装置 - Google Patents

Abstract

在通过半导体整流器(4A，4B及4C)的相位边际控制方式对交流电流调节器的控制中，在大的触发角时必须考虑到根据交流电的相序至少差不多同时地总是对两相(A，B，C)进行触发。根据本发明提出了控制交流电流调节器的一种装置，其中对于用来产生出彼此时间上无关的第一触发信号(ZA，ZB，ZC)的控制装置(14)设置了一个固定值存储器(16)，它根据第一触发信号(ZA，ZB，ZC)产生出第二触发信号(ZZA，ZZB，ZZ)。通过采用固定值存储器(16)实现两相实际同时的触发以及使该装置灵活地适应各种不同的工作状态。

Description

本发明涉及一种利用半导体整流器件的相位边际控制对交流电流调节器进行控制的装置。

为了对交流电网中供给电负载的功率进行调节，应用了交流电流调节器，它利用半导体整流器件的相位边际控制方式进行控制。尤其在需要改变工作条件的交流电机的运行时，例如当电机通电及断电的起动及减速制动阶段电机不同的负荷时，对供给电机的功率进行调节，以防止电网、电机及传动装置的过载。

由英国专利说明书（GB-2084359）公开了一种对用于异步交流电动机的交流电流调节器控制的装置，其中例如改善了由于电机低负荷时引起的不利的功率因数。为此，对于电动机的每个供电相设置了可控的半导体整流器件，尤其是双向晶闸管或者是一个反向并联的晶闸管电路，它们通过相位边际控制按电动机的真实工作条件有关地提供功率。在这个公知的装置上其功率因数的改善是这样达到的：在一个控制装置中检测每相中电流与电压之间的相位差，利用一个相应加大的触发角，也即相应相的电流过零点与触发时间点之间的时间间隔，使电流与电压之间的相位差减小。在该公知的装置上采用电流过零时间点作为求得触发时间点的时间参考值，该电流过零点是通过对双向晶闸管上电压降的测量求得的。这个电压将被送到一个比较器上，它的输出端的状态相应于这个双向晶闸管的开关状态。该电流过零点这时相应于比较器输出端信号的一个边沿， 通过该边沿并借助于一个单稳触发器产生出一个用于和供电电压过零点同步的门框电压的采样脉冲。一个经由电位器输入的外部参考电压减去这门框电压的采样值，并将结果送到一个差分放大器的反向端输入，该放大器的输出端电压与门框电压一起被送到另一比较器，它再经过一个连接在其后的触发脉冲发生器，当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。利用这个电路由此使电机电流及电机电压之间的相位差以及由此使功率因数稳定在一定值上，该值是由在电位器上可调节的参考电压给出的。

在交流电机上，当它们工作在例如无零线的星形或三角形联接时，然而在相位边际控制的情况下必须注意始终至少保持两个相同时导通。在由电流过零点测得的触发角超过60°时，情况仅是如此：除起动触发的相外还需触发另一第二相。其中该第二相根据交流电压的相序及触发起动相来确定。

在公知的装置上这点是通过由六个与门组成的一逻辑电路来实现的，其中对于一个相的控制装置设置了二个与门。借助于一个转向检测器，将根据交流电压的相序在该转向检测器二个输出端的一个上输出一个二进制信号。这些输出端导线的每一根均与启动相的第一触发信号的输出导线一起送到不同的与门上，该与门的每个输出端将第二触发信号提供到其余二个双向晶闸管中一个的控制极上。

