CN87105303A - 用于可控硅的电荷平衡式控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明用于可控硅零电压切换控制，由于利用电荷平衡式同步电压-频率转换原理将模拟的或数字的控制信号转换成与被控电源同步的频率信号，此频率信号控制可控硅作最合理的导通与截止，从而克服了一般零电压切换控制精度低，输出功率波动大的缺点。特别适用于要求电磁干扰小，控制精度要求高的任何电加热温度控制器。

Description

本发明一般涉及可控硅的交流控制方法，更具体地说，涉及利用电荷平衡式同步电压-频率转换的原理产生可控硅的零电压切换控制信号的方法及装置。

可控硅交流控制一般可以分成两类：

a）相位控制。此类控制虽然精度高，输出功率波动小，但由于会产生极强烈的电磁干扰，所以在大功率调节，特别是大功率电加热温度控制上，已经用得越来越少了。

b）零电压切换。由于在零电压下切换，所以大大减少了切换时的电磁干扰。目前零电压切换一般采用时间比例式控制，但这种控制方式存在着两个大缺点。以电加热温度控制为例，设交流电源的频率为50Hz，时间比例式的控制周期为1秒，则对于50%的输出功率，可控硅将连续导通25个周期，然后连续截止25个周期。由于零电压切换最短的导通时间为一个交流电源周期，很明显，这时的控制精度将低于1/25，既4%，如果输出功率小于50%，控制精度还将进一步降低。若要提高控制精度至0.1%，则需把控制时间周期延长至40秒，20秒连续导通，20秒连续截止。但对于热惯性较小的系统来说，这种连续导通与截止所引起的温度波动将大大超过0.1%。延长控制时间周期，从功率的角度来说，虽可提高精度，但由于功率波动变大，同样导致控制精度的降低，这是时间比例式控制所无法克服的缺点。

因此，本发明的一个目的在于提供一种在零电压切换的基础上又能克服上述缺陷的可控硅控制方法及装置，也就是在于提供控制可控硅周期性导通与截止的方法和装置。本发明的另一个目的在于提供结合微处理机并运用本发明的方法控制可控硅的方法和装置。

本发明提出的频率式控制方式是使可控硅作周期性的导通与截止，而非连续式的导通与截上。既对于50%的输出功率，可控硅将一个周期导通，一个周期截止，彼此相间，这就大大减小了输出功率的波动。这种控制方式对于可控硅的控制是以改变控制信号的频率来达到的，所以称其为频率式控制。但到目前为止，还没有一种装置能够有效地产生这种频率控制信号。本发明利用电荷平衡式同步电压-频率转换原理将模拟的或者数字的控制信号转换成与被控电源同步的频率信号，从而提供了产生这种频率控制信号的方法与装置。

本文将参照附图以实施例进一步对本发明进行叙述，其中

图1    为说明本发明的原理的简图及各个电路单元的相应位置处的电压波形图;

图2    为按照本发明的一个实施例中一实用的单相控制电路的简图;

图3    为本发明的另一个用于与图2中的电路配合以进行三相功率控制的实施例的简图。

图1为本发明的基本原理图。同步脉冲发生器①由零电压比较器组成，将交流电源信号转换成矩形脉冲供给钟控D触发器作为钟信号，这是零电压切换不可缺少的同步信号，其波形如B点波形。电荷平衡式同步电压-频率转换器是本发明的核心，由缓冲器②积分器③钟控D触发器④组成。正的电压控制信号经缓冲器输入积分器的负输入端，由于积分作用，积分器输出端C点的电位线性下降，当C点电位降到钟控D触发器的触发电位以下时（这时钟控D触发器兼作电压比较器），钟控D触发器接受同步脉冲上升缘的触发将 Q触发成高电位，这时与门⑤两个输入端均为高电位，所以输出端D点也为高电位，开关K接通负基准电压，若负基准电压产生的电流大于正输入电压产生的电流，则积分器反向积分，C点电位线性上升，波形如C点所示波形。开关K导通的时间我们称它为反向积分期，它与同步脉冲的正周期相重合，既等于半个交流电源周期（若开关控制接 Q则为一个交流电源周期）。当反向积分期一结束，开关K关断，积分器又对输入电压积分，C点电位又再线性下降，这样周而复始以保持系统处于动态平衡。由于开关每次导通所放掉的电荷是一定的，所以开关导通的频率与输入电压成正比，其波形如D点的波形。D点输出的矩形脉冲频率信号，其前、后缘与交流电源的零点重合，此信号经驱动器⑥以后再对它进行微分既可得E点的触发信号，这触发信号正是零电压切换的触发控制信号，所以开关每导通一次，可控硅也被触发导通一个周期，波形如F点所示。触发控制信号可以直接输出，也可以经脉冲变压器或其它界面电路⑦隔离输出。

A点的输入信号如果取自F点，则可适用于任何功率因数的负载，开关控制也可接 Q，虽然效果一样但波形却不同，负基准电压的反向积分电阻也应增大一倍。

各点波形示于图1的下部，并且分别图示出100%（满度输入），76%，49%三种不同输入所产生的不同波形。

在要求不太高的情况下，图2给出一个廉价且实用的单相控制电路，与图1不同，双向可控硅是由负半周开始导通的，在正半周结束后截止，因为对于双向可控硅来说似乎在正半周结束后截止工作会稳定一些。本电路由四个运算放大器和四个与非门组成，四个与非门完成类似钟控D触发器的作用。由于同步脉冲发生器的输入信号是由双向可控硅上取得的，所以适用于任何功率因数的负载。触发信号是宽脉冲信号，由运算放大器直接输出。调节运算放大器输入端的电容或反馈电阻可以改变脉冲以适应电感性负载。本电路不止在电加热上，甚至在风扇调速上一样表现出色。如果负载为电感性时，则在双向可控硅上并联RC可以改善工作状态。

