CN1021097C - 单相或多相交流电流调节器的控制方法及装置 - Google Patents

单相或多相交流电流调节器的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

在利用半导体整流器(4)的相位边际控制对交流电流调节器进行控制时，由参考信号(X)确定半导体整流器(4)的触发信号(Z)的时间顺序。在一个或多个周期中丢失了参考信号(X)时将引起对这个时间顺序的干扰，由此可引起控制负载(2)的故障。根据本发明提出一种方法，其中当丢失了所需的参考信号(X)时，将由在前的触发信号(Z)持续地导出保安触发信号(ZS)。此外给出了一种实施该方法的装置。

Description

本发明涉及利用半导体整流器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与装置。
为了对交流电网中给电负载施加的功率进行调节，使用了交流电流调节器，它是利用半导体整流器的相位边际控制方式控制的。尤其是对交流电动机运行要求变化的工作条件，例如在合闸与关断时电机启动与减速制停阶段不同的电机负载情况，调节施加给电动机的功率，以使电网、电机及传动装置免于过载。
由英国专利（GB-2084359）说明书公开了一种用于交流电动机的交流电流控制装置，和用该控制装置旨在对例如由电动机轻载所引起的不利的功率因数进行改善。为此，对电动机的每个供电相均设置了可控的半导体整流器，尤其是设置双向晶闸管或反并联的晶闸管开关，它们通过相位边际控制实现与电动机实际运行条件有关的功率供给。在这个公知的装置上这样地获得功率因数的改善：在一个控制装置中测量出电流与电压之间的相位移，并通过一个相对增大的触发角，即通过相应相中电流过零点及触发时间点之间经过的时间间隔的相对增大来减少该相位移。
在公知的该装置上使用了电流过零的时间点作为求得触发时间点的时间参考，该电流过零点是通过对在双向晶闸管上降落的电压的测量求得的，这个电压被传送到一个比较器，该比较器的输出状 态与这个双向晶闸管的开关状态相对应。该电流过零点即相当于这个比较器输出信号的一个边沿，由这个边沿再借助一个单稳触发器产生出对于与供电电压过零点同步的斜坡电压的采样脉冲。由外部经电位器输入的参考电压减去斜坡电压被采样的数值，并且将该差值传送到差分放大器的反相输入端，该差分放大器的输出端电压与斜坡电压一起再传送到另一个比较器上，这个比较器又经由连接于其后的触发脉冲发生器，在斜坡电压超过差分放大器的输出电压时产生出第一触发信号。利用这种电路可使电动机的电流及其电压之间的相位移以及功率因数稳定于某一值上，该值是通过在电位器上调节的参考电压给定的。
在求得电流过零点时采用测量半导体整流器上的电压降的方式，然而在实践中表明：尤其是在感性负载情况下可能出现由于感应电压形成的反馈作用，它使得电流到零的时间点的可靠确定变得困难。例如由于继续旋转的转子产生的感应反馈作用，可能会使得在半导体整体器上测得的电压值不能达到使比较器转换状态所需的阈值，以致在触发的时间次序上出现了干扰。在多相交流电动机的情况下可能会出现直流分量，它能引起电动机的冲击负荷。
为了排除这种类型的干扰，就需要将比较器的阈值选得尽可能的低。然而采用了这种措施就不得不增加其灵敏度及易受干扰度，这些干扰是由电网干扰及控制感性负载时感应电压冲击引起的。
在求取用于相位边际时间控制的参考时间点时，因此必须对于参考时间点测量装置的灵敏度总要作出一个折衷。
本发明的任务在于：给出一个单相或多相交流电流调节器的控制方法，它能具有高运行可靠性并对外部干扰完全不敏感。此外还 提出了实施这个方法的装置。
根据本发明所述的任务将利用权利要求1或4的技术特征加以解决，即在一个或多个周期中控制触发信号时间顺序的参考信号丢失时，半导体整流器仍能被触发，这样就可以使构成参考信号时所需的阈值提高，以致使触发时间过程中由于随意触发产生的干扰成为不可能，而不必被迫暂停一相或多相的触发。这对于电动机的控制是特别有利的，因为通过这种措施可以实现不易受干扰的运行。
其中在触发信号及后继的保安触发信号之间的时间间隔可以是衡定的，并且最好相当于大约180°的角度间隔。
