CN113934243A - 用于并联晶闸管均温控制方法及系统 - Google Patents

用于并联晶闸管均温控制方法及系统 Download PDF

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CN113934243A CN202111182681.4A CN202111182681A CN113934243A CN 113934243 A CN113934243 A CN 113934243A CN 202111182681 A CN202111182681 A CN 202111182681A CN 113934243 A CN113934243 A CN 113934243A
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Abstract

本发明提供了一种用于并联晶闸管均温控制方法及系统，包括在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样；计算温度的均值，用温度均值作为参考温度；计算每个晶闸管的导通角；对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位；根据计算的导通角和相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。本发明有效的改善了晶闸管的温升；在高温晶闸管还未导通的情况下，虽然所有电流都流过了低温晶闸管，但这个时候的电流刚过零点，这种情况下不会改变晶闸管的最大电流，所以能大大提高晶闸管的利用率；在温度环境恶劣的工业场合，能显著提高TSC应用的可靠性。

Description

用于并联晶闸管均温控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子及计算机控制的技术领域，具体地，涉及用于并联晶闸管均温控制方法及系统，尤其涉及一种用于TSC的并联晶闸管均温控制方法。
背景技术
随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，各种新型的自动、快速无功补偿装置相继出现,晶闸管投切电容器(TSC)就是一种广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置。
随着TSC的成本压力越来越大，采用晶闸管并联的方式可以大大降低成本。现有的技术中，对于并联的晶闸管都是采用相同的驱动信号进行控制。并联的晶闸管同时导通和关断。
在公开号为CN112187070A的专利文献中公开了一种晶闸管并联交替导通整流电路，包括整流电路与控制模块；所述控制模块，通过控制端与所述整流电路连接，用于控制所述整流电路中的并联的晶闸管的交替导通；所述整流电路的上半桥的第一桥臂和第二桥臂分别由两个并联的晶闸管组成；下半桥的第三桥臂和第四桥臂分别由至少一个二极管组成；其中，所述第一桥臂与所述第二桥臂上的两个并联的晶闸管的阴极为所述整流电路的正输出端；所述第三桥臂和所述第四桥臂上的二极管的阳极为所述整流电路的负输出端；所述整流电路的正输出端与负输出端分别连接电容的两端。
由于并联电路的无法完全一致，以及并联晶闸管的散热条件差异大，在实际应用中并联的一对晶闸管经常会出现温度差异很大的情况。在设计中要按照高温晶闸管的条件进行选型，造成了成本的浪费。也使得高温晶闸管在应用中可靠性差。因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于并联晶闸管均温控制方法及系统。
根据本发明提供的一种用于并联晶闸管均温控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样；
步骤S2：计算温度的均值，用温度均值作为参考温度；
步骤S3：计算每个晶闸管的导通角；
步骤S4：对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位；
步骤S5：根据步骤S3计算的导通角和步骤S4的相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。
优选地，所述步骤S2中参考温度的计算公式为：
Figure BDA0003297904040000021
其中，N为并联晶闸管的数量，T(i)为每个晶闸管测量所得的温度，Tref表示参考温度。
优选地，所述步骤S3包括如下步骤：
步骤S3.1：计算晶闸管的温度与参考温度Tref的差值；
T1err＝Tref-T1
其中，Tref为步骤S2计算所得的平均温度，T1位1号晶闸管的温度；
步骤S3.2：对温度差值进行比例积分运算，比例的系数为kp，积分系数为ki；kp和ki的值通过构建晶闸管损耗和温升系统的数学模型计算得到；比例环节的输出为k_out＝kp*T1err；其中k_out为比例环节的输出；
步骤S3.3：计算导通角
Figure BDA0003297904040000022
步骤S3.4：如果有N个晶闸管并联，重复步骤S3.1-步骤S3.3分别计算每个晶闸管的导通角。
优选地，所述步骤S3.2中积分环节的输出为I_out(k)＝I_out(k-1)+ki*T1err,其中I_out(k)为当前积分环节的输出，I_out(k-1)为上一拍积分环节的输出；将比例输出和积分输出相加得到KI＝I_out+k_out。
