CN105048830A - 一种三相交流调压数字化控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相交流调压数字化控制装置，三相变压器的原边与三相交流电源连接，副边与过零检测模块、三相整流电路电连接；过零检测模块、数据采集模块的输出端分别与上位机连接，上位机通过脉冲触发模块控制三相整流电路；本发明还公开了一种三相交流调压数字化控制方法：数据采集模块采集负载的实测电压信号和实测电流信号，上位机计算实测电压信号与给定电压信号的偏差，经电压环调节控制得到电流控制量；计算电流控制量与实测电流信号的偏差，经电流调节控制得到电压控制量，上位机参考过零检测模块输出的过零点脉冲信号，使脉冲触发模块输出脉冲信号控制三相整流电路，实现三相交流调压。本发明具有过零点检测精确，触发稳定等特点。

Description

一种三相交流调压数字化控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相交流调压数字化控制装置，还涉及一种三相交流调压数字化控制方法，属于电力调压技术领域。

背景技术

三相交流调压是电力电子技术中必不可少的部分，但如今大部分的三相交流调压装置均为模拟电路控制，控制方法老旧，控制精度不高且调试麻烦。因此针对以上方面，需要对现有技术进行改进、革新。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种三相交流调压数字化控制装置，解决现有技术中采用模拟电路进行三相交流调压控制控制精度不高、调试不便的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种三相交流调压数字化控制装置，包括上位机、三相变压器、过零检测模块、脉冲触发模块和用于采集负载电压与负载电流的数据采集模块；

所述三相变压器的原边与三相交流电源连接，副边与过零检测模块电连接，同时三相变压器的副边还通过三相整流电路为负载供电；

所述过零检测模块的信号输出端、数据采集模块的信号输出端分别与所述上位机的信号输入端连接，上位机的信号输出端连接所述脉冲触发模块，通过脉冲触发模块控制三相整流电路；

所述数据采集模块采集负载的实测电压信号和实测电流信号，上位机计算实测电压信号与给定电压信号的偏差，经电压环调节控制得到电流控制量，进一步计算电流控制量与实测电流信号的偏差，经电流调节控制得到电压控制量，上位机参考过零检测模块输出的过零点脉冲信号，使脉冲触发模块输出脉冲信号用于控制三相整流电路，实现负载的三相交流调压。

所述过零检测模块、脉冲触发模块和数据采集模块由与所述三相交流电源连接的直流电源模块供电。

所述过零检测模块包括第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路和可编程逻辑器件；

所述第一过零检测电路用于检测三相变压器副边的U相-V相的过零点；

所述第二过零检测电路用于检测三相变压器副边的U相-W相的过零点；

所述第三过零检测电路用于检测三相变压器副边的V相-W相的过零点；

所述第一过零检测电路的输出端、第二过零检测电路的输出端、第三过零检测电路的输出端分别与可编程逻辑器件的I/O输入口连接；所述可编程逻辑器件与第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路相对应的设有三路I/O输出口。

所述第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路分别包括各自的第一光耦器件和第二光耦器件；所述第一光耦器件、第二光耦器件分别包括：各自的发光二极管和与发光二极管对应设置的光敏三极管；

同一过零检测电路中：第一光耦器件的发光二极管和第二光耦器件的发光二极管反向并联于三相变压器副边的对应相之间；第一光耦器件的集电极、第二光耦器件的集电极分别与直流电源模块电连接，同时分别与可编程逻辑器件的I/O输入口连接；第一光耦器件的发射极、第二光耦器件的发射极分别接地；

当第一光耦器件的发光二极管导通时，与之对应的第一光耦器件的光敏三极管导通，第一光耦器件的集电极输出低电平；此时，对应的第二光耦器件的发光二极管截止，第二光耦器件的光敏三极管不通，第二光耦器件的集电极输出高电平；

当第二光耦器件的发光二极管导通时，与之对应的第二光耦器件的光敏三极管导通，第二光耦器件的集电极输出低电平；此时，对应的第一光耦器件的发光二极管截止，第一光耦器件的光敏三极管不通，第一光耦器件的集电极输出高电平；