在根据本发明方法的一个优选构型中设置了一个可变时间间隔，它与在时间上连续丢失的参考信号数目或过迟出现的参考信号数目有关。由一个周期到另一个周期，电流与电压的相位关系可能出现波动，这就可能导致后继的参考信号推迟大于180°。在触发角处于这个波动幅度范围中时，这种参考信号可能导致不希望的连续触发。为了避免这种情况，对于第一保安触发信号设置了一个时间间隔，它相当于大于180°的一个角度，最好为185°。为了避免在以后的周期中参考信号的多次连续丢失，而由此形成累加的相位移，在本发明方法的一个特别优选的构型中，将到下一个保安触发信号的时间间隔设置成小于180°，例如选为175°。在有N个时间上连续的保安触发脉冲的情况下，应该注意到：对于相应的时间间隔P1，P2，P3，…Pn-1，Pn，PN应满足条件：
<math><mi>｜</mi><munderover><mi>&amp;Sigma;</mi><mi>n=1</mi><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>(P</mi><mi>n</mi></msub><mi>f ·360°）－N ·180°｜&lt;F</mi></mrow></math>
其中f为电网频率，F为允许的相位误差，它总小于15°，最好应小 于10°。
参考信号基本上用来求出控制用的时间参考，并且能由电流或电压的时间曲线的特征点导出。作为导出参考信号的特征时间点，特别有利的是电流过零点，它最好是从半导体整流器上的电压降导出。在本发明的一个有利构型中，该参考信号是具有两种电平的二进位信号，它的边沿特别适用于时间过程的控制。
为了进一步解释发明给出以下的附图：
图1：用于实施本发明方法的一种装置，它以方框电路图表示;
图2至图5：用于解释本发明方法的、触发过程控制所使用的电信号，各个信号均用相对时间的波形图给出;
图6：用于实施本发明方法的一个有利的构型，它以方框电路图表示;
图7：为了说明图6中电路功能的流程图。
参照图1，一个负载，例如一个电动机2通过一个半导体整流器4，如一个双向晶闸管或多个半导体整流器组成的开关（如一个晶闸管开关）连接到一单相交流电网的输出相上。该半导体整流器4设有一个控制极5，以及一个触发装置部分10。它包括用于半导体整流器4所需的触发信号放大器12，该放大器例如为一个光电双向晶闸管或一个触发信号变压器。半导体整流器4也可以不使用电触发的而采用一种光触发的半导体整流的。
半导体整流器4的控制可通过相位边际控制或触发起始点控制来实现。为此在控制极5上就要根据相位状况施加触发信号，该触发信号使半导体整流器4触发导通。
在根据该图的优选实施形式中，对于半导体整流器4设置了一 个参考值检测器6，利用它通过半导体整流器4上的电压降测量在该电流回路中流过电流I的过零点。该电流过零点用于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上输出相应的参考信号X。参考值检测器6可包含例如一个比较器，它将半导体整流器4上电压降的绝对值与一给定的阈值相比较。
于是在其输出端上得到具有两种电平的参考信号X。利用其中一个电平可以测量出在相中流过电流的状态，即电流小于与阈值相关的边界值。在将该阈值选择得相当低的情况下，例如取其约为10V，该电平值基本上相当于电流过零点并且参考信号X基本上反映出半导体整流器4的开关状态。在两种开关状态之间的边沿至少大约在时间上与流经半导体整流器4的电流I的电流过零点同时发生。
为了确定相位边际控制用的时间参考点也可以使用电流时间波形中的其它特征量，例如电流最大值及最小值，或者使用电压时间波形中的特征量。
参考值检测器6的输出端8与一个控制装置14相连接，它导出一个延时的触发信号Z并且在一个控制输出端141上输出。这个触发信号Z既可是由在前的触发信号Z导出的保安触发信号ZS，也可是由参考信号X导出的并延时了相当一个给定角度的触发信号ZX。
这个角度将由控制装置14在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的范围中加以确定。该角度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角，它由一个给定的起始值开始一直减小到一个最小值，以实现电动机2的软起动。