图3由四个运算放大器和四个与非门组成，与图2的单相电路组合起来可以组成一个三相四线制的功率控制器。

根据电荷平衡式同步电压-频率转换原理，同样可以用微处理机程式将数字化的控制信号转换成与被控电源同步的频率控制信号来达到控制可控硅的目的，基本方法如下：

1）将经过计算（如PID计算）处理过的控制数据转换成0～N之间的数。因叙述需要，设此数值为A。“0”代表可控硅全关断、N代表可控硅全开通。N可以是零以外的任何正数。为叙述方便，这里设N为1，既A为0～1之间的小数。小数点后面的位数由精度要求而定，例A＝0.49。

2）设定一累积器或暂存器，使其个位状态作为输出。因叙述需要，设累积器的数值为B。例B＝0.00。（初始置零）。

3）在同步脉冲（和模拟电路的矩形同步脉冲一样）的前缘将数值A加于累积器上。例B＝0.49，（0.00+0.49）个位状态为“0”，既输出为“0”。

4）在同步脉冲的后缘将累积器的个位置“0”，既将输出置“0”，而小数部分的数值保持不变。（既若B≥N则将B-N，若B＜N则保留原来B的数值。）例B＝0.49。

重复步骤3，B＝0.98（0.49+0.49）输出为“0”;

重复步骤4，B＝0.98（保持原数值）输出为“0”;

重复步骤3，B＝1.47（0.98+0.49）输出为“1”;

重复步骤4，B＝0.47（1.47-1）输出为“0”;

重复步骤3，B＝0.96（0.47+0.49）输出为“0”;

重复步骤4，B＝0.96（保持原数值）输出为“0”;

重复步骤3，B＝1.45（0.96+0.49）输出为“1”;

重复步骤4，B＝0.45（1.45-1）输出为“0”。

重复步骤3～4，这样周而复始可以达到与模拟电路一样，甚至更精确的控制效果。

控制数值A可按计算结果随时改变。

当A＝0.49时，输出波形与图1下部49%中的D点波形一样，经驱动器和界面电路以后既可控制可控硅。

频率式控制是一种零电压切换控制，所以它同样具有电磁干扰小的优点。又由于利用电荷平衡式同步电压-频率转换原理。将模拟的或数字的控制信号转换成与被控电源同步的频率信号，虽然由于同步的原因，其周期的不均匀度为一个交流电源周期，但由于电荷平衡的原因，却不因此失去精度，因为电荷平衡过程是一种累程平衡的过程，这可以从前述数字式转换很清楚地看出来。所以本控制装置具有干扰小，线性好，输出功率均匀，控制精度高等优点，是至目前为止唯一能够同时满足要求越来严格的电磁干扰限制与起来越高的控制精度要求的可控硅控制装置，特别适用于大功率电加热温度控制。

本发明最好的实施方式可分成两种方式：

a）模拟控制方式。这种方式最好根据图1线图路原理，制成专用的集成块，这将给电加热温度控制带来很大的发展。

b）微处理机数字方式。因为现代精密的控制系统都带有微处理机（既CPU），充分发挥微处理机的作用，以微处理机程式的方式，将数字化的控制信号直接转换成与电源同步的频率控制信号，这就避免了将数字控制信号转换成模拟信号，再将模拟控制信号转换成频率控制信号所产生的麻烦。

综上所述，对本技术领域中的熟练的技术人员所可设想的、包含在本发明说明书和权利要求书中所叙述的内容及精神的各种可能的改进或改良，均应属于本发明的专利权限范围之内。

Claims (5)

1、可控硅的交流控制方法，该方法以零电压切换为基础，其特征在于利用电荷平衡式同步电压-频率转换原理，将模拟的或者数字的控制信号转换成与被控电源同步的频率信号，并以此频率信号去控制单向的或者双向的可控硅作零电压切换。

2、根据权利要求1的可控硅交流控制方法，其特征在于利用零电压比较器将被控的交流信号转换成矩形的同步脉冲信号作为电荷平衡式同步电压-频率转换器的同步信号，并以此矩形脉冲信号的前、后缘作为触发信号去控制单向的或者双向的可控硅作零电压切换。

3、根据权利要求1和2中的可控硅交流控制方法，其特征在于结合任何与可控硅控制有关的控制系统里的微处理机以所述微处理机程式的方法将数字化的控制信号直接转换成与被控电源同步的频率信号，并以此信号去控制单向的或者双向的可控硅作零电压切换。

4、可控硅的交流控制装置，该装置以零电压切换为基础，其特征在于提供电荷平衡式同步电压-频率转换的装置以将模拟的或者数字的控制信号转换成与被控电源同步的频率信号，并以该同步频率信号去控制单向的或者双向的可控硅作零电压切换。

5、根据权利要求4的装置，其特征在于所述装置可结合任何与可控硅控制有关的控制系统里的微型处理机，以所述微处理机程式的方法将数字化的控制信号接转换成与被控电源同步的频率信号，并以此信号去控制单向的或双向的可控硅作零电压切换。

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