可编程逻辑器件根据第一光耦器件、第二光耦器件输出的电平信号检测过零点。

所述三相变压器副边还串联有用于保护发光二极管的限流电阻。

各所述第一光耦器件的集电极、第二光耦器件的集电极分别通过各自串联连接的上拉电阻与所述直流电源模块电连接。

所述数据采集模块包括多路电压采集电路和多路电流采集电路。

所述三相整流电路选用三相全控桥式整流模块。

本发明的另一目的在于提供一种三相交流调压数字化控制方法，包括如下步骤：

步骤一：数据采集模块采集负载的实测电流I_f和实测电压U_f；

步骤二：上位机计算给定电压U_ref与实测电压U_f的差值，得到电压误差e₁；

步骤三：根据电压误差e₁，进行电压环调节控制，得到电流控制量I_ref；

步骤四：计算电流控制量I_ref与实测电流I_f的差值，得到电流误差值e₂；

步骤五：根据电流误差e₂，进行电流环调节控制，得到电压控制量U₁；

步骤六：上位机根据电压控制量U₁，并参考过零检测模块发来的过零点脉冲信号为基准时刻，控制脉冲触发模块，使其发出六路触发信号给三相整流电路，实现负载的电压调节；

步骤七：重复步骤一至六，直到负载实测电压U_f等于给定电压U_ref。

进一步的，所述过零检测模块进行过零检测的步骤如下：

步骤101：可编程逻辑器件对六路I/O输入口的电平信号取反，记为：S1、S2、S3、S4、S5、S6；

步骤102：可编程逻辑器件对信号S1、S2进行或非逻辑运算，得到方波信号S7；可编程逻辑器件对信号S3、S4进行或非逻辑运算，得到方波信号S8；可编程逻辑器件对信号S5、S6进行或非逻辑运算，得到方波信号S9；

步骤103：可编程逻辑器件测量方波信号S7、S8、S9的脉冲宽度；

步骤104：可编程逻辑器件在S7、S8、S9宽度的一半时通过对应的三路I/O输出口输出窄脉冲S10、S11、S12；其中S10对应三相变压器副边的U相-V相的过零点，S10对应三相变压器副边的U相-W相的过零点，S10对应三相变压器副边的V相-W相的过零点。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：上位机通过对三相整流电路进行实时控制和显示，实现了三相交流调压的数字化控制，有利于对电压、电流、相位角和功率的进行精确控制，具有过零精确，触发稳定等特点。

附图说明

图1是本发明提供的三相交流调压数字化控制装置的电路原理框图。

图2是图1中过零检测模块的电路图。

图3是本发明提供的三相交流调压数字化控制方法的系统原理框图。

图4是过零检测电路的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，是本发明提供的三相交流调压数字化控制装置的电路原理框图，包括上位机、三相变压器、三相整流电路、过零检测模块、脉冲触发模块和数据采集模块。过零检测模块、脉冲触发模块和数据采集模块由与三相交流电源连接的直流电源模块供电。

三相变压器的原边与三相交流电源连接，副边与过零检测模块、三相整流电路电连接，三相整流电路为负载提供直流电源。优选的，三相整流电路选用三相全控桥式整流电路。

过零检测模块包括第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路和可编程逻辑器件CPLD。第一过零检测电路用于检测三相变压器副边的U相-V相的过零点；第二过零检测电路用于检测三相变压器副边的U相-W相的过零点；第三过零检测电路用于检测三相变压器副边的V相-W相的过零点。第一过零检测电路的输出端、第二过零检测电路的输出端、第三过零检测电路的输出端分别与可编程逻辑器件CPLD的I/O输入口连接；可编程逻辑器件CPLD与第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路相对应的设有三路I/O输出口。

如图2所示，第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路分别包括各自的第一光耦器件和第二光耦器件。下面以第一过零检测电路为例，对过零检测电路的具体连接关系说明如下：

第一过零检测电路的第一光耦器件U1、第二光耦器件U2分别包括：各自的发光二极管和与发光二极管对应设置的光敏三极管。第一光耦器件U1的发光二极管和第二光耦器件U2的发光二极管反向并联，并通过串联连接的限流电阻R1、R2连接于三相变压器副边的U相和V相之间，这样连接一方面对两个光电耦合器件到反向保护作用，另一方面也为三相交流电提供反向通道，为判断正过零或是负过零提供便利。第一光耦器件U1的集电极、第二光耦器件U2的集电极分别与直流电源模块电连接，同时分别与可编程逻辑器件CPLD的I/O输入口连接。为避免损坏光敏三极管，直流电源模块还分别在第一光耦器件U1、第二光耦器件U2的供电回路中串联了上拉电阻R3、R4。第一光耦器件的发射极、第二光耦器件的发射极分别接地，用于在光敏三极管导通时为可编程逻辑器件CPLD提供低电平信号。当U相电压高于V相电压时，第一光耦器件U1的发光二极管导通，与之对应的第一光耦器件U1的光敏三极管导通，第一光耦器件U1的集电极输出低电平；此时，对应的第二光耦器件U2的发光二极管截止，第二光耦器件U2的光敏三极管不通，第二光耦器件U2的集电极输出高电平。当U相电压低于V相电压时，第二光耦器件U2的发光二极管导通，与之对应的第二光耦器件U2的光敏三极管导通，第二光耦器件U2的集电极输出低电平；此时，对应的第一光耦器件U1的发光二极管截止，第一光耦器件U1的光敏三极管不通，第一光耦器件U1的集电极输出高电平。

