CN113315348A - 一种可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源 - Google Patents

一种可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电源技术领域，特别是一种可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源。本发明通过对电网电压、输出电流的采集，进行基波相位分析，得出电源带不同负载时瞬态的相位差角，并通过对相位差角度的限制，限制控制器的驱动相位。本发明通过上述的处理过程，实时检测电压电流相位进行限制，在带感性负载中，负载突变都能及时有效的检测与限制，限制速度仅滞后最大一个电网采样周期。感性负载如变压器负载，空载的情况下都无需加假负载，节省了电源空间，增加电源效率，也降低硬件成本。电源不会因负载突变，角度失控导致过流而关闭设备，增强了系统工艺稳定性。

Description

一种可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是一种可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源。
背景技术
可控硅电源是通过参考电网电压相位调节可控硅触发的位置而控制输出电压电流的电源。通过检测电网同步点进行移相控制，触发位置由需求的输出电压、电流或者功率进行闭环调节。
然而当电源带大感性负载时，要保证可控硅稳定可控，其触发位置就必须要有限制。因为可控硅为零电流关断，感性负载下，电流滞后于电压，存在电感续流角，当电流不到零时，提前开通可控硅将导致后续输出不可控，无法有效开关。严重的系统，如变压器空载或带载较轻时，将导致变压器电流偏磁出现不可控的大电流。常规稳态负载也可能存在负载突变的情况，当突变感性偏重时，系统如何有效限制导通角度将是电源系统稳定工作的重中之重。
目前的电源多数系统为常规负载，做的是电流过流检测，一旦过流只能立即封锁输出避免损坏电源，但这样电源就无法持续输出为负载提供能量，导致负载工艺问题与不良率，很多系统因无法控制变压器空载而在变压器原副边带上假负载，避免出现完全空载的情况，但是这又导致系统效率降低，损耗增加，电源体积增大。所以如今需要一种能够有效限制导通角度的可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的可控硅电源在过零电流下易出现故障的问题，提供一种可控硅电源的驱动控制方法及可控硅电源。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种可控硅电源的驱动控制方法，包括以下步骤：
S1：采集电网电压以及所述可控硅电源的输出电流；
S2：对所述电网电压以及所述可控硅电源的输出电流进行基波相位分析，获取所述电网电压以及所述可控硅电源的输出电流的相位差角，所述相位差角＝|所述电网电压的相位-所述可控硅电源的输出电流的相位|；
S3：将所述相位差角作为所述可控硅电源的移相角度限制量，限制所述可控硅电源输出的驱动相位，所述驱动相位的上限值＝初始上限值-所述相位差角。本发明通过对电网电压、输出电流的采集，进行基波相位分析，得出电源带不同负载时瞬态的相位差角。并通过对相位差角度的限制，限制控制器的驱动相位。本发明通过上述的处理过程，实时检测电压电流相位进行限制，在带感性负载中，负载突变都能及时有效的检测与限制，限制速度仅滞后最大一个电网采样周期。感性负载如变压器负载，空载的情况下都无需加假负载，节省了电源空间，增加电源效率，也降低硬件成本。电源不会因负载突变，角度失控导致过流而关闭设备，增强了系统工艺稳定性。
作为本发明的优选方案，所述步骤S2中所述基波相位分析包括以下步骤：
S21：将当前采样点的采集值存到缓冲寄存器中，并将所述采集值与所述缓冲寄存器中前一个电网采样周期对应采样点的采集值相减，得到第一差值；
S22：将所述第一差值分别与aHz电网相位的正弦和余弦相乘；并分别将相乘后的数据与当前电网采样周期前一个采样点对应的计算量相加，得到第一和值和第二和值；其中，aHz依据当地电网频率进行取值，默认为50Hz；
S23：分别将所述第一和值和所述第二和值乘以2/N，得到输出量A和B，其中，N为一个电网采样周期中采样点的数目；
S24：对所述输出量A和B进行标准反正切函数计算，输出所述电网电压和/或所述可控硅电源的输出电流的相位值。
一种可控硅电源，包括接入电网的可控硅功能模块以及与所述可控硅功能模块电连接的控制芯片，所述控制芯片采用上述任一所述的驱动控制方法。
作为本发明的优选方案，所述可控硅电源的负载为感性负载或单相变压器时，所述控制芯片通过调节所述可控硅功能模块的触发驱动角度信号控制所述可控硅电源的输出。
作为本发明的优选方案，所述可控硅电源为三相系统或单相系统，且每个相位中设有至少一个所述可控硅功能模块。