优选地，所述步骤S4中如果晶闸管为正向管并且导通角为0，则在市电电压的谷底处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在谷底前5ms处；如果导通角大于0，从谷底处滞后
Figure BDA0003297904040000031
处开始发出脉冲，θ为步骤3中第3步计算所得的导通角，脉冲宽度为10ms；如果晶闸管为反向管并且导通角为0，则在市电电压的峰值处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在峰值前5ms处；如果导通角大于0，从峰值处滞后
Figure BDA0003297904040000032
Figure BDA0003297904040000033
处开始发出脉冲，脉冲宽度为10ms。
本发明还提供一种用于并联晶闸管均温控制系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样；
模块M2：计算温度的均值，用温度均值作为参考温度；
模块M3：计算每个晶闸管的导通角；
模块M4：对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位；
模块M5：根据模块M3计算的导通角和模块M4的相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。
优选地，所述模块M2中参考温度的计算公式为：
Figure BDA0003297904040000034
其中，N为并联晶闸管的数量，T(i)为每个晶闸管测量所得的温度，Tref表示参考温度。
优选地，所述模块M3包括如下模块：
模块M3.1：计算晶闸管的温度与参考温度Tref的差值；
T1err＝Tref-T1
其中，Tref为模块M2计算所得的平均温度，T1位1号晶闸管的温度；
模块M3.2：对温度差值进行比例积分运算，比例的系数为kp，积分系数为ki；kp和ki的值通过构建晶闸管损耗和温升系统的数学模型计算得到；比例环节的输出为k_out＝kp*T1err；其中k_out为比例环节的输出；
模块M3.3：计算导通角
Figure BDA0003297904040000035
模块M3.4：如果有N个晶闸管并联，重复模块M3.1-模块M3.3分别计算每个晶闸管的导通角。
优选地，所述模块M3.2中积分环节的输出为I_out(k)＝I_out(k-1)+ki*T1err,其中I_out(k)为当前积分环节的输出，I_out(k-1)为上一拍积分环节的输出；将比例输出和积分输出相加得到KI＝I_out+k_out。
优选地，所述模块M4中如果晶闸管为正向管并且导通角为0，则在市电电压的谷底处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在谷底前5ms处；如果导通角大于0，从谷底处滞后
Figure BDA0003297904040000041
处开始发出脉冲，θ为模块3中第3步计算所得的导通角，脉冲宽度为10ms；如果晶闸管为反向管并且导通角为0，则在市电电压的峰值处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在峰值前5ms处；如果导通角大于0，从峰值处滞后
Figure BDA0003297904040000042
Figure BDA0003297904040000043
处开始发出脉冲，脉冲宽度为10ms。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明有效的改善了晶闸管的温升；
2、本发明在高温晶闸管还未导通的情况下，虽然所有电流都流过了低温晶闸管，但这个时候的电流刚过零点，这种情况下不会改变晶闸管的最大电流，所以能大大提高晶闸管的利用率；
3、本发明在温度环境恶劣的工业场合，能显著提高TSC应用的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的流程原理图；
图2为一种常用的晶闸管散热方式图；
图3为正常工作时晶闸管的电流波形图；
图4为改变T2触发角后晶闸管的电流波形图；
图5为不同导通角的驱动脉冲图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明旨在提供一种用于并联晶闸管均温控制方法及系统，解决应用中并联的晶闸管温度差异大的问题。
参照图1和图2，晶闸管并联应用中由于不同晶闸管的通态压降有差异，所以并联晶闸管上的电流有差异，损耗也会有差异。散热条件的差异会更大图2中1个散热片上装有有4个晶闸管，左边晶闸管靠近风扇散热条件要优于右边的晶闸管。
参照图3和图4，T1和T2是TSC中两个并联的晶闸管，iT1是T1晶闸管的电流，iT2是T2晶闸管电流，i是T1和T2晶闸管的总电流，T1和T2的晶闸管是长时间导通的。晶闸管可以控制触发角度来改变电流波形，如果T2的温度高，那么可以加大T2的触发角减小流过T2的电流如图4，减小T1和T2的温度差。
综上所述，本发明提出一种解决并联晶闸管温度差异大的方法，通过改变高温晶闸管的触发角的方式来减小高温晶闸管的平均电流来降低其温度。
发明提出一种解决并联晶闸管温度差异大的方法，通过检测晶闸管的壳温来计算高温晶闸管的触发角，根据电流信号给出并联晶闸管的触发脉冲。本发明能解决并联晶闸管因为散热条件的差异导致并联晶闸管的温差大，可靠性低，设计裕量大的问题。
本发明包括如下步骤：
步骤S1：在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样。