在图2上表示出流经半导体整流器的电流I相对时间的波形，而在 图3上表示出通过半导体整流器降落的电压降VT相对于时间的波形。在电流至时间点T1到零时，其电压降上升，并且由于旋转电动机的感应反馈作用在较后的一个时间点T2时才达到后级比较器转换所需的阈值-L。然后在参考值测量器中设置的比较器就从一种信号电平30转换到另一信号电平32，相应于图4所示。
这两种信号电平相应于这样的逻辑状态，即它们表明半导体整流器上的压降在数值上是否小于或大于该阈值L。信号电平30及32通过第一边沿及第二边沿彼此隔开，第一边沿在该图的例子中是下降沿34，而第二边沿在该图的例子中是上升沿36，它们在理想的情况下相应于达到电流过零点及触发时间点。
控制装置14根据边沿34产生出位于时间点T2+DT上延时了时延为DT的触发信号Z，它导致了时间点T3时电流的再触发导通。这个触发信号是由参考信号X引起的，因此在图5上用ZX表示。
在时间点T4上电流又重新到零，并且半导体整流器上的电压降升高，但是未能达到譬如在图中产生参考信号X边沿34所需的阈值+L。这种情况例如为：电动机短时减载时，在继续转动的电动机中，电动机绕组感应的电压阻碍了半导体整流器上的压降VT能增大到转换所需的阈值+L。在这种情况下控制装置在时间点T5时提供出一个保安触发信号ZS，该信号相对于前一个触发信号Z延时了一个固定的预定时间间隔P，并在时间点T6时引起电流的3触发导通。这个时间间隔P相当于一个角度间隔，它最好大于175°而小于185°，尤其是取约180°。
在时间点T7时电流又重新到零，并在半导体整流器上产生出如图3中的电压降，它在时间点T8时达到了转换比较器所需的阈值-L。 在一个时延DT后将产生出一个触发信号Z，它又引起了在时间点T9时电流触发导通。这个触发信号又是由参考信号X引起的，因而在图5中它同样也以标志ZX表示。
在图5中同时还用虚线表示出一个保安触发信号ZS′，如果在时间间隔T5+P内参考值检测器未能向控制装置提供参考信号X时，该保安触发信号ZS′将会投入。
在图5的例中，对于保安触发信号ZS′还表示出一个时间间隔P2，它相当于触发信号ZX与保安触发信号ZS之间的时间间隔P1。在本发明的一个有利构型中，为了避免在小的触发角时连续触发的危险，例如可将时间间隔P1及P2设置为可变化的，其中当P1相当于一个角度间隔180°+D，而P2相当于一个角度间隔180°-D时是特别有利的。在这里D最好约为5°，以致满足关系式：P2n+1·f·360°＝180°+D及P2n·f·360°＝180°-D，其中可变下标表示不是由参考信号引发的连续保安触发信号的数目。用这样的方法可以保证：在多次连续出现保安触发信号的情况下，其相位误差也能得到限制。
参照图6，在本发明的一个优选实施形式中，控制装置包括一个控制单元16，该控制单元16与参考值检测器相连接，控制单元16还与一累加时间计数器22相连接，在一个时间点上由控制单元16读出它的内容，该时间点例如是由参考信号X通过其下降沿确定的。这个数值被存储到与控制单元16相连接的寄存器20中。计数器22及寄存器20均与一个比较器18相连接，该比较器18连续地将计数器22的内容与寄存器20的内容相比较，并在两者相一致时由控制单元16形成一个触发信号的输出。
在本发明的一个优选实施形式中，控制装置14包括一个微处理 机，在其中设置了三个异步的处理程序，这些程序利用图7的所示的流程表示出来。在第一程序中等待参考信号X，例如当该信号的一个下降沿34出现时，就在累加时间计数器22的现时内容TI上加上一个预定时延DT，并将其和存储到寄存器20中。该程序的右边是另一个程序，它在当一个触发信号Z出现时，例如触发信号Z的上升沿时读出累加时间寄存器22中的现时内容TI，再在该内容值上加上一个预定值P，并同样地将其和存储到寄存器20中。在最后一个程序中校验累加时间计数器22的内容TI是否大于或等于寄存器20的内容T。当满足该条件时，将引起触发信号Z的输出。
借助图1至图7解释了用于单相交流电流调节器的本发明。当然同样的原理也是适用于多相交流电流调节器中每一相的。

