劉 勝, 陳 娟, 李進(jìn)濤, 于 丹

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

DKSZ-3型電力電子實(shí)驗(yàn)裝置采用的集成化晶閘管移相觸發(fā)電路屬于模擬電路,由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成與放大輸出等部分構(gòu)成。該觸發(fā)電路由 3片集成觸發(fā)電路芯片KC004和1片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KC041組成,存在控制精度較低、調(diào)試?yán)щy、故障率高、對(duì)稱度較差、只能由示波器的波形推測(cè)導(dǎo)通角等缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]提出一種新型的晶閘管數(shù)字化觸發(fā)電路。在同步環(huán)節(jié)采用每周提供一個(gè)同步脈沖的方法,即單通道定時(shí)法,利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的自啟動(dòng)方式,產(chǎn)生6個(gè)同步脈沖信號(hào)[1]。在這種情況下,三相電源的波動(dòng)會(huì)引起誤差。在移相控制環(huán)節(jié),將 α分為3個(gè)區(qū)段,當(dāng)α大于60°時(shí),通過參考點(diǎn)前移來防止脈沖漏相,實(shí)驗(yàn)證明,在α接近60°或者120°時(shí),運(yùn)用此方法會(huì)出現(xiàn)脈沖漏相。文中設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)ATmega16的數(shù)字觸發(fā)電路通過增加檢測(cè)電路和充分利用單片機(jī)的中斷和定時(shí)器資源,優(yōu)化了同步和移相控制兩個(gè)環(huán)節(jié),減小了誤差,不會(huì)出現(xiàn)脈沖漏相。其移相觸發(fā)角α由鍵盤輸入,液晶LCM128645ZK顯示相關(guān)信息。

1 數(shù)字晶閘管觸發(fā)器

1.1 數(shù)字晶閘管觸發(fā)器的控制原理

在三相橋式全控整流電路中,將一個(gè)周期按自然換相點(diǎn)等分為6個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間為60°。區(qū)間Ⅰ(自然換相點(diǎn)1～2區(qū)間):VT1和VT6被觸發(fā)導(dǎo)通;Ⅱ(自然換相點(diǎn)2～3區(qū)間):VT1和VT2被觸發(fā)導(dǎo)通;Ⅲ(自然換相點(diǎn)3～4區(qū)間):VT3和VT2被觸發(fā)導(dǎo)通;Ⅳ(自然換相點(diǎn)4～5區(qū)間):VT3和VT4被觸發(fā)導(dǎo)通;Ⅴ(自然換相點(diǎn)5～6區(qū)間):VT5和VT4被觸發(fā)導(dǎo)通;Ⅵ(自然換相點(diǎn)6～1區(qū)間):VT5和VT6被觸發(fā)導(dǎo)通。一個(gè)周期完成后,以后各周期重復(fù)上述工作過程。

為了保證三相全控橋在合閘工作時(shí)能形成電流通路,或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通,必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)施加觸發(fā)脈沖。為此,可采用雙窄脈沖法。雙窄脈沖法的實(shí)質(zhì)有兩個(gè)含義:一是給兩組應(yīng)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管同時(shí)送去觸發(fā)脈沖;二是在一個(gè)周期內(nèi),對(duì)每一個(gè)晶閘管相繼給予兩個(gè)觸發(fā)脈沖,其間隔為60°,從而保證在換相或合閘時(shí)均有相鄰兩個(gè)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通[2]。雙窄脈沖的觸發(fā)過程如圖1所示。

圖1 三相全控橋式整流電路的觸發(fā)脈沖

1.2 數(shù)字晶閘管觸發(fā)器的構(gòu)成

數(shù)字晶閘管觸發(fā)器與模擬晶閘管觸發(fā)器一樣,主要由同步信號(hào)檢測(cè)移相控制電路、脈沖形成電路、脈沖分選電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路4部分組成。自然換相點(diǎn)為線電壓Uac,Uc b,Uba的過零點(diǎn),同步信號(hào)是線電壓經(jīng)檢測(cè)電路得到的下降沿,它們作為外部中斷源在ATmega16中實(shí)現(xiàn)同步,ATmega16通過軟件完成移相計(jì)算,按移相要求輸出觸發(fā)脈沖。

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 改進(jìn)的數(shù)字觸發(fā)技術(shù)

2.1 脈沖同步的改進(jìn)

同步概念有兩個(gè)含義:一是觸發(fā)脈沖的頻率與主回路電壓的頻率要一致;二是輸出脈沖的相位要符合主回路電壓在相位上的要求[2]。Uac,Ucb,Uba降壓后,接在雙光耦上如圖3所示。

圖3 線電壓檢測(cè)電路以及得到的同步信號(hào)

TPL521-2為光電耦合器,起隔離作用。當(dāng)正弦交流電壓接近零時(shí),光電耦合器的兩個(gè)發(fā)光二極管截止,三極管Q1基極的偏置電阻電位使之導(dǎo)通,產(chǎn)生負(fù)脈沖信號(hào)[4]。Q1的輸出端分別接到ATmega16的外部中斷請(qǐng)求源輸入引腳PORTD.2,PORTD.3,PORTB.2,中斷設(shè)置下降沿有效。在每一個(gè)電源周期,線電壓Uac,Uba,Uc b的過零點(diǎn)將各輸出兩個(gè)同步下降沿,1個(gè)周期內(nèi)一共輸出6個(gè)同步下降沿,在相位上相差60°,它們是6個(gè)工作區(qū)間的參考點(diǎn)。

相電壓檢測(cè)電路和得到的同步信號(hào)如圖4所示。

圖4 同步信號(hào)檢測(cè)電路和得到的同步信號(hào)

