CN113098238B - 一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，具有精确三相过零信号采集模块从三相交流电获得过零同步信号；数字干扰滤波模块对过零同步信号进行干扰滤除；延时补偿模块对三相过零信号采集模块、干扰滤波模块信号处理过程中产生的时延进行补偿；同步参数测量和故障识别模块，对工频周期、电压电流参数进行测量，对断相、短路等故障信号进行识别；工作流程控制模块控制控制电控系统的励磁、消磁等工作流程及时序；移相参数计算和数字补偿模块计算触发时间参数；可控硅脉冲触发模块根据触发时间参数控制触发脉冲输出；本发明采用数字式同步信号采集和滤波方法，具有触发精度高，参数一致性好的特点；采用了数字去抖的方法消除毛刺等干扰信号对过零信号检测的影响；对负载加载启动过程中的启动检测、可控硅触发输出保护等电路增加了工作电路的可靠性。

Description

一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统

技术领域

本发明涉及电气自动化技术领域，尤其涉及一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统。

背景技术

电磁铁及其配套的电控系统应用相当广泛。此类电控系统一般采用基于小规模集成芯片的模拟电路实现同步信号采集及移相触发，这类电路把同步变压器送来的信号转换为锯齿波信号，再与给定的直流电压相比较来得到移相信号，由于三相锯齿波信号的斜率、占空比和幅度等受分离元器件参数关系密切，比较电路容易受到外部干扰产生误差，移相精度和三相不平衡度较差，造成谐波增加，对电网污染加重。由于移相精度较差，在某些对电压稳定度要求较高的使用场合已不能满足要求。

现有的同步信号采集及移相触发系统主要存在三个缺点。第一，模拟电路容易受到外部干扰产生误差，移相精度和三相不平衡度较差，造成谐波增加，对电网污染加重；第二，由于移相精度较差，在某些对电压稳定度要求较高的使用场合已不能满足要求；第三，保护措施缺乏，现场故障率高。

此外，现有的数字式移相触发电路采用FPGA或者CPLD等逻辑电路实现，仅能实现基本的逻辑控制功能，不能适应电网频率变化，不利用复杂的参数计算和各种保护措施的灵活实现，导致故障率极高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，包含数字式精确三相过零信号采集模块、数字干扰滤波模块、延时补偿模块、同步参数测量和故障识别模块、工作流程控制模块、移相参数计算和数字补偿模块、可控硅脉冲触发模块等组成。

精确三相过零信号采集模块从三相交流电获得过零同步信号；数字干扰滤波模块对过零同步信号进行干扰滤除；延时补偿模块，对三相过零信号采集模块、干扰滤波模块信号处理过程中产生的时延进行补偿；同步参数测量和故障识别模块，对工频周期、电压电流参数进行测量，对断相、短路等故障信号进行识别；工作流程控制模块控制控制电控系统的励磁、消磁等工作流程及时序，励磁过程具有负荷加载保护功能，即在负荷加载过程中，为保证启动平缓，具有启动检测、启动曲线控制过程；移相参数计算和数字补偿模块，计算触发时间参数，对数字信号滤波和补偿逻辑电路处理过程中产生的延时进行补偿，得到补偿时间值，利用补偿时间值对补偿触发时间参数；可控硅脉冲触发模块，根据触发时间参数控制触发脉冲输出；具有超时自动归零关闭输出的保护电路，防止功率驱动器一直驱动可控硅，导致电控系统输出异常或烧毁。

本发明中的精确三相过零信号采集模块，由精准过零检测电路转换电路得到和交流电过零点对应的TTL电平，精准过零检测电路转换电路包括限流电阻R1-R6、互感器1-3、过零沿检测模块1-3。火线L1-N、L2-N、L3-N两两组合，分别通过限流电阻R1-R2、R3-R4、R5-R6对380V交流电进行限流，互感器1-3分别将L1-N、L2-N、L3-N原边的交流电电流信号转换成副边的交流电电流信号，过零沿检测模块1-3对交流电信号进行比较整形，输出01逻辑电平。

本发明中的数字干扰滤波模块，使用精确的计数器时钟对精准过零检测电路的TTL电平进行采样，得到TTL逻辑电平采样序列；设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H，设置干扰滤波计数门限TH_N，设置干扰滤波状态机对输出状态及干扰检测计数器进行管理。其中干扰滤波状态机具有0电平维持状态、1电平检测状态、1电平维持状态、0电平检测状态四种工作状态，利用正常信号持续时间长的特点，通过对干扰毛刺信号进行计数和正常信号计数进行比较，从而达到滤除长度小于TH_N的非正常跳变毛刺信号。