现在本发明的任务在于：给出一种用以控制交流电流调节器的装置，它使得在两相中同时触发能简单得以实现，并且此外能使该装置灵活地适应不同的工作状况。

所述的任务根据本发明将用独立权利要求中的特征来解决。也即：通过利用一个固定值存储器（ROM），最好是一个可编程序的固定 值存储器（PROM），使该装置能够实现对电动机不同的工作状况的灵活适应。尤其是用一个单独的，容易更换的固定值存储器可以实现不同的触发方式，因为在那里能设置为此所需的全部逻辑关系。例如可以仅用一个组件对于旋转磁场的两个旋转方向实现单相触发及双相触发。此外不同的工作状态，诸如闭锁及连续触发能以简单的方式得到，并且输入端信号及输出端信号的极性能根据要求自由地选择。通过固定值存储器的应用，在双向触发时另外还保证了：为同时待触发的相应生出的第二触发信号彼此实际上是没有延迟的。然而这点对于无故障操作的感性负载的控制是必须的。如果第二触发信号譬如在一个微处理机中的一个程序的范围中被产生出来，则由于处理机的有限计算速度在两个触发信号之间的时间延迟是不可避免的。这种时延可能达到某一数量级，它使得感性负载的控制不能进行。

本发明其余的有利构型将根据从属权利要求得到。

为了进一步地说明本发明将给出如下的附图：

图1：用方框电路图表示的根据本发明的一个装置;

图2：用表格表示的在该装置中使用的ROM存储器内存储的内容;

图3至图7：用于触发过程的电信号，其中每个以相对时间的波形图表示;

图8：用方框电路图表示的本发明的另一有利的实施形式;

图9至图13：相应于上述实施形式的控制信号的相对于时间的波形图;

图14至图16：本发明其它的优选构型，同样地其中每个以方框电路图表示。

参照图1，一个负载、例如一个电动机，它的每一相经由一个半导体整流器件4A，4B或4C：譬如一个双向晶闸管或晶闸管电路，连接到一个交流电网的三个相A，B及C上。半导体整流器件4A，4B及4C每个均设有控制极5A，5B或5C，并且其每个还设有一个触发装置部分10A，10B或10C，它们中每个包括半导体整流器件4A，4B及4C所需的触发信号放大器12A，12B或12C。也可以用光触发的半导体整流器件取代电触发的半导体整流器件4A，4B及4C。

半导体整流器件4A，4B及4C的控制可以通过相位边际控制或者触发启始控制方式实现在控制极5A，5B或5C上这时根据各自相位施加控制脉冲，它们引起了相应半导体整流器件4A，4B或4C的触发。

根据图示的优选实施形式，对于半导体整流器4A，4B或4C分别设置了参考值检测器6A，6B及6C。利用它们根据半导体整流器4A，4B或4C上电压降在每个中分别检测出在相A，B或C中流通的电流IA，IB及IC相对于时间变化的波形中的一个参数。这个参数用来确定相位边际控制的时间参考值，该参考值作为参考信号XA，XB及XC，它们中每个从参考值检测器6A，6B及6C的输出端8A，8B及8C分别输出。作为参数，例如可为电流相对时间变化的波形中的最大值及最小值，但最为合适的是电流过零点。在一个优选的实施形式中，例如参考值检测器6A，6B及6C的每个中均包含一个比较器，在其中将这个电压降的绝对值与一个预定阈值相比较。因此在其输出端8A，8B及8C上均输出具有两种电平值的参考信号。利用其中一种电平就可以得到在相应的相中流通的电流的一种状态，低电平表示一个与阈值相关的边界值。在将该阈值选得相当低、例如约10V时，该电平基本上相当于电流零值，并且输出端信号XA，XB及XC基本上给出了相应 的半导体整流器4A，4B及4C的开关状态。这两种开关状态之间的该信号边沿与流经半导体整流器4A，4B及4C中各电流IA，IB及IC的过零点至少在时间上差不多同时发生。

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，例如一个微处理机相连接，该控制装置14根据参考信号XA，XB及XC导出在时间上延迟了。相应于给定触发角的第一触发信号ZA，ZB及ZC，及在为每相设置的控制输出端141，142及143上输出这些信号。在该控制装置中的内部逻辑负责执行：忽略由各相关断引起电流间歇求得的参考信号中的两个大的触发角，并且不将它们用来形成导致导通的第一触发信号。在电阻性负载时，在本发明的简化实施形式中这样作就够了：例如这时仅在单独一个相、如A相上设置参考值检测器6A。这些用于其它相B及C的第一触发信号ZB及ZC可在控制装置14中通过衡定延时来产生，该衡定时延为相应于由参考信号XA求得的第一触发信号ZA相位移动120°或240°的衡定时间间隔。