步骤S2：计算温度的均值，用温度均值作为参考温度；计算公式为：
Figure BDA0003297904040000051
其中，N为并联晶闸管的数量，T(i)为每个晶闸管测量所得的温度，Tref表示参考温度。
步骤S3：计算每个晶闸管的导通角；步骤S3.1：计算晶闸管的温度与参考温度Tref的差值，以第一个晶闸管为例：
T1err＝Tref-T1
其中，Tref为步骤S2计算所得的平均温度，T1位1号晶闸管的温度。
步骤S3.2：对温度差值进行比例积分运算，比例的系数为kp，积分系数为ki。kp和ki的值可以通过构建晶闸管损耗和温升系统的数学模型计算得到。比例环节的输出为k_out＝kp*T1err。其中k_out为比例环节的输出。
积分环节的输出为I_out(k)＝I_out(k-1)+ki*T1err,其中I_out(k)为当前积分环节的输出，I_out(k-1)为上一拍积分环节的输出。
将比例输出和积分输出相加得到KI＝I_out+k_out。
步骤S3.3：计算导通角
Figure BDA0003297904040000061
步骤S3.4：如果有N个晶闸管并联，那么重复步骤S3.1-步骤S3.3分别计算每个晶闸管的导通角。
步骤S4：对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位。
步骤S5：参照图5，根据步骤S3计算的导通角和步骤S4的相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。如果晶闸管为正向管并且导通角为0，则在市电电压的谷底处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在谷底前5ms处，如果导通角大于0，从谷底处滞后
Figure BDA0003297904040000062
处开始发出脉冲(θ为步骤3中第3步计算所得的导通角)，脉冲宽度为10ms，图4中的绿色波形为θ＝45的脉冲信号。
如果晶闸管为反向管并且导通角为0，则在市电电压的峰值处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在峰值前5ms处。如果导通角大于0，从峰值处滞后
Figure BDA0003297904040000063
处开始发出脉冲，脉冲宽度为10ms。
本发明还提供一种用于并联晶闸管均温控制系统，所述系统包括如下模块：模块M1：在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样。
模块M2：计算温度的均值，用温度均值作为参考温度，计算公式为：
Figure BDA0003297904040000064
其中，N为并联晶闸管的数量，T(i)为每个晶闸管测量所得的温度，Tref表示参考温度。
模块M3：计算每个晶闸管的导通角；模块M3.1：计算晶闸管的温度与参考温度Tref的差值；
T1err＝Tref-T1
其中，Tref为模块M2计算所得的平均温度，T1位1号晶闸管的温度。
模块M3.2：对温度差值进行比例积分运算，比例的系数为kp，积分系数为ki；kp和ki的值通过构建晶闸管损耗和温升系统的数学模型计算得到；比例环节的输出为k_out＝kp*T1err；其中k_out为比例环节的输出；积分环节的输出为I_out(k)＝I_out(k-1)+ki*T1err,其中I_out(k)为当前积分环节的输出，I_out(k-1)为上一拍积分环节的输出；将比例输出和积分输出相加得到KI＝I_out+k_out。
模块M3.3：计算导通角
Figure BDA0003297904040000071
模块M3.4：如果有N个晶闸管并联，重复模块M3.1-模块M3.3分别计算每个晶闸管的导通角。
模块M4：对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位；如果晶闸管为正向管并且导通角为0，则在市电电压的谷底处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在谷底前5ms处；如果导通角大于0，从谷底处滞后
Figure BDA0003297904040000072
处开始发出脉冲，θ为模块3中第3步计算所得的导通角，脉冲宽度为10ms；如果晶闸管为反向管并且导通角为0，则在市电电压的峰值处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在峰值前5ms处；如果导通角大于0，从峰值处滞后
Figure BDA0003297904040000073
处开始发出脉冲，脉冲宽度为10ms。
模块M5：根据模块M3计算的导通角和模块M4的相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。
本发明有效的改善了晶闸管的温升；在高温晶闸管还未导通的情况下，虽然所有电流都流过了低温晶闸管，但这个时候的电流刚过零点，这种情况下不会改变晶闸管的最大电流，所以能大大提高晶闸管的利用率；在温度环境恶劣的工业场合，能显著提高TSC应用的可靠性。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于并联晶闸管均温控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样；
步骤S2：计算温度的均值，用温度均值作为参考温度；