作为本发明的优选方案，所述可控硅功能模块为单向可控硅或双向可控硅。
作为本发明的优选方案，所述控制芯片的采样频率∈[1KHZ，100KHZ]。
作为本发明的优选方案，所述控制芯片采用单片机、ARM、DSP或FPGA。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过对电网电压、输出电流的采集，进行基波相位分析，得出电源带不同负载时瞬态的相位差角。并通过对相位差角度的限制，限制控制器的驱动相位。本发明通过上述的处理过程，实时检测电压电流相位进行限制，在带感性负载中，负载突变都能及时有效的检测与限制，限制速度仅滞后最大一个电网采样周期。感性负载如变压器负载，空载的情况下都无需加假负载，节省了电源空间，增加电源效率，也降低硬件成本。电源不会因负载突变，角度失控导致过流而关闭设备，增强了系统工艺稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种可控硅电源的驱动控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例2所述的一种可控硅电源带变压器负载时的结构示意图；
图3为本发明实施例2所述的一种可控硅电源带感性负载时的结构示意图；
图4为本发明实施例3所述的一种可控硅电源采用三相系统时的结构示意图；
图5为本发明实施例4所述的一种可控硅电源的驱动控制方法中带变压器负载时变压器带假负载情况下的结构示意图；
图6为本发明实施例4所述的一种可控硅电源的驱动控制方法中电源带变压器负载驱动不做限制时电压电流相位实时检测示意图；
图7为本发明实施例4所述的一种可控硅电源的驱动控制方法中电源带变压器负载进行驱动限制时电压电流相位实时检测示意图；
图8为本发明实施例4所述的一种可控硅电源的驱动控制方法中电压电流相位计算的流程示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种可控硅电源的驱动控制方法，包括以下步骤：
S1：采集电网电压以及所述可控硅电源的输出电流；
S2：对所述电网电压以及所述可控硅电源的输出电流进行基波相位分析，获取所述电网电压以及所述可控硅电源的输出电流的相位差角；所述相位差角＝|所述电网电压的相位-所述可控硅电源的输出电流的相位|。所述基波相位分析包括以下步骤：
S21：将当前采样点的采集值存到缓冲寄存器中，并将所述采集值与所述缓冲寄存器中前一个电网采样周期对应采样点的采集值相减，得到第一差值，所述电网采样周期的电网频率为aHz，所述采样点的采样频率为bHz，b>a>0；aHz依据当地电网频率进行取值，默认为50Hz；
S22：将所述第一差值分别与aHz电网相位的正弦和余弦相乘；并分别将相乘后的数据与当前所述电网采样周期前一个采样点对应的计算量相加，得到第一和值和第二和值；
S23：分别将所述第一和值和所述第二和值乘以2/N，得到输出量A和B，其中，N为一个电网采样周期中采样点的数目；
S24：对所述输出量A和B进行标准反正切函数计算，输出所述电网电压和/或所述可控硅电源的输出电流的相位值。
S3：将所述相位差角作为所述可控硅电源的移相角度限制量，限制所述可控硅电源输出的驱动相位。其中，所述驱动相位的上限值＝初始上限值-所述相位差角。
实施例2
一种可控硅电源，包括接入电网的可控硅功能模块以及与所述可控硅功能模块电连接的控制芯片，所述控制芯片采用实施例1所述的驱动控制方法。
所述可控硅功能模块为单向可控硅或双向可控硅。
所述控制芯片采用单片机、ARM、DSP或FPGA，其采样频率满足[1KHZ，100KHZ]。
如图2和图3所示，所述可控硅电源的负载为感性负载或单相变压器时，所述控制芯片通过调节所述可控硅功能模块的触发驱动角度信号控制所述可控硅电源的输出。变压器在系统中存在漏感，因此呈现感性负载特征。
实施例3
如图4所示，本实施例与实施例2的区别在于，所述可控硅电源为三相系统，且每个相位中设有一个所述可控硅功能模块。
实施例4
本实施例为实施例1所述方法在实施例2所述一种可控硅电源中的实际应用例。
在单相可控硅电源系统中，以变压器负载为例，当接入变压器负载时，就存在空载电流，此时变压器副边即使不带其它负载，系统都会存在感性无功电流流通。此时如果控制变压器输出电压，当控制输出电压到系统额定时，可控硅的触发驱动将推满整个电网采样周期并产生微调，有时不能控制有效导通，有时不能自然有效关断，如果不做驱动限制，那么变压器的空载电流将会逐渐增大，变压器也将逐渐偏磁，这与变压器直接接电网效果完全不同。而变压器副边带负载时，如果负载瞬态变化剧烈，也会导致系统不同时间呈现不同的感性特征。此时驱动上不做控制，系统容易因偏磁而过流。很多系统因无法控制变压器空载而在变压器原副边带上假负载，避免出现完全空载的情况，如图5所示，但是这又导致系统效率降低，损耗增加，电源体积增大。