在控制装置14中触发角将根据例如可由外部选择的控制程序及可由外部输入的电动机参数来确定。该触发角也可以通过一个在控制装置14内部操作的程序作到与时间有关。例如通过一个与时间有关的触发角，它从一给定初始值开始直至减少到一个最小值为止，以实现电动机的和缓起动。

此外，在控制装置14的另外的控制输出端144和145上提供二进制控制信号S1及S2，它们以相应的电平值指示出控制的操作状态及交流电的相序。为了得到这个相序可以按图示的例子设置一个旋转方向检测器9，它将一个与相序相应的二进制编码输出信号传送给控制装置14。控制装置14的控制输出端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，该固定值存储器最好是一个可编程序固定值存储器（PROM），尤其是一个EPROM或是一个EEPROM。在控制输入端161至165上输入的第一触发信号ZA、ZB及ZC和控制信号S1及S2将根据一个在固定存储器16中编程的表格进行处理。在固定值存储器16的数据输出端16A，16B及16C上产生用于三相的根据预定表格求得的第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC，它们以二进制数据字的形式给出。这些数据输出端16A，16B及16C分别与一个触发装置10A，10B或10C相连接，在它们中，第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC被放大并在电位上隔离地传送到可控半导体整流器4A，4B或4C。

在本发明的一个优选实施形式中，用在电动机2静止或去磁状态时，也即半导体整流器4A，4B及4C阻断时产生的检测器6A，6B及6C的参考信号XA，XB及XC来确定旋转磁场的转向。在半导体整流器4A，4B及4C和与其相连接的负载阻断时，相电压将施加在半导体整流器4A，4B及4C上，并且由这些电压降产生的参考信号XA，XB，XC就在它们相互的时间顺序中包含了旋转磁场的转向。如果在参考值检测器6A，6B及6C中均采用一个比较器，在电流为零时将产生出各具有两种电平值的参考信号XA，XB及XC，其中一个电平值表示有关相的电压过零点。然后根据各个相中这些电平的时间顺序就能求得其相序。参考值检测器4A，4B及4C这时又用作为旋转方向检测器，因而在这个实施形式中不再需要另一单独的旋转方向检测器9。

参照图2，这是在一个有利的实施形式中的固定值存储器中编程的表格，它通过控制信号S1及S2展示了四种不同的工作状态。对于状态S1＝S2＝0，它相当于单相触发的状态，也即每个参考信号XA，XB及XC仅引起用于一个相的触发信号。状态S1＝0及S2＝1相当 于用于相序ABC（正相序）的双相触发，而状态S1＝1及S2＝0相当于相序CBA时的双相触发。其中双相触发被理解为每次有两个相用同时产生的第二触发信号触发。当一相的参考信号、如A相的参考信号通过由它导出的第一触发信号ZA＝0（接通低位）求出了例如相应于表格中第15行的状态，不但有A相的第二触发信号ZZA＝1（接通高位），而且B相的第二触发信号ZZB＝1，这时控制信号S1及S2取一对数值（0，1），这就导出了正向相序及双相触发的状态。由该表格可以推知：状态S1＝S2＝1时绝不能产生第二触发信号。当由在前的测量得出电机处于故障工作状态、例如一个电机绕组产生短种路时，则控制信号S1及S2被控制装置14（图1）均置成1（关断高位），它们就禁止电机被接通。

