CN112737366B - 一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统 - Google Patents

一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于核聚变脉冲电源控制领域，具体涉及一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，包括实时数据接收模块、增量式PID控制器、晶闸管电源输入电压跟踪控制系统、控制角度限制器、单相桥式二极管整流电路、电压传感器、总电压传感器、触发器和晶闸管电源。通过将晶闸管整流电源交流输入电压引入控制算法中，可以有效减小托卡马克装置脉冲发电机供电时由于发电机输出电压变化引起的电源控制输出波动，减小了输入电压波动时晶闸管电源控制输出的超调量和调节时间；可以应用于化工电解铝等对整流电源输出控制稳定性要求高的工业应用中，可以显著提高整流电源的控制精度和稳定性。

Description

一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统
技术领域
本发明属于核聚变脉冲电源控制领域，具体涉及一种晶闸管电源控制系统。
背景技术
在核聚变托卡马克装置运行中，电源系统需要在短时输出巨大的直流电能用于产生可变磁场，如果直接从电网取电将会使得电网电压在短时间内产生较大波动，对电网产生冲击；同时，由于电源采用整流负载，会对电网的电能质量产生不利影响。因此，在脉冲放电的常规托卡马克装置中，采用飞轮脉冲发电机储能的方式为电源提供交流电。为了提供大功率输出，电源大多采用晶闸管整流结构。晶闸管整流电源反馈控制时以电源输出电压/电流作为控制目标，采用PID控制器控制电源输出电压/电流。但在飞轮脉冲发电机供电过程中，随着负载的投入，发电机输出电压，也就是整流电源的交流输入电压将会出现明显的波动，发电机输出电压波动变化率为额定值的7％。现有的晶闸管电源控制方法无法跟踪交流输入电压的大幅度变化，导致在发电机电压波动较大时会直接影响到晶闸管电源的控制精度，会使经PID调节的晶闸管电源出现超调量大、调节时间长等结果，严重影响托卡马克装置脉冲供电时等离子体实验的进行，导致托卡马克装置等离子体的不稳定甚至破裂。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，可以有效减小托卡马克装置脉冲发电机供电时由于发电机输出电压变化引起的电源控制输出波动，减小了输入电压波动时晶闸管电源控制输出的超调量和调节时间。
本发明的技术方案如下：
一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，包括实时数据接收模块、增量式PID控制器、晶闸管电源输入电压跟踪控制系统、控制角度限制器、单相桥式二极管整流电路、电压传感器、总电压传感器、触发器和晶闸管电源；
所述的实时数据接收模块接收预定的晶闸管电源的控制目标值；
所述的实时数据接收模块的输出端连接增量式PID控制器的输入端，将接收到的晶闸管电源的控制目标值转发给增量式PID控制器；
所述的增量式PID控制器的输出端连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统的输入端，向其发送最新计算得到的晶闸管电源控制调整值；
所述的晶闸管电源输入电压跟踪控制系统的输出端连接控制角度限制器的输入端，向其发送经过转化后的与控制值相对应的控制角度值；
所述的控制角度限制器的输出端连接触发器的输入端，向其发送经过限制器上下限值后的合理的控制角度值；
所述的触发器的输出端连接晶闸管电源的输入端，向其发送晶闸管触发脉冲信号；
所述的晶闸管电源具有两个输出端，其中一个输出端通过单相桥式二极管整流电路和电压传感器连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统的反馈接收端，向其反馈电压传感器测量得到的直流电压信号；另外一个输出端通过总电压传感器连接增量式PID控制器的反馈接收端，向其反馈测量得到的直流电压信号。
所述的晶闸管电源的输出端连接单相桥式二极管整流电路输入端，向其发送晶闸管电源的交流进线电压信号；单相桥式二极管整流电路输出端连接电压传感器的输入端，向其发送经过单相桥式二极管整流电路交直流转换后交流电压对应的直流电压信号；所述的电压传感器的输出端连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统的反馈接收端，向其反馈电压传感器测量得到的直流电压信号。
所述的晶闸管电源的输出端连接总电压传感器的输入端，向其发送晶闸管电源输出的直流电压信号；所述的总电压传感器的输出端连接增量式PID控制器的反馈接收端，向其反馈测量得到的直流电压信号。
所述的实时数据接收模块与中央控制系统连接，中央控制系统向实时数据接收模块发送晶闸管电源的控制目标值。
