CN102130615B

CN102130615B - 数字式中低频自适应三相半控整流装置及其触发方法

Info

Publication number: CN102130615B
Application number: CN201010585419.XA
Authority: CN
Inventors: 何卫彬; 徐凯
Original assignee: 715th Research Institute of CSIC
Current assignee: 715th Research Institute of CSIC
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: CN102130615A

Abstract

本发明公开了一种数字式中低频自适应三相半控整流装置及其触发方法。该装置主要包括同步信号调理电路、数字控制电路和脉冲放大电路。交流电压信号通过光耦隔离后，经调理电路送入数字控制电路，控制器MCU根据送入的同步信号计算周期后更新控制角，产生三路触发信号。脉冲放大电路将信号放大后触发三相半控桥，实现可控整流。该方法按数字控制电路中控制器设计的软件程序对三相依次触发，采样电压值与预设电压值比较后通过PID数字控制器计算控制角，实现整流电压的闭环控制。本发明有益的效果：本发明实现了在中低频电压工作范围内频率自适应的数字化移相触发整流，具有输出脉冲对称度高、抗干扰能力强、反应速度快，同步信号调理电路简洁可靠的特点。

Description

数字式中低频自适应三相半控整流装置及其触发方法

技术领域

本发明属于电力电子设备开关装置控制技术领域，主要是一种数字式中低频自适应三相半控整流装置及其触发方法。

背景技术

永磁发电机输出的交流电未经稳压处理时，当负载改变，发电机转速变化很大，导致其发出的三相交流电幅值、频率均在较大范围内变化。为获得稳定的输出电压，一般通过可控整流得到较为稳定的直流电压再进行逆变。但常用的模拟集成触发电路易受到发电设备的各种因素影响，在频率变化较大时需调整外围电路参数，设计复杂且调试困难。已有的数字触发电路，为对三相交流电可控整流需要三路同步信号作为参考，采用同步变压器进行隔离和相位匹配，设备重量大、元器件多且成本高。

发明内容

本发明的目的在于能对中低频的电压输入实现自适应移相触发，简化同步采样电路，实现软硬件结合的抗扰动设计，提供一种电路设计简洁、工作可靠、稳压性能好的数字式中低频自适应三相半控整流装置及其触发方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种数字式中低频自适应三相半控整流装置，该装置包括一路同步信号调理电路，其输出的信号送入数字控制电路的数字量输入接口，用于测量信号周期和启动触发信号；数字控制电路包括控制器MCU、数字量输入接口电路、数字量输出接口电路和电压采样电路，控制器MCU根据同步信号的周期以及误差信号e通过PID数字控制器计算出的控制角

产生a、b、c三路触发信号，其输出的信号经脉冲放大电路触发三相半控桥，数字控制电路的控制器MCU预先装入移相触发程序。

本发明所述的这种数字式中低频自适应三相半控整流装置的触发方法，该方法包含以下步骤：

步骤1.同步信号调理：

a.将发电设备输出的交流电压信号经光耦进行隔离输出，产生光耦输出信号，近似方波信号；

b.光耦输出信号经过积分电路、前后沿净化电路；消除前后沿扰动，防止由异常扰动产生的误触发动作；

c.针对实际应用的频率范围，调节可调电阻R7，改变积分电路时间常数；当频率高时，减小R7阻值，当频率低时，增大R7阻值；

步骤2.频率自适应及触发脉冲形成：

a.数字控制电路根据同步信号上升沿计算同步信号周期T，判断信号周期是否落在有效频率范围内，对异常扰动不动作，当同步信号周期有效时，启动触发信号；

b.以测得的周期T作为触发的相位调节的基准，计算移相控制角并产生A相触发信号，根据三相交流电的各相相位特性，在A相触发信号产生后延迟T/3产生B相触发信号；

c.在B相触发信号产生后延迟T/3产生C相触发信号；

d.电压采样电路测量的反馈直流电压与预设参考电压比较后，通过PID数字控制器计算三相触发信号的控制角，使输出电压稳定在设置值；

e.进行下一周期触发时，重新采样并计算同步信号的周期T，并以此作为相位调节基准，重新计算A、B、C相的控制角。

该装置可在50Hz～800Hz的中低频范围内使用，具备频率自适应性；同步信号调理电路具有初始相位设置和硬件抗扰动功能；同时数字控制电路能实现软件抗干扰。

本发明有益的效果是：发明通过对交流发电机输出电压的周期进行实时监测，去除扰动，能够在中低频电压工作范围内频率自适应移相触发，从交流电源侧直接采样并通过光耦隔离作为触发电路的同步信号，省去了同步变压器。通过软件程序设计，只需要一路同步信号调理电路。因该装置的功能主要由数字控制电路实现，使得移相触发数字化，便于使用、维护及调整。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图