由表格还可以推知：在控制信号S1及S2产生了本身允许的工作状态信号时，在PROM存储器的控制输入端上还有许多不能引起半导体整流器触发的状态。这样的一种状态例如由第10行中给出，这一行中虽然由参考信号XC及XB推算出两相同时触发的第一触发信号ZC＝0及ZB＝0，然而不能得出任何第二触发信号。利用这种工作条件可以对由感性负载开关引起的干扰产生反应。通过一个感性负载，例如是在A相中的感性负载的开关可能会使在空间布置上相邻的相B或C的参考值检测器6B或6C的输出端8B或8C上产生一个干扰脉冲，该干扰脉冲暂时地产生出一个误参考信号XB或XC。这些干扰脉冲信号然后在一给定时延后同样地产生出第一触发信号ZB或ZC。它们可能引起不期望的故障工作状态。利用在固定值存储器16中实现的逻辑连接关系然而可以保证：在存在对两个相同时出现的第一触发信号时，总是中止触发。

由这个表格，如从第9行中可以推知另一个工作状态：在该状态 中所有的三个控制导线141，142及143同时地置零（ZA＝ZB＝ZC＝0）。在这种情况下所有的三个相同时地被触发（ZZA＝ZZB＝ZZC＝1）。当控制装置14所有的三个控制导线141，142及143持续地置零，以便实现所有三相持续地触发时，就采用这个工作状态。通过这个工作状态就保证了始终不断地向电动机2提供全电网电压。由于在控制装置14的微处理机中执行的指令是需要时间的，因而实际上不能获得时间的延迟DT＝0。在采用的实施形式中由微处理机实际能获得的最小时延约为280μs。这在50HZ频率时相当于相位角5°。为了实现使全电网电压到达负载的工作状态，因此当在控制装置14中预设的时延值小于约280μs时，控制导线141至143持续地置于接通零位，并且由此导致半导体整流器的持续触发。然而这种工作状态要求光电的触发信号放大器，它是为了持续不断地触发设计的。

参考图3，在相A，B及C中各流过电流I_A、I_B及I_C，它们在该图中借助一个实线，一个虚线及一个点划线来描绘。当在A相中流过的电流I_A达到电流过零点的时间点T₅及T₁₁时，在这一相中设置的半导体整流器就关断了，一直到时间点T₆及T₁₂再重新被触发。相应地电流I_B和I_C在时间点T₃及T₉和T₁T₇及T₁₃时为零，而在时间点T₄及T₁₀和T₂T₈及T₁₄重新被触发。A相的参考值检测器产生出一个参考信号X_A，它相应于图4，具有两个信号电平30A及32A，它们基本上对应于半导体整流器导通状态及非导通状态。这些信号电平30A及32A利用下降沿及上升沿34A及36A彼此隔开。其中利用下降沿34A来定义电流过零的时间点T₅及T₁₁，而用上升沿36A定义再度触发的时间点T₆及T₁₂。在控制装置14（图1）中总是利用电流过零点信号XA的下降沿启动一个计数器，它们计数内容由控制装置14读出。在到 达一个相应于时延DT的预定的计数内容值时，该控制装置14接着在时间点T₅+DT及T₁₁+DT时产生出第一触发信号ZA，它在图5中利用标号40A表示。第一触发信号ZA被传送到固定值存储器16（图1）的控制输入端161上，并且通过它的存储内容在其数据输出端16A及16B上产生出第二触发信号ZZA及ZZB，它们在图6及图7中分别以标号50A及60A表示。如果在A相及B相中流通的电流IB及IB到达电流过零时间点T3及T9，和T1，T7及T13时，则由相关的参考信号XB及XC经由控制装置14及固定值存储器16产生出另外的第二触发信号ZZA及ZZB，它们在图6及图7中分别以标号50C及60B表示。

从图3至图7可以进一步推知：例如以标号50C表示的第二触发信号ZZA总是发生在时间点T1+DT及T7+DT上，在这些时间点上A相是导通着的，这些第二触发信号因而是多余的。此外由这些图还可推知：当电流在时间点T6及T12后已重新流通时，也还可能再发生一次触发。这个区域是在图6中用阴影线表示的区域52。其中这个区域的时间宽度用第二触发信号ZZA的时间宽度W来表征。这个时间宽度W在图3至图7的实施例中均相当于第一触发信号ZA，ZB及ZC的时间延续，它们必须足够大，以保证使第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC至少能够保持到在被触发的电流回路中，使所应用的半导体整流器4A，4B及4C达到所需的维持电流值。为了也使电感负载能够可靠地开关，第一触发信号ZA，ZB及ZC的时间宽度W约取500μs至800μs表明是合适的。但在使用触发信号变压器作为触发信号放大器时，所得到的第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC不能满足相应于触发所需时间延续的时间宽度的要求。