步骤S3：计算每个晶闸管的导通角；
步骤S4：对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位；
步骤S5：根据步骤S3计算的导通角和步骤S4的相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。
2.根据权利要求1所述的用于并联晶闸管均温控制方法，其特征在于，所述步骤S2中参考温度的计算公式为：
Figure FDA0003297904030000011
其中，N为并联晶闸管的数量，T(i)为每个晶闸管测量所得的温度，Tref表示参考温度。
3.根据权利要求1所述的用于并联晶闸管均温控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
步骤S3.1：计算晶闸管的温度与参考温度Tref的差值；
T1err＝Tref-T1
其中，Tref为步骤S2计算所得的平均温度，T1位1号晶闸管的温度；
步骤S3.2：对温度差值进行比例积分运算，比例的系数为kp，积分系数为ki；kp和ki的值通过构建晶闸管损耗和温升系统的数学模型计算得到；比例环节的输出为k_out＝kp*T1err；其中k_out为比例环节的输出；
步骤S3.3：计算导通角
Figure FDA0003297904030000012
步骤S3.4：如果有N个晶闸管并联，重复步骤S3.1-步骤S3.3分别计算每个晶闸管的导通角。
4.根据权利要求1所述的用于并联晶闸管均温控制方法，其特征在于，所述步骤S3.2中积分环节的输出为I_out(k)＝I_out(k-1)+ki*T1err,其中I_out(k)为当前积分环节的输出，I_out(k-1)为上一拍积分环节的输出；将比例输出和积分输出相加得到KI＝I_out+k_out。
5.根据权利要求1所述的用于并联晶闸管均温控制方法，其特征在于，所述步骤S4中如果晶闸管为正向管并且导通角为0，则在市电电压的谷底处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在谷底前5ms处；如果导通角大于0，从谷底处滞后
Figure FDA0003297904030000021
处开始发出脉冲，θ为步骤3中第3步计算所得的导通角，脉冲宽度为10ms；如果晶闸管为反向管并且导通角为0，则在市电电压的峰值处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在峰值前5ms处；如果导通角大于0，从峰值处滞后
Figure FDA0003297904030000022
处开始发出脉冲，脉冲宽度为10ms。
6.一种用于并联晶闸管均温控制系统，其特征在于，所述系统包括如下模块：
模块M1：在并联晶闸管外壳上固定热敏电阻，通过检测热敏电阻的阻值进行温度采样；
模块M2：计算温度的均值，用温度均值作为参考温度；
模块M3：计算每个晶闸管的导通角；
模块M4：对三相电网电压进行采样，根据采样所得三相电网进行锁相计算，得到三相电压的相位；
模块M5：根据模块M3计算的导通角和模块M4的相位，以及并联晶闸管为正向管还是反相管，得到并联晶闸管的驱动波形。
7.根据权利要求6所述的用于并联晶闸管均温控制系统，其特征在于，所述模块M2中参考温度的计算公式为：
Figure FDA0003297904030000023
其中，N为并联晶闸管的数量，T(i)为每个晶闸管测量所得的温度，Tref表示参考温度。
8.根据权利要求6所述的用于并联晶闸管均温控制系统，其特征在于，所述模块M3包括如下模块：
模块M3.1：计算晶闸管的温度与参考温度Tref的差值；
T1err＝Tref-T1
其中，Tref为模块M2计算所得的平均温度，T1位1号晶闸管的温度；
模块M3.2：对温度差值进行比例积分运算，比例的系数为kp，积分系数为ki；kp和ki的值通过构建晶闸管损耗和温升系统的数学模型计算得到；比例环节的输出为k_out＝kp*T1err；其中k_out为比例环节的输出；
模块M3.3：计算导通角
Figure FDA0003297904030000031
模块M3.4：如果有N个晶闸管并联，重复模块M3.1-模块M3.3分别计算每个晶闸管的导通角。
9.根据权利要求1所述的用于并联晶闸管均温控制系统，其特征在于，所述模块M3.2中积分环节的输出为I_out(k)＝I_out(k-1)+ki*T1err,其中I_out(k)为当前积分环节的输出，I_out(k-1)为上一拍积分环节的输出；将比例输出和积分输出相加得到KI＝I_out+k_out。
10.根据权利要求6所述的用于并联晶闸管均温控制系统，其特征在于，所述模块M4中如果晶闸管为正向管并且导通角为0，则在市电电压的谷底处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在谷底前5ms处；如果导通角大于0，从谷底处滞后
Figure FDA0003297904030000032
处开始发出脉冲，θ为模块3中第3步计算所得的导通角，脉冲宽度为10ms；如果晶闸管为反向管并且导通角为0，则在市电电压的峰值处发出10ms长度的脉冲，脉冲起始处在峰值前5ms处；如果导通角大于0，从峰值处滞后
Figure FDA0003297904030000033
处开始发出脉冲，脉冲宽度为10ms。
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