相電壓經(jīng)降壓后由LM339電壓比較器進(jìn)行檢測(cè),LM339輸出與相電壓同頻的方波,一個(gè)周期內(nèi)得到3個(gè)分別能夠檢測(cè)Uao,Ubo,Uco相位正負(fù)的方波,經(jīng)光電隔離電路接到ATmega16的查詢口PORTA.0～PORTA.2。

3個(gè)外部中斷源和3個(gè)查詢口結(jié)合,能準(zhǔn)確得到與6個(gè)自然換相點(diǎn)同步的6個(gè)下降沿。AT-mega16的端口PORTC.0～PORTC.5用于輸出6路觸發(fā)脈沖信號(hào),采用了低電平為有效觸發(fā)晶閘管的信號(hào)。6路脈沖信號(hào)經(jīng)過光耦接到脈沖變壓器的初級(jí)繞組。邏輯關(guān)系見表1。

表1 邏輯關(guān)系

2.2 脈沖移相的改進(jìn)

同步信號(hào)作用外部中斷,在外部中斷服務(wù)程序里啟動(dòng)定時(shí)器。首先定時(shí)α電角度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tα,觸發(fā)脈沖將在定時(shí)器的中斷時(shí)刻發(fā)出;定時(shí)器中斷服務(wù)程序重新寫入定時(shí)器的初值,再定時(shí)脈沖寬度所對(duì)應(yīng)的時(shí)間tmk,觸發(fā)脈沖將在定時(shí)器的中斷時(shí)刻結(jié)束;退出中斷。

主程序包括系統(tǒng)初始化、同步信號(hào)判定、顯示程序、控制角的輸入與計(jì)算、脈沖信號(hào)的輸出、系統(tǒng)啟動(dòng)復(fù)位等。外部中斷服務(wù)子程序及主程序流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 外部中斷服務(wù)子程序

圖6 主程序

2.3 脈沖驅(qū)動(dòng)以及人機(jī)界面

脈沖驅(qū)動(dòng)電路包括脈沖放大器和脈沖變壓器,驅(qū)動(dòng)電路主要由光電隔離和脈沖變壓器組成。由ATmega16輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)經(jīng)VT1,VT2晶體管放大后經(jīng)脈沖變壓器輸出至晶閘管的門級(jí)和陰極。6路信號(hào)的功放原理和硬件電路圖完全一樣,其中的一路如圖7所示。

圖7 脈沖驅(qū)動(dòng)電路

人機(jī)界面由鍵盤和液晶組成,如圖8所示。

圖8 人機(jī)界面

鍵盤實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入導(dǎo)通角α,LCD用于顯示相關(guān)信息。鍵盤接口為矩陣式,LCD選用LCM128645ZK。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

將設(shè)計(jì)的數(shù)字晶閘管觸發(fā)器應(yīng)用于三相橋式全控整流電路中,整流電源為三相220V交流電源,電源頻率為50 Hz,頻率波動(dòng)范圍為±5%,負(fù)載為阻感性負(fù)載。

實(shí)驗(yàn)表明,同步環(huán)節(jié)利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的自啟動(dòng)方式產(chǎn)生6個(gè)同步脈沖信號(hào)時(shí),系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)用了多個(gè)外部中斷和定時(shí)器,需要設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí),而MCS-51的中斷系統(tǒng)具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí),只能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷服務(wù)程序嵌套,會(huì)出現(xiàn)中斷得到響應(yīng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)被其它中斷源所中斷的問題,造成脈沖漏相或者脈沖移相。另外,檢測(cè)電路的死區(qū)和三相電源的波動(dòng)都會(huì)引起很大的誤差。為了減小誤差和解決脈沖漏相、移相的問題,基于ATmega16的數(shù)字觸發(fā)電路通過增加檢測(cè)電路和充分利用單片機(jī)的外部中斷和定時(shí)器資源,能夠通過硬件電路準(zhǔn)確找到6個(gè)工作區(qū)間的起始點(diǎn),所有定時(shí)由硬件完成,不存在中斷嵌套,很好地優(yōu)化了同步和移相控制兩個(gè)環(huán)節(jié),減小了誤差,不會(huì)出現(xiàn)脈沖漏相或移相。6路雙窄脈沖相位互差60°,其中的一路如圖9所示。

圖9 雙窄脈沖

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于ATmega16的數(shù)字晶閘管觸發(fā)器解決了模擬觸發(fā)電路各路移相控制存在某種程度的不一致和觸發(fā)效果差的問題,在導(dǎo)通角α可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)脈沖不會(huì)漏相或者移相,6個(gè)工作區(qū)間的參考點(diǎn)不受電網(wǎng)中各種因素的影響,能夠被準(zhǔn)確檢測(cè),產(chǎn)生的脈沖穩(wěn)定性好,相序自適應(yīng),抗干擾性強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電阻、電容參數(shù)的選擇對(duì)減小誤差至關(guān)重要,觸發(fā)器的硬件電路還可以進(jìn)一步優(yōu)化,對(duì)檢測(cè)電路死區(qū)的軟件補(bǔ)償有待進(jìn)一步研究。

[1]李慧,蘇宏英,方昌始.晶閘管調(diào)功器的一種數(shù)字化觸發(fā)電路[J].工業(yè)加熱,2004,33(1):42-45.

[2]林忠岳.現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[3]王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4]于新潮.雙向可控硅過零觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)[J].包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,10(1):13-14.

[5]徐德鴻,馬皓,汪槱生.電力電子技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[6]黃俊,王兆安.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[7]潘孟春,張玘,陳長(zhǎng)明.電力電子與電力傳動(dòng)[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,2006.

[8]張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[9]張德江.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.