因而，在图8上给出了一个固定值存储器17的特别合适的实施形式，该存储器17除用于第一触发信号ZA，ZB及ZC及控制信号S1及 S2的控制输入端171至175外，还通过另外的三个控制输入端176至178用于接收参考信号XA，XB及XC。该固定值存储器17具有数据输出端17A，17B及17C，在这些输出端上输出第二触发信号ZZA′，ZZB′及ZZC′，它们通过在固定值存储器17的存储内容中存储的表格还附加地与参考信号XA、XB、及XC有关。其中在固定值存储器中存储了作为逻辑连接关系的条件：仅当参考信号XA、XB及XC用它们的状态，例如零值（接通低位）同时指示出在相应的相内没有电流流通时，这些第二触发信号ZZA′、ZZB′及ZZC′才各自不为零（接通高位）。

由图9至图13上的随时间变化的波形图可以看出上述条件起到的作用，也即用于相应的相A、B及C的第二触发信号ZZA′、ZZB′及ZZC′仅在这些相A、B及C中没有任何电流流通时才会产生出来;在图中表示的时间延迟DT相当于40°相位角，它不能实现双相触发。该时延根据图12及图13的例子形成了以下的后果：对于用51A表示的A相的第二触发信号ZZA′没有设立任何的第二触发信号ZZB′，并且以61B表示的第二触发信号ZZB′仅是由B相中电流过零产生的。由A相引起的对B相的双相触发仅在这样的条件下发生：即当B相中在时间点T₅+DT及T₁₁+DT处不流过任何电流时。利用在固定值存储器17中实现的与参考信号XA的逻辑连接关系此外还起到以下作用，参考信号XA的上升沿36A在时间上限制了在图12中所示的用标号51A表示的第二触发信号ZZA′，并由此使第二触发信号的宽度限制在为了触发所需的持续时间上。这个持续时间的界限是这样选择的，即它能使在被触发的电流回路中的电流可靠地到达半导体整流器的维持电流值。这点可以将在参考值检测器中设置的比较器的阈值取得足够的大，例如约为10V来作到。由此可以保证，在参考信号与有关的触 发信号一定的逻辑连接关系时产生足够宽度的第二触发信号。

根据图8的实施形式中只当触发角超过60°的数值时才可能发生双相触发，因为只有在这个条件下才可能出现所有的三个相中同时没有电流流通。

在根据图14的一个合适的实施形式中，在使用触发信号变压器13A，13B及13C作为触发信号放大器时，在固定值存储器18上还设置了一个附加的供一振荡器60用的数据输出端18T。振荡器60又通过与门22A，22B及22C与触发信号放大器13A，13B及13C相连接。这个数据输出端18T向振荡器60提供了一个起动信号ZZT，当数据输出端18A，18B或18C上出现第二触发信号ZZA，ZZB或ZZC时，该起动信号ZZT总是同时地置成1。然后将振荡器60起动并且经过与第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC的与门连接，在这些信号的时间窗口中产生出一个时间上受到限制的脉冲列，该脉冲列保护了触发信号变压器13A，13B及13C，使其免于过载，而这种过载、例如在直接将第二触发信号ZZA，ZZB及ZZC输入到这些触发信号变压器时，就会出现。