图2为三相电相电压和线电压的波形图

图3为本发明的同步信号调理原理示意图

图4为本发明的同步信号调理中的边沿净化时序示意图

图5为本发明的脉冲放大电路的原理示意图

图6为本发明控制器的程序流程图

图7为本发明采用的PID数字控制器可控整流示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明公开了一种数字式中低频自适应三相半控整流装置及其触发方法。如图1所示，该装置包括一路同步信号调理电路1，其输出的信号送入数字控制电路2的数字量输入接口，用于测量信号周期和启动触发信号；数字控制电路包括控制器MCU、数字量输入接口电路、数字量输出接口电路和电压采样电路，控制器MCU根据同步信号的周期以及误差信号e通过PID数字控制器计算出的控制角

产生a、b、c三路触发信号，其输出的信号经脉冲放大电路3触发三相半控桥4。工作时，交流电压信号由同步信号调理电路整形为同频率的方波信号，该输出送入数字控制电路的数字量输入接口电路，通过上升沿产生事件中断，通过控制器MCU捕捉两次上升沿的定时器值计算输入的信号频率。控制器MCU将计算的信号频率与工作频率范围比较，对异常扰动不动作。信号频率在有效工作频率范围内时，在捕捉事件发生后产生三相电的A相触发脉冲a，其移相角由反馈电压U_o与控制器程序中的的预设电压U_r通过PID数字控制器计算后修正。根据实时算得的同步信号周期T，输出延迟T/3的B相触发信号b和延迟2T/3的C相触发信号c。三路触发信号经脉冲放大电路隔离后触发三相半控桥4。

如图2所示，线电压U_AC与相电压U_A相位差为30°。实施中以交流电压信号U_AC调理为同步信号后作为A相触发信号的起始相位参考，当控制角在0°～120°变化时，可以实现三相半控整流的大范围调压。

如图3所示，一路交流电压信号(AC相交流电)连接在光耦U1的输入端X1与X2之间，在输入端依次串有二极管D1和电阻R1。光耦的输出信号经过三极管V1、V2、电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7、二极管D2、D3、电容C1组成的积分电路，产生的积分信号A’与光耦输出信号A通过或器件U2得到输出信号Q₀：

Q₀＝A or A’ (1)

调节图3所示电路的中的可调电阻R7，可以改变同步信号的积分电路时间常数。当频率高时，减小R7阻值，使积分电路时间常数相应减小；当频率低时，增大R7阻值，使积分电路时间常数相应增大。

积分信号A’与光耦输出信号A通过与器件U3A得到输出信号CP：

CP＝A and A’ (2)

器件U2输出信号Q₀和器件U3A输出信号CP送入D触发器器件U4，分别作为U4的输入信号和时钟信号得到输出信号Q₁：

Q₁＝Q₀ and CP↑ (3)

器件U2的输出信号Q₀和器件U4的输出信号Q₁通过与器件U3B得到输出信号Q₂：

Q₂＝Q₀ and Q₁ (4)

器件U3B输出信号Q₂送入施密特触发器U5，产生同步信号。

如图4A～4E所示，图4A为光耦输出电压信号波形；图4B为经过积分电路后的电压输出波形；图4C为经过或电路后的电压输出波形，通过或运算消除了光耦输出的后沿扰动。图4D为经过与电路后的电压输出波形，通过与运算消除了光耦输出的前沿扰动。图4E为D触发器输出的净化了前后沿的电压波形。

如图5所示，数字控制电路的输出信号送入脉冲放大电路进行放大，每相放大电路包括二极管D1、电阻R1、R2、三极管V1、变压器T1、二极管D2、D3、电阻R3、R4组成的脉冲放大电路。触发信号经放大后输出给三相半控桥作移相触发。