数据采集模块的信号输出端与上位机的信号输入端连接，数据采集模块包括多路电压采集电路和多路电流采集电路，分别用于采集负载的电压信号和负载的电流信号，上位机的信号输出端连接脉冲触发模块，通过脉冲触发模块控制三相整流电路。

本发明提供的三相交流调压数字化控制装置工作时，数据采集模块采集负载的实测电压信号和实测电流信号，上位机计算实测电压信号与给定电压信号的偏差，经电压环调节控制得到电流控制量，进一步计算电流控制量与实测电流信号的偏差，经电流调节控制得到电压控制量，上位机参考过零检测模块输出的过零点脉冲信号，使脉冲触发模块输出脉冲信号用于控制三相整流电路，实现负载的三相交流调压。具体如下：

如图3所示，一种三相交流调压数字化控制方法，包括如下步骤：

步骤一：数据采集模块采集负载的实测电流I_f和实测电压U_f；

步骤二：上位机计算给定电压U_ref与实测电压U_f的差值，得到电压误差e₁；

步骤三：根据电压误差e₁，进行电压环调节控制，得到电流控制量I_ref；

步骤四：计算电流控制量I_ref与实测电流I_f的差值，得到电流误差值e₂；

步骤五：根据电流误差e₂，进行电流环调节控制，得到电压控制量U₁；

步骤六：上位机根据电压控制量U₁，并参考过零检测模块发来的过零点脉冲信号为基准时刻，控制脉冲触发模块，使其发出六路触发信号给三相整流电路，实现负载的电压调节；

步骤七：重复步骤一至六，直到负载实测电压U_f等于给定电压U_ref。

如图4所示，过零检测模块进行过零检测的步骤如下：

步骤101：可编程逻辑器件对六路I/O输入口的电平信号取反，记为：S1、S2、S3、S4、S5、S6；

步骤102：可编程逻辑器件对信号S1、S2进行或非逻辑运算，得到方波信号S7；可编程逻辑器件对信号S3、S4进行或非逻辑运算，得到方波信号S8；可编程逻辑器件对信号S5、S6进行或非逻辑运算，得到方波信号S9；

步骤103：可编程逻辑器件测量方波信号S7、S8、S9的脉冲宽度；

步骤104：可编程逻辑器件在S7、S8、S9宽度的一半时通过对应的三路I/O输出口输出窄脉冲S10、S11、S12；其中S10对应三相变压器副边的U相-V相的过零点，S10对应三相变压器副边的U相-W相的过零点，S10对应三相变压器副边的V相-W相的过零点。

本发明实现了三相交流调压的数字化控制，有利于对电压、电流、相位角和功率的进行精确控制，具有过零精确，触发稳定等特点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，包括上位机、三相变压器、过零检测模块、脉冲触发模块和用于采集负载电压与负载电流的数据采集模块；

所述三相变压器的原边与三相交流电源连接，副边与过零检测模块电连接，同时三相变压器的副边还通过三相整流电路为负载供电；

所述过零检测模块的信号输出端、数据采集模块的信号输出端分别与所述上位机的信号输入端连接，上位机的信号输出端连接所述脉冲触发模块，通过脉冲触发模块控制三相整流电路；

所述数据采集模块采集负载的实测电压信号和实测电流信号，上位机计算实测电压信号与给定电压信号的偏差，经电压环调节控制得到电流控制量，进一步计算电流控制量与实测电流信号的偏差，经电流调节控制得到电压控制量，上位机参考过零检测模块输出的过零点脉冲信号，使脉冲触发模块输出脉冲信号用于控制三相整流电路，实现负载的三相交流调压。