在采用晶闸管作为半导体整流器及采用触发变压器作为触发信号放大器时在高的开关电压时出于绝缘的原因需要作到：对于一相中的两个晶闸管不使用一个具有两个在电位上隔离的输出端的公用触发信号变压器，而是对每个晶闸管设置一个触发信号变压器。因此，相应于图15设置了一个固定值存储器19，它对于每个相A，B及C具有两个数据输出端19A及19A′，19B及19B′与19C及19C′。在这些数据输出端上第二输出信号ZZA，ZZB及ZZC总是成双地提供出来。由此每个触发装置可以用两个触发信号变压器来操作，就如同在该图的例子中所示的对于一个相A设置了具有两个触发信号变压器13A 及13A′的触发装置10A。

在根据图16的另一个优选的实施形式中设置了一个具有附加控制输入端206的固定值存储器20，在该输入端206上输入一个二进制控制信号S3，该信号是从过电压检测器24的输出端上输出的。如果由于开关过程、例如由于电弧引起的高过电压出现时，这个控制信号譬如说立即地置成零位，并且通过在固定值存储器中编程的表格使所有的三个半导体整流器4A，4B及4C产生触发。由此保护半导体整流器4A，4B及4C免于损坏，并将该过电压传给负载，例如传给电机的绕组，电机的绕组一般地是以较高的过载能力设计的，因而能承受这种过载而不致损坏。

根据图8，14，15及16的本发明的构型可以根据对控制装置提出的要求在其中相互结合起来。

Claims (8)

1、通过半导体整流器(4A，4B及4C)的相位边际控制方式对交流电流调节器进行控制的装置，

a)至少对一个相(A，B或C)设置了一个参考值检测器(8A，8B或8C)，用来从电流(ⅠA，ⅠB或ⅠC)相对时间变化波形的参数中确定出一个参考信号(XA，XB或XC)；

b)参考值检测器(6A，6B或6C)的输出端(8A，8B或8C)与一个控制装置(14)相连接，该控制装置(14)用以产生出由参考信号(XA，XB或XC)导出的并相应延时了由该控制装置(14)设定的触发角的第一触发信号(ZA，ZB或ZC)，它们在彼此隔开的并为每相(A，B或C)设置的控制输出端(141，142或143)上输出，其特征在于，

c)对于控制装置(14)设置了一个用以产生第二触发信号(ZZA，ZZB及ZZC)的固定值存储器(16)；

d)控制输出端(141，142及143)中的每一个与固定值存储器(16)的一个控制输入端(161，162或163)相连接；及

e)为了显示控制的工作方式和交流电的相序，为二进制控制信号(S1或S2)在固定值存储器(16)上设置其它的控制输入端(164和165)，并在控制装置(14)上设有与这些控制输入端相连的、相应的控制输出端(144或145)，

f)对于每一相(A，B或C)至少在固定值存储器(16)上设置一个数据输出端(16A，16B或16C)，在其上输出第二触发信号(ZZA，ZZB及ZZC)。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于，对于每一相（A，B或C）设置了一个参考值检测器（6A，6B或6C）。

3、根据权利要求1或2的装置，其特征在于，将电流（IA，IB，IC）的过零点确定作为其参数。

4、根据权利要求1至3中任一项权利要求的装置，其特征在于：固定值存储器（16）的数据输出端（16A，16B及16C）中每一个经由一个触发信号放大器（12A，12B或12C）与半导体整流器（4A，4B及4C）相连接。

5、根据权利要求3至4中任一项权利要求的装置，其特征在于：固体值存储器（17）上设置了另外三个控制输入端（176，177及178），它们中每一个与一个参考值检测器（6A，6B或6C）的输出端（8A，8B或8C）相连接。

6、根据权利要求1至5中任一项权利要求的装置，其特征在于：固体值存储器（18）上设置了另一个数据输出端（18T），用来为一个振荡器（60）提供一个起动信号（ZZT）。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于：设置了一个固定值存储器（19），在其中对于每个相（A，B及C）设置了两个数据输出端（19A及19A′，19B及19B′或19C及19C′）。

8、根据权利要求1至6中任一项权利要求的装置，其特征在于：在一个固定值存储器（20）上设置了一个控制输入端（206），它用于接收在过电压检测器（24）的输出端上输出的控制信号（S3）。

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