由实时数据接收模块每1ms为间隔实时接收中央控制系统要求晶闸管电源输出的控制目标值，并将该目标值传递给增量式PID控制器；
所述的增量式PID控制器根据实时数据接收模块的控制目标值和总电压传感器的电压信号通过增量式PID控制算法得到当前控制目标值对应的下一时刻的电源输出电压值，然后将计算得到的最新电源输出电压值传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统。
所述的单相桥式二极管整流电路的输入为晶闸管电源的AC线电压；单相桥式二极管整流电路将输入的AC线电压转化为对应的直流电压值；根据单相桥式二极管整流交直流关系式转化：uAC＝Ud0/0.9，其中uAC为晶闸管电源的输入AC线电压，Ud0为单相桥式二极管整流电路的直流输出电压。
所述的电压传感器采集单相桥式二极管整流电路输出的直流电压并传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统。
所述的晶闸管电源输入电压跟踪控制系统接收增量式PID控制器传递的电压控制值和电压传感器采集的单相桥式二极管整流电路直流输出电压值，将单相桥式二极管整流的关系式uAC＝Ud0/0.9代入三相桥式晶闸管整流电路计算公式Ud＝1.35uACcosα中，演化后得到脉冲发电机供电晶闸管电源的控制角度计算公式其中，α为当前晶闸管电源对应的控制角度值，Ud为通过增量式PID控制器得到的晶闸管电源输出电压值，Ud0为单相桥式二极管整流电路通过交直流转化得到的晶闸管电源输入线电压对应的直流电压值，通过演化后的计算公式晶闸管电源输入电压跟踪控制系统输出晶闸管电源对应的控制角度值，然后将该控制角度值传递给控制角度限制器。
所述的控制角度限制器判断晶闸管电源输入电压跟踪控制系统输出的控制角度值α是否在α下限≤α≤α上限范围内；如在，则控制角度限制器正常输出控制角度值；如不在，则超过上限值按上限值α上限输出控制角度值，超过下限则按下限值α下限输出控制角度值。
α上限为150°，α下限为10°。
本发明的显著效果如下：通过将晶闸管整流电源交流输入电压引入控制算法中，可以有效减小托卡马克装置脉冲发电机供电时由于发电机输出电压变化引起的电源控制输出波动，减小了输入电压波动时晶闸管电源控制输出的超调量和调节时间；可以应用于化工电解铝等对整流电源输出控制稳定性要求高的工业应用中，可以显著提高整流电源的控制精度和稳定性。
附图说明
图1为脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统示意图；
图中：1实时数据接收模块、2增量式PID控制器、3晶闸管电源输入电压跟踪控制系统、4电压传感器、5单相桥式二极管整流电路、6控制角度限制器、7触发器、8晶闸管电源、9总电压传感器、10中央控制系统。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，控制系统包括以下部分：中央控制系统10、实时数据接收模块1、增量式PID控制器2、晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3、控制角度限制器6、单相桥式二极管整流电路5、电压传感器4、总电压传感器9、触发器7和晶闸管电源8。
其中，中央控制系统10通过网络与实时数据接收模块1相连，向实时数据接收模块1发送晶闸管电源8的控制目标值。
实时数据接收模块1的输出端连接增量式PID控制器2的输入端，将接收到的晶闸管电源8的控制目标值转发给增量式PID控制器2；
增量式PID控制器2的输出端连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3的输入端，向其发送最新计算得到的晶闸管电源控制调整值；
晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3的输出端连接控制角度限制器6的输入端，向其发送经过转化后的与控制值相对应的控制角度值；
控制角度限制器6的输出端连接触发器7的输入端，向其发送经过限制器上下限值后的合理的控制角度值；
触发器7的输出端连接晶闸管电源8的输入端，向其发送晶闸管触发脉冲信号。
晶闸管电源8的输出端反馈两路信号：
其中一路，晶闸管电源8的输出端连接单相桥式二极管整流电路5输入端，向其发送晶闸管电源8的交流进线电压信号；单相桥式二极管整流电路5输出端连接电压传感器4的输入端，向其发送经过单相桥式二极管整流电路5交直流转换后交流电压对应的直流电压信号；
电压传感器4的输出端连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3的反馈接收端，向其反馈电压传感器4测量得到的直流电压信号。
另外一路，晶闸管电源8的输出端连接总电压传感器9的输入端，向其发送晶闸管电源8输出的直流电压信号；
总电压传感器9的输出端连接增量式PID控制器2的反馈接收端，向其反馈测量得到的直流电压信号。