2.根据权利要求1所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，所述过零检测模块、脉冲触发模块和数据采集模块由与所述三相交流电源连接的直流电源模块供电。

3.根据权利要求2所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，所述过零检测模块包括第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路和可编程逻辑器件；

所述第一过零检测电路用于检测三相变压器副边的U相-V相的过零点；

所述第二过零检测电路用于检测三相变压器副边的U相-W相的过零点；

所述第三过零检测电路用于检测三相变压器副边的V相-W相的过零点；

所述第一过零检测电路的输出端、第二过零检测电路的输出端、第三过零检测电路的输出端分别与可编程逻辑器件的I/O输入口连接；所述可编程逻辑器件与第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路相对应的设有三路I/O输出口。

4.根据权利要求3所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，所述第一过零检测电路、第二过零检测电路、第三过零检测电路分别包括各自的第一光耦器件和第二光耦器件；所述第一光耦器件、第二光耦器件分别包括：各自的发光二极管和与发光二极管对应设置的光敏三极管；

同一过零检测电路中：第一光耦器件的发光二极管和第二光耦器件的发光二极管反向并联于三相变压器副边的对应相之间；第一光耦器件的集电极、第二光耦器件的集电极分别与直流电源模块电连接，同时分别与可编程逻辑器件的I/O输入口连接；第一光耦器件的发射极、第二光耦器件的发射极分别接地；

当第一光耦器件的发光二极管导通时，与之对应的第一光耦器件的光敏三极管导通，第一光耦器件的集电极输出低电平；此时，对应的第二光耦器件的发光二极管截止，第二光耦器件的光敏三极管不通，第二光耦器件的集电极输出高电平；

当第二光耦器件的发光二极管导通时，与之对应的第二光耦器件的光敏三极管导通，第二光耦器件的集电极输出低电平；此时，对应的第一光耦器件的发光二极管截止，第一光耦器件的光敏三极管不通，第一光耦器件的集电极输出高电平；

可编程逻辑器件根据第一光耦器件、第二光耦器件输出的电平信号检测过零点。

5.根据权利要求4所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，所述三相变压器副边还串联有用于保护发光二极管的限流电阻。

6.根据权利要求4所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，各所述第一光耦器件的集电极、第二光耦器件的集电极分别通过各自串联连接的上拉电阻与所述直流电源模块电连接。

7.根据权利要求1所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，所述数据采集模块包括多路电压采集电路和多路电流采集电路。

8.根据权利要求1所述的三相交流调压数字化控制装置，其特征在于，所述三相整流电路选用三相全控桥式整流模块。

9.一种三相交流调压数字化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：数据采集模块采集负载的实测电流I_f和实测电压U_f；

步骤二：上位机计算给定电压U_ref与实测电压U_f的差值，得到电压误差e₁；

步骤三：根据电压误差e₁，进行电压环调节控制，得到电流控制量I_ref；

步骤四：计算电流控制量I_ref与实测电流I_f的差值，得到电流误差值e₂；

步骤五：根据电流误差e₂，进行电流环调节控制，得到电压控制量U₁；

步骤六：上位机根据电压控制量U₁，并参考过零检测模块发来的过零点脉冲信号为基准时刻，控制脉冲触发模块，使其发出六路触发信号给三相整流电路，实现负载的电压调节；

步骤七：重复步骤一至六，直到负载实测电压U_f等于给定电压U_ref。

10.根据权利要求9所述的三相交流调压数字化控制方法，其特征在于，所述过零检测模块进行过零检测的步骤如下：

步骤101：可编程逻辑器件对六路I/O输入口的电平信号取反，记为：S1、S2、S3、S4、S5、S6；

步骤102：可编程逻辑器件对信号S1、S2进行或非逻辑运算，得到方波信号S7；可编程逻辑器件对信号S3、S4进行或非逻辑运算，得到方波信号S8；可编程逻辑器件对信号S5、S6进行或非逻辑运算，得到方波信号S9；

步骤103：可编程逻辑器件测量方波信号S7、S8、S9的脉冲宽度；

步骤104：可编程逻辑器件在S7、S8、S9宽度的一半时通过对应的三路I/O输出口输出窄脉冲S10、S11、S12；其中S10对应三相变压器副边的U相-V相的过零点，S10对应三相变压器副边的U相-W相的过零点，S10对应三相变压器副边的V相-W相的过零点。