在变压器偏磁过程中，电流过零位置也会导致电网电压出现尖峰，电流在几个电网采样周期中将增大，如果不做保护，系统将损坏。如图6所示，图中检测了电网电压与变压器原边输出电流。在控制输出电压时，可控硅驱动推到接近180°位置，此时空载变压器电流将逐渐增大，正负半波不对称，最终造成过流。实际系统即使不推到180°位置，只要超过了电感基波电流相位角度，都会出现这种现象。
在本实施例实施方案中，我们实时检测电网电压与输出电流，对两个信号进行基波相位分析，得出相位差值。感性负载电流滞后于电压，因此将此差值作为最终移相驱动的限制角度，比如当电流滞后于电网电压30°时，那么可控硅导通角度只能从电网过零同步0°位置到150°位置之间。此时输出控制调节器根据需要的输出电压、电流或者功率调节，最大导通角度即为150°。当负载突变时，如图7所示，变压器带载中突然空载，此时有变压器漏感空载电流流通，系统呈现大感性，，经过一个电网采样周期，触发角度被有效限制，系统能在电流过零时有效自然关断，随后即能有效的控制导通。变压器不会出现偏磁失控，系统能够稳定输出，一个电网采样周期也不会造成电流严重突变，偏磁能量可控。
在本实施例技术方案中，检测电网电压与输出电流进行相位角控制。电网电压在系统中作为电源的同步控制，控制驱动过零起始位置。现在的控制芯片都有较高的处理速度，因此可以定义的采样范围从1KHz到100KHz都能满足需求。本实施例定义10KHz的频率采样电网电压与输出电流，因此t＝100uS。电网以50Hz频率为周期频率，因此可得周期采样点数N＝200。50Hz相位wt也将以10KHz频率不断增量自动生成。如图8如所示，电压V，电流I经过采样后，存储于数据buffer中，当前采集量与前一个电网采样周期的对应采集量(Z-N)相减，与50Hz不断增加的相位计算的正弦余弦相乘。相乘的数据量经过与自身前一个采样点的计算量(Z-1)相加，输出量乘以2再除以采样点数N，最终输出量为A与B。此输出量经过atan2标准反正切函数计算后分别得出V、I的相位值，其中，Z-N为之前第N个采样点的输出值，Z-1为上一个采样点的输出值。
得出的电压电流相位值经过差值计算后，得出电流滞后电压的相位角度。以此相位角度作为驱动可控硅的角度限制量，比如电流滞后电压30°相位，则相位差为30°。假设电源以电压正向到负向的过零位置作为同步，起始角度0°，最大导通角度为180°，经过限制量处理后，最大导通角度被限制为180°-30°＝150°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控硅电源的驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集电网电压以及所述可控硅电源的输出电流；
S2：对所述电网电压以及所述可控硅电源的输出电流进行基波相位分析，获取所述电网电压以及所述可控硅电源的输出电流的相位差角，所述相位差角＝|所述电网电压的相位-所述可控硅电源的输出电流的相位|；
S3：将所述相位差角作为所述可控硅电源的移相角度限制量，限制所述可控硅电源输出的驱动相位，所述驱动相位的上限值＝初始上限值-所述相位差角。
2.根据权利要求1所述的一种可控硅电源的驱动控制方法，其特征在于，所述步骤S2中所述基波相位分析包括以下步骤：
S21：将当前采样点的采集值存到缓冲寄存器中，并将所述采集值与所述缓冲寄存器中前一个电网采样周期对应采样点的采集值相减，得到第一差值；
S22：将所述第一差值分别与电网相位的正弦和余弦相乘；并分别将相乘后的数据与当前所述电网采样周期前一个采样点对应的计算量相加，得到第一和值和第二和值；
S23：分别将所述第一和值和所述第二和值乘以2/N，得到输出量A和B，其中，N为一个电网采样周期中采样点的数目；
S24：对所述输出量A和B进行标准反正切函数计算，输出所述电网电压和/或所述可控硅电源的输出电流的相位值。
3.一种可控硅电源，包括接入电网的可控硅功能模块以及与所述可控硅功能模块电连接的控制芯片，其特征在于，所述控制芯片采用权利要求1-2任一所述驱动控制方法。
4.根据权利要求3所述的一种可控硅电源，其特征在于，所述可控硅电源的负载为感性负载或单相变压器时，所述控制芯片通过调节所述可控硅功能模块的触发驱动角度信号控制所述可控硅电源的输出。
5.根据权利要求3所述的一种可控硅电源，其特征在于，所述可控硅电源为三相系统或单相系统，且每个相位中设有至少一个所述可控硅功能模块。
6.根据权利要求3所述的一种可控硅电源，其特征在于，所述可控硅功能模块为单向可控硅或双向可控硅。
7.根据权利要求3所述的一种可控硅电源，其特征在于，所述控制芯片的采样频率∈[1KHZ，100KHZ]。
8.根据权利要求3所述的一种可控硅电源，其特征在于，所述控制芯片采用单片机、ARM、DSP或FPGA。
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