本发明中的工作流程控制模块，控制电控系统的励磁、消磁等工作流程及时序，控制对应需要工作流程的移相触发信号输出；工作流程控制模块具有负荷加载保护功能，即在负荷加载过程中，为保证启动平缓，具有启动检测、启动曲线控制过程；首先输出一个设定的大大低于工作电压的安全电压，控制触发模块输出，检测输出电压和电流是否符合预期，如果电流超限或者电压超限，则判断负载为开路或者短路状态，输出故障报警信号，停止工作流程，否则继续工作流程；接着启动曲线控制过程，通过启动曲线逐渐增加工作电压至目标电压，可以实现缓启动、恒流启动、恒功率启动等不同的工况要求。

本发明中移相参数计算和数字补偿模块，首先根据目标电压、输入电压，计算触发角参数：根据电网周期，计算触发时间参数，对数字信号滤波和补偿逻辑电路处理过程中产生的延时进行补偿，得到补偿时间值，利用补偿时间值对补偿触发时间参数；

本发明中的可控硅脉冲触发模块，包含数字PWM信号，数字门控信号，延时保护门电路，逻辑门电路，功率驱动电路等组成；数字PWM信号，数字门控信号由数字处理器产生，即从检测到过零信号开始，延时触发时间参数对应的时间后输出数字门控信号有效，开始输出触发脉冲，触发脉冲持续时间达到目标值后数字门控信号关闭；数字门控信号经过延时保护电路进行保护，延时保护电路具有超时自动归零的功能，防止数字门控信号发生故障一直输出有效时，导致功率驱动器一直驱动可控硅，导致电控系统输出异常或烧毁。

本发明的有益效果为：

本发明采用数字式同步信号采集和滤波方法，具有触发精度高，参数一致性好的特点；同时，采用了数字去抖的方法消除毛刺等干扰信号对过零信号检测的影响；对负载加载启动过程中的启动检测、可控硅触发输出保护等电路增加了工作电路的可靠性。

附图说明

图1为本发明三相同步信号采集及移相触发的结构示意图；

图2为本发明精密过零检测电路的结构示意图；

图3为本发明工作流程控制模块的结构示意图；

图4为本发明数字干扰滤波模块的结构示意图；

图5为本发明数字干扰滤波状态机状态转换示意图；

图6为本发明可控硅脉冲触发模块的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明 作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明 的限定。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，包含数字式精确三相过零信号采集模块，数字干扰滤波模块，延时补偿模块，同步参数测量和故障识别模块，工作流程控制模块，移相参数计算和数字补偿模块，可控硅脉冲触发模块等组成。

所述精确三相过零信号采集模块，由精准过零检测电路转换电路得到和交流电过零点对应的TTL电平，精准过零检测电路转换电路包括限流电阻R1-R6、互感器1-3、过零沿检测模块1-3。火线L1-N、L2-N、L3-N两两组合，分别通过限流电阻R1-R2、R3-R4、R5-R6对380V交流电进行限流，互感器1-3分别将L1-N、L2-N、L3-N原边的交流电电流信号转换成副边的交流电电流信号，过零沿检测模块1-3对交流电信号进行比较整形，输出01逻辑电平TTL1-3，精准过零检测电路转换电路的处理延时记为t_D1。

所述数字干扰滤波模块，使用精确的计数器时钟对精准过零检测电路的TTL电平进行采样，得到TTL逻辑电平采样序列；设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H，设置干扰滤波计数门限TH_N，设置干扰滤波状态机对输出状态及干扰检测计数器进行管理。干扰滤波状态机具有0电平维持状态、1电平检测状态、1电平维持状态、0电平检测状态四种工作状态。

当干扰滤波状态机处于0电平维持状态时，设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H的值均为0，一旦检测到输入TTL逻辑电平1时，干扰滤波状态机进入1电平检测状态；

当干扰滤波状态机处于1电平检测状态时，0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H分别对输入TTL逻辑电平0和1进行计数，当CNT_H达到干扰滤波计数门限TH_N时，干扰滤波状态机进入1电平维持状态；否则当TTL逻辑电平0计数CNT_L大于或等于TTL逻辑电平1计数CNT_H时，干扰滤波状态机恢复到0电平维持状态；

当干扰滤波状态机处于1电平维持状态时，设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H的值均为0，一旦检测到输入TTL逻辑电平0时，干扰滤波状态机进入0电平检测状态；