Claims (7)

1、一种利用半导体整流器(4)的相位边际控制单相或多相交流电流调节器的方法，在其中至少根据一相中流过的电流以导出延时的触发信号(ZX)求得参考信号(X)，其特征在于：当在时间间隔(P)内没有获得参考信号(X)时，将由每个触发信号(Z)持续地导出间隔一个给定时间间隔(P)的后续保安触发信号(ZS)。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于：由触发信号（Z）导出的后续保安触发信号（ZS）延时一个衡定的时间间隔（P），该时间间隔（P）相当于大约180°的角度间隔。
3、根据权利要求1的方法，其特征在于：该时间间隔（P）是可变的，并且它与在时间上连续丢失的参考信号（X）的数目或过迟得到的参考信号（X）的数目有关。
4、根据权利要求3的方法，其特征在于：对于第一保安触发信号（ZS）的时间间隔（P1）相当于一个大于180°及小于190°的角度间隔。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于：对于N个时间上连续出现的保安触发信号应满足条件：
<math><mi>｜</mi><munderover><mi>&amp;Sigma;</mi><mi>n=1</mi><mi>N</mi></munderover><mi>(p ·f ·360°）－N ·180°｜&lt;10°</mi></math>
其中：P1，P2，…Pn，…，PN为相应的时间间隔，而f为电网频率。
6、根据权利要求1至5中任一权利要求的方法，其特征在于：
a）参考信号（X）是具有两种逻辑状态的信号，它的一种状态相应于半导体整流器（4）的大于一个预定阈值的电压降，而另一种状态相应于低于该阈值的电压降;
b）由这两种逻辑状态中相应于达到电流过零点的边沿（34）导出延时触发信号的第二个时间点（T2+DT）并将其存储起来;
c）由触发信号（Z）的一个边沿导出延时的后续保安触发信号（ZS）的第一个时间点（T5）并存储起来;
d）对于每个最后存储的时间点将输出一个触发信号（ZS或ZX）。
7、一种通过用半导体整流器（4）的相位边际控制来控制单相或多相交流电流调节器的设备，该设备包括：
a）一个由一相中流过的电流导出参考信号（X）的参考值检测器（8）;其特征在于，
b）设有一个与参考值检测器（8）相连的、用于提供触发信号（Z）的控制装置（14），该控制装置包括一个累计时间计数器（22）、一个用于读出计数器（22）的内容（TI）的控制单元（16）、一个可由控制单元（16）把一数值（T）装入其内的寄存器（20）、和一个用以对计数器（22）的内容（TI）和寄存器（20）的内容进行比较的比较装置（18），其中，控制单元（16）和比较装置（18）两者相互连接并分别与寄存器（20）和计数器（22）连接;
c）控制单元（16）的结构在于，
c1）该控制单元（16）在时间点（T2、DT、T5）出现触发信号（Z、ZX、ZS）时，读出计数器（22）的内容（TI）并把值（T）入寄存器（20），该值（T）是由所读出的、计数器（22）的内容（TI）与预先给定的时间间隔（P）之和（TI+P）得出的，并规定为出现安全触发信号（ZS）的时间点，
c2）该控制单元（16）在一个由参考信号（X）确定的时间点（T1）读出计数器（22）的内容（TI）并把值（T）读入寄存器（20），该值（T）是由读出的、计数器（22）的内容（TI）与预先给定的延迟时间（DT）之和得出的，并规定为出现由参考信号（X）导出的、在时间上延迟的触发信号（ZX）的时间点（T2+DT）;
d）当计数器（22）的内容（TI）在下一次与在寄存器（20）中存储的值（T）一致时，控制单元（16）使触发信号（Z）置位，其间，如果自上一个触发信号（Z、ZX、ZS）出现以来出现了参考信号（X），则该触发信号（Z）相当于由参考信号（X）导出的触发信号（ZX），如果没有参考信号（X）出现，则该触发信号（Z）相当于安全触发信号（ZS）。
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