工作时，具体信号传递过程如下：
(1)由实时数据接收模块1每1ms为间隔实时接收中央控制系统10要求晶闸管电源8输出的控制目标值，并将该目标值传递给增量式PID控制器2；
(2)总电压传感器9采集晶闸管电源8的电压并传递给增量式PID控制器2；
(3)增量式PID控制器2根据实时数据接收模块1的控制目标值和总电压传感器9的电压信号通过增量式PID控制算法得到当前控制目标值对应的下一时刻的电源输出电压值。然后，增量式PID控制器2将计算得到的最新电源输出电压值传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3；
(4)以晶闸管电源8的AC线电压作为单相桥式二极管整流电路5的输入，通过单相桥式二极管整流电路5将输入的交流AC线电压转化为对应的直流电压值，根据单相桥式二极管整流交直流关系式：uAC＝Ud0/0.9，其中uAC为晶闸管电源8的输入AC线电压，Ud0为单相桥式二极管整流电路5的直流输出电压；
(5)电压传感器4采集单相桥式二极管整流电路5的直流输出电压并传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3；
(6)晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3接收到增量式PID控制器2传递的电压控制值和电压传感器4采集的单相桥式二极管整流电路4直流输出电压值。将步骤4中的单相桥式二极管整流的关系式uAC＝Ud0/0.9代入三相桥式晶闸管整流电路计算公式Ud＝1.35uACcosα中，演化后得到脉冲发电机供电晶闸管电源的控制角度计算公式：上述公式中α为当前晶闸管电源8对应的控制角度值，Ud为通过步骤3中增量式PID控制器2计算得到的晶闸管电源8输出电压值，Ud0为单相桥式二极管整流电路5通过交直流转化得到的晶闸管电源8输入线电压对应的直流电压值，用于跟踪晶闸管电源输入电压的变化。通过演化后的计算公式可以得到晶闸管电源对应的控制角度值，然后将该控制角度值传递给控制角度限制器6；
(7)控制角度限制器6用于判断晶闸管电源输入电压跟踪控制系统3输出的控制角度值是否在α下限≤α≤α上限范围内，如在范围内，则控制角度限制器6正常输出控制角度值；如不在范围内，则超过上限值按上限值α上限输出控制角度值，超过下限则按下限值α下限输出控制角度值；
α上限取150°，α下限取10°。
(8)触发器7根据控制角度限制器6输出的控制值产生对应的触发脉冲，并将触发脉冲输出给晶闸管电源8；
(9)晶闸管电源8根据接收的触发脉冲实现对晶闸管电源的控制。

Claims (4)

1.一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，其特征在于：包括实时数据接收模块(1)、增量式PID控制器(2)、晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)、控制角度限制器(6)、单相桥式二极管整流电路(5)、电压传感器(4)、总电压传感器(9)、触发器(7)和晶闸管电源(8)；
所述的实时数据接收模块(1)接收预定的晶闸管电源(8)的控制目标值；
所述的实时数据接收模块(1)的输出端连接增量式PID控制器(2)的输入端，将接收到的晶闸管电源(8)的控制目标值转发给增量式PID控制器(2)；
所述的增量式PID控制器(2)的输出端连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)的输入端，向其发送最新计算得到的晶闸管电源控制调整值；
所述的晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)的输出端连接控制角度限制器(6)的输入端，向其发送经过转化后的与控制值相对应的控制角度值；
所述的控制角度限制器(6)的输出端连接触发器(7)的输入端，向其发送经过限制器上下限值后的合理的控制角度值；
所述的触发器(7)的输出端连接晶闸管电源(8)的输入端，向其发送晶闸管触发脉冲信号；
所述的晶闸管电源(8)具有两个输出端，其中一个输出端通过单相桥式二极管整流电路(5)和电压传感器(4)连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)的反馈接收端，向其反馈电压传感器(4)测量得到的直流电压信号；另外一个输出端通过总电压传感器(9)连接增量式PID控制器(2)的反馈接收端，向其反馈测量得到的直流电压信号；
所述的晶闸管电源(8)的输出端连接单相桥式二极管整流电路(5)输入端，向其发送晶闸管电源(8)的交流进线电压信号；单相桥式二极管整流电路(5)输出端连接电压传感器(4)的输入端，向其发送经过单相桥式二极管整流电路(5)交直流转换后交流电压对应的直流电压信号；所述的电压传感器(4)的输出端连接晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)的反馈接收端，向其反馈电压传感器(4)测量得到的直流电压信号；