数字式中低频自适应三相半控整流触发方法，其具体实现主要按下列步骤进行，其控制动作流程如图6所示：

步骤1.同步信号调理

a.将发电设备输出的交流电压信号经光耦进行隔离输出，产生近似方波信号；

b.由a所述的光耦输出信号经过积分电路、前后沿净化电路进行调理，产生的同步信号送入数字控制电路的数字量输入接口；

c.针对实际应用的频率范围，调节可调电阻R7，改变积分电路时间常数；

步骤2.频率自适应及触发脉冲形成

a.同步信号送入数字控制电路的数字量输入接口电路。控制器MCU的CAP端口捕捉同步信号的上升沿，当上升沿来临时产生捕捉中断，以两次上升沿之间的定时器3计数值计算同步信号周期T。判断测得的信号周期是否落在有效工作频率范围内，对异常扰动不动作。当同步信号周期有效，使能触发输出；

b.根据测得的电压信号周期T作为触发的相位调节基准计算控制角，在捕捉中断子程序中按算得的控制角作相应延迟，由控制器的I/O口产生A相触发信号，并启动定时器1；

c.根据三相交流电的各相相位特性，在A相触发产生后延迟T/3即120°，进入定时器1中断子程序，根据控制角作相应延迟，由控制器的I/O口产生B相触发信号，并启动定时器2，关闭定时器1；

d.根据三相交流电的各相相位特性，在B相触发产生后延迟T/3即120°，进入定时器2中断子程序，根据控制角作相应延迟，由控制器的I/O口产生C相触发信号，并关闭定时器2；

e.当下一周期三相交流电信号输入时，重复步骤2的a～d，各相信号的起始相位与触发控制角即时更新，与输入的三相交流电相位保持同步；

f.数字控制电路的输出模块产生三路触发信号，经过脉冲放大电路将触发信号发大，控制三相半控桥的控制角；

如图7所示为本发明采用的PID数字控制器可控整流示意：

g.电压采样电路采样可控整流后的输出电压U_o，与控制器程序中预设电压U_r比较后得到偏差量e经PID数字控制器计算A相、B相、C相的控制角。算得的控制角乘以周期补偿系数T2/T1(T2为当前时刻的信号周期值，T1为上一时刻的信号周期值)为实际控制角

以快速跟踪频率不断变化的电压信号，改变三相半控桥的导通时刻，进而改变整流输出，实现对输出电压的闭环控制。

综上所述，本发明具有在中低频电压工作范围内频率自适应、输出脉冲对称度高、抗干扰能力强、反应速度快和易于控制的特点。对于在中低频率范围内时刻变化的交流电压信号，数字控制电路通过PID数字控制器计算控制角，同时用实时算得的信号周期对控制角进行修正，从而实现对中低频三相交流电的自适应可控整流。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种数字式中低频自适应三相半控整流装置的触发方法，其中该数字式中低频自适应三相半控整流装置包括一路同步信号调理电路（1），其输出的信号送入数字控制电路（2）的数字量输入接口电路，用于测量同步信号周期和启动触发信号；数字控制电路包括控制器MCU、数字量输入接口电路、数字量输出接口电路和电压采样电路，控制器MCU根据同步信号周期以及误差信号e通过PID数字控制器计算出的控制角

产生A、B、C三相触发信号，经脉冲放大电路（3）触发三相半控桥（4）；其特征是：该方法包含以下步骤：

步骤1.同步信号调理：

a.将发电设备输出的交流电压信号经光耦进行隔离输出，产生光耦输出信号；

b.光耦输出信号经过积分电路、前后沿净化电路；

步骤2.频率自适应及触发脉冲形成：

a.数字控制电路根据同步信号上升沿计算同步信号周期T，判断同步信号周期是否落在有效频率范围内，对异常扰动不动作，当同步信号周期有效时，启动触发信号；

b.以测得的同步信号周期T作为触发的相位调节的基准，计算控制角并产生A相触发信号，根据三相交流电的各相相位特性，在A相触发信号产生后延迟T/3产生B相触发信号；

c.在B相触发信号产生后延迟T/3产生C相触发信号；

e.进行下一周期触发时，重新采样并计算同步信号周期T，并以此作为相位调节基准，重新计算A、B、C相的控制角。