当干扰滤波状态机处于0电平检测状态时，0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H分别对输入TTL逻辑电平0和1进行计数，当CNT_L达到干扰滤波计数门限TH_N时，干扰滤波状态机进入0电平维持状态；否则当TTL逻辑电平1计数CNT_H大于或等于TTL逻辑电平0计数CNT_L时，干扰滤波状态机恢复到1电平维持状态；

利用正常信号持续时间长的特点，通过对干扰毛刺信号进行计数和正常信号计数进行比较，从而达到滤除长度小于TH_N的非正常跳变毛刺信号。数字干扰滤波模块处理延时记为t_D2。

同步参数测量和故障识别模块，包括工频周期T、相序、输入电压V_IN、输出电压V_OUT、输出电流I_OUT测量，以及断相、输出故障等检测；

其中，工频周期T测量包含周期测量和平滑滤波两个步骤，首先测量A、B、C相过零信号两个上升沿之间的时间记为T_A，T_B，T_C；

对工频周期进行平滑滤波：

其中T_i为i时刻工频周期T的值，

为平滑系数。

工作流程控制模块，控制电控系统的励磁、消磁等工作流程及时序，控制对应需要工作流程的移相触发信号输出；工作流程控制模块具有负荷加载保护功能，即在负荷加载过程中，为保证启动平缓，具有启动检测、启动曲线控制过程；

启动检测过程中，首先输出一个设定的大大低于工作电压的安全电压V₀，控制触发模块输出，检测输出电压和电流是否符合预期，如果电流超限或者电压超限，则判断负载为开路或者短路状态，输出故障报警信号，停止工作流程，否则继续工作流程；

启动曲线控制过程，设定目标电压为V_t，启动参数序列[(μ₁,t₁)、(μ₂,t₂)…(μ_i,t_i)…(μ_n,t_n)]，其中t_i为时间序列，μ_i为比例系数,按照时间序列t_i设定对应的输出电压μ_iV_t，逐渐增加电压直至目标电压V_t。通过启动曲线逐渐增加工作电压至目标电压，可以实现缓启动、恒流启动、恒功率启动等不同的工况要求。

移相参数计算和数字补偿模块，根据目标电压V_t、输入电压V_IN，计算触发角参数：

根据电网周期T_i，计算触发时间参数：

对数字信号滤波和补偿逻辑电路处理过程中产生的延时进行补偿，得到补偿时间值t_D：

补偿触发时间参数：

可控硅脉冲触发模块，包含数字PWM信号P₁，数字门控信号G₁，延时保护门电路，逻辑门电路，功率驱动电路等组成；数字PWM信号，数字门控信号由数字处理器产生，即从检测到过零信号开始，延时t_ti时间数字门控信号G₁有效，开始输出触发脉冲，触发脉冲持续时间达到目标值，如3毫秒后数字门控信号G₁关闭；延时保护电路，具有超时自动归零的功能，由输入G₁得到输出G_D，防止数字门控信号发生故障一直输出有效时，导致功率驱动器一直驱动可控硅，导致电控系统输出异常或烧毁。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于：包含精确三相过零信号采集模块、数字干扰滤波模块、延时补偿模块、同步参数测量和故障识别模块、工作流程控制模块、移相参数计算和数字补偿模块、可控硅脉冲触发模块；

所述精确三相过零信号采集模块从三相交流电获得过零同步信号；

所述数字干扰滤波模块对过零同步信号进行干扰滤除；

所述延时补偿模块，对精确三相过零信号采集模块、数字干扰滤波模块的信号处理过程中产生的延时进行补偿；

所述同步参数测量和故障识别模块，对工频周期、电压电流参数进行测量，对断相、短路故障信号进行识别；

所述工作流程控制模块控制电控系统的励磁、消磁工作流程及时序，励磁过程具有负荷加载保护功能，即在负荷加载过程中，为保证启动平缓，具有启动检测、启动曲线控制过程；

所述移相参数计算和数字补偿模块，计算触发时间参数，对数字干扰滤波模块和延时补偿模块处理过程中产生的延时进行补偿，得到补偿时间值，利用补偿时间值补偿触发时间参数；

所述可控硅脉冲触发模块，根据触发时间参数控制触发脉冲输出；具有超时自动归零关闭输出的保护电路，防止功率驱动器一直驱动可控硅，导致电控系统输出异常或烧毁。

2.根据权利要求1所述的数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于，所述精确三相过零信号采集模块，由精准过零检测转换电路得到和交流电过零点对应的TTL电平，精准过零检测转换电路包括限流电阻R1-R6、互感器1-3、过零沿检测模块1-3，火线L1-N、L2-N、L3-N两两组合，分别通过限流电阻R1-R2、R3-R4、R5-R6对380V交流电进行限流，互感器1-3分别将L1-N、L2-N、L3-N原边的交流电电流信号转换成副边的交流电电流信号，过零沿检测模块1-3对交流电电流信号进行比较整形，输出01逻辑电平TTL1-3，精准过零检测转换电路的处理延时记为t_D1。