所述的晶闸管电源(8)的输出端连接总电压传感器(9)的输入端，向其发送晶闸管电源(8)输出的直流电压信号；所述的总电压传感器(9)的输出端连接增量式PID控制器(2)的反馈接收端，向其反馈测量得到的直流电压信号；
所述的增量式PID控制器(2)根据实时数据接收模块(1)的控制目标值和总电压传感器(9)的电压信号通过增量式PID控制算法得到当前控制目标值对应的下一时刻的电源输出电压值，然后将计算得到的最新电源输出电压值传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)；
所述的单相桥式二极管整流电路(5)的输入为晶闸管电源(8)的AC线电压；单相桥式二极管整流电路(5)将输入的AC线电压转化为对应的直流电压值；根据单相桥式二极管整流交直流关系式转化：uAC＝Ud0/0.9，其中uAC为晶闸管电源(8)的输入AC线电压，Ud0为单相桥式二极管整流电路(5)的直流输出电压；
工作时，按照下述步骤传递信号：
1)由实时数据接收模块(1)每1ms为间隔实时接收中央控制系统(10)要求晶闸管电源(8)输出的控制目标值，并将该目标值传递给增量式PID控制器(2)；
2)总电压传感器(9)采集晶闸管电源(8)的电压并传递给增量式PID控制器(2)；
3)增量式PID控制器(2)根据实时数据接收模块(1)的控制目标值和总电压传感器(9)的电压信号通过增量式PID控制算法得到当前控制目标值对应的下一时刻的电源输出电压值；然后，增量式PID控制器(2)将计算得到的最新电源输出电压值传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)；
4)以晶闸管电源(8)的AC线电压作为单相桥式二极管整流电路(5)的输入，通过单相桥式二极管整流电路(5)将输入的交流AC线电压转化为对应的直流电压值，根据单相桥式二极管整流交直流关系式：uAC＝Ud0/0.9，其中uAC为晶闸管电源(8)的输入AC线电压，Ud0为单相桥式二极管整流电路(5)的直流输出电压；
5)电压传感器(4)采集单相桥式二极管整流电路(5)的直流输出电压并传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)；
6)晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)接收到增量式PID控制器(2)传递的电压控制值和电压传感器(4)采集的单相桥式二极管整流电路(4)直流输出电压值；将步骤4)中的单相桥式二极管整流的关系式uAC＝Ud0/0.9代入三相桥式晶闸管整流电路计算公式Ud＝1.35uACcosα中，演化后得到脉冲发电机供电晶闸管电源的控制角度计算公式：上述公式中α为当前晶闸管电源(8)对应的控制角度值，Ud为通过步骤3)中增量式PID控制器(2)计算得到的晶闸管电源(8)输出电压值，Ud0为单相桥式二极管整流电路(5)过交直流转化得到的晶闸管电源(8)输入线电压对应的直流电压值，用于跟踪晶闸管电源输入电压的变化；通过演化后的计算公式可以得到晶闸管电源对应的控制角度值，然后将该控制角度值传递给控制角度限制器(6)；
(7)控制角度限制器(6)用于判断晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)输出的控制角度值是否在α下限≤α≤α上限范围内，如在范围内，则控制角度限制器(6)正常输出控制角度值；如不在范围内，则超过上限值按上限值α上限输出控制角度值，超过下限则按下限值α下限输出控制角度值；
α上限取150°，α下限取10°；
8)触发器(7)根据控制角度限制器(6)输出的控制值产生对应的触发脉冲，并将触发脉冲输出给晶闸管电源(8)；
9)晶闸管电源(8)根据接收的触发脉冲实现对晶闸管电源的控制。
2.如权利要求1所述的一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，其特征在于：所述的实时数据接收模块(1)与中央控制系统(10)连接，中央控制系统(10)向实时数据接收模块(1)发送晶闸管电源(8)的控制目标值。
3.如权利要求2所述的一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，其特征在于：由实时数据接收模块(1)每1ms为间隔实时接收中央控制系统(10)要求晶闸管电源(8)输出的控制目标值，并将该目标值传递给增量式PID控制器(2)。
4.如权利要求1所述的一种脉冲发电机供电的晶闸管电源控制系统，其特征在于：所述的电压传感器(4)采集单相桥式二极管整流电路(5)输出的直流电压并传递给晶闸管电源输入电压跟踪控制系统(3)。
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