3.根据权利要求2所述的数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于，所述数字干扰滤波模块，使用计数器时钟对精准过零检测转换电路的TTL电平进行采样，得到TTL逻辑电平采样序列；设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H，设置干扰滤波计数门限TH_N，设置干扰滤波状态机对输出状态及干扰检测计数器进行管理，利用正常信号持续时间长的特点，通过对干扰毛刺信号进行计数和正常信号计数进行比较，从而达到滤除长度小于TH_N的非正常跳变毛刺信号，数字干扰滤波模块处理延时记为t_D2，

所述干扰滤波状态机具有0电平维持状态、1电平检测状态、1电平维持状态、0电平检测状态四种工作状态，

当干扰滤波状态机处于0电平维持状态时，设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H的值均为0，一旦检测到输入TTL逻辑电平1时，干扰滤波状态机进入1电平检测状态；

当干扰滤波状态机处于1电平检测状态时，0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H分别对输入TTL逻辑电平0和1进行计数，当CNT_H达到干扰滤波计数门限TH_N时，干扰滤波状态机进入1电平维持状态；否则当TTL逻辑电平0计数CNT_L大于或等于TTL逻辑电平1计数CNT_H时，干扰滤波状态机恢复到0电平维持状态；

当干扰滤波状态机处于1电平维持状态时，设置0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H的值均为0，一旦检测到输入TTL逻辑电平0时，干扰滤波状态机进入0电平检测状态；

当干扰滤波状态机处于0电平检测状态时，0逻辑检测计数器CNT_L和1逻辑检测计数器CNT_H分别对输入TTL逻辑电平0和1进行计数，当CNT_L达到干扰滤波计数门限TH_N时，干扰滤波状态机进入0电平维持状态；否则当TTL逻辑电平1计数CNT_H大于或等于TTL逻辑电平0计数CNT_L时，干扰滤波状态机恢复到1电平维持状态。

4.根据权利要求1所述的数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于，所述同步参数测量和故障识别模块，包括工频周期T、相序、输入电压V_IN、输出电压V_OUT、输出电流I_OUT测量，以及断相、输出故障检测；

其中，工频周期T测量包含周期测量和平滑滤波两个步骤，首先测量A、B、C相过零信号两个上升沿之间的时间T_A，T_B，T_C；

对工频周期进行平滑滤波：

其中T_i为i时刻工频周期T的值，α为平滑系数。

5.根据权利要求1所述的数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于，所述工作流程控制模块，控制电控系统的励磁、消磁工作流程及时序，控制对应工作流程的移相触发信号输出；工作流程控制模块具有负荷加载保护功能，即在负荷加载过程中，为保证启动平缓，具有启动检测、启动曲线控制过程；

启动检测过程中，首先输出一个设定的低于工作电压的安全电压V₀，控制触发模块输出，检测输出电压和电流是否符合预期，如果电流超限或者电压超限，则判断负载为开路或者短路状态，输出故障报警信号，停止工作流程，否则继续工作流程；

启动曲线控制过程，通过启动曲线逐渐增加工作电压至目标电压，可以实现缓启动、恒流启动、恒功率启动不同的工况要求。

6.根据权利要求1所述的数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于，所述移相参数计算和数字补偿模块，首先根据目标电压V_t、输入电压V_IN，计算触发角参数：根据电网周期T_i，计算触发时间参数，对数字干扰滤波模块和延时补偿模块处理过程中产生的延时进行补偿，得到补偿时间值，利用补偿时间值补偿触发时间参数。

7.根据权利要求1所述的数字式精确三相同步信号采集及移相触发系统，其特征在于，所述可控硅脉冲触发模块，包含PWM信号输入端，门控信号输入端，延时保护电路，逻辑门电路和功率驱动器组成；PWM信号输入端的PWM信号和门控信号输入端的门控信号由数字处理器产生，即从检测到过零信号开始，延时触发时间参数对应的时间后输出数字门控信号有效，开始输出触发脉冲，触发脉冲持续时间达到目标值后数字门控信号关闭；数字门控信号经过延时保护电路进行保护，延时保护电路具有超时自动归零的功能，防止数字门控信号发生故障一直输出有效时，导致功率驱动器一直驱动可控硅，导致电控系统输出异常或烧毁。

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