海洋石油工程股份有限公司 王凱坡 王愛武 趙孟君

1.引言

大功率直流電源廣泛應(yīng)用于冶金、化工及科研領(lǐng)域，大多采用大功率整流系統(tǒng)采用晶閘管整流。大功率晶閘管整流電路對觸發(fā)電路的要求[1]是：控制精度高，實時性好，對稱度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，觸發(fā)安全可靠。然而大功率整流裝置其輸出功率可達(dá)數(shù)兆瓦，電流達(dá)數(shù)千安。在這些場合，通常電磁干擾較強(qiáng)，電網(wǎng)畸變嚴(yán)重，工作環(huán)境惡劣，這就要求控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。

本文采用單片機(jī)作為控制電路，可用軟件的方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并按一定的算法調(diào)節(jié)觸發(fā)角。由于單片機(jī)的晶振頻率可達(dá)12MHz，產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖有很高的時間精度和嚴(yán)格的對稱性。而且單片機(jī)線路具有良好的人機(jī)界面，可以方便地改變工作方式及調(diào)節(jié)參數(shù)，使調(diào)節(jié)效果最佳。同時，對輸人輸出信號的采樣，可對裝置進(jìn)行較完善的保護(hù)。

2.三相橋式全控整流電路對觸發(fā)脈沖的要求

本系統(tǒng)采用三相橋式全控整流電路作為整流電路，其原理圖如圖1所示，

三相橋式全控整流電路中，含兩個相鄰編號的晶閘管元件，其中一個晶閘管元件編號與整流回路編號相同；另一個則為前一號晶閘管元件。兩個元件的自然換相點相位差為p/3。為保證整流回路中兩個晶閘管同時得到脈沖，以形成電流通路。本系統(tǒng)采用雙窄脈沖方式實現(xiàn)上訴工作要求。

當(dāng)采用雙窄脈沖觸發(fā)方式時，觸發(fā)脈沖的寬度τ＞60°，一般取為80°-120°。因為相鄰編號的兩元件的自然換相點間時間間隔為60°，所以觸發(fā)某一號元件時，前一號元件的觸發(fā)脈沖尚未結(jié)束。這樣就可以保證各整流回路中兩個晶閘管元件同時具有觸發(fā)脈沖，并具有足夠的脈沖寬度。圖2所示為三相橋式全控整流電路雙窄脈沖觸發(fā)示意圖。圖2(a)為三相電源電壓波形及自然換相點；圖2(b)為6個晶閘管元件的觸發(fā)脈沖順序及兩組元件分別換相的順序；圖2(c)為采用雙窄脈沖觸發(fā)時的觸發(fā)脈沖。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以80C196KC為核心控制，定時輸出觸發(fā)脈沖，能夠進(jìn)行30°內(nèi)的控制角自動定位，實現(xiàn)整流控制。30°控制角自動定位是本設(shè)計的一個重點，在稍候的章節(jié)中將專門敘述。

數(shù)字觸發(fā)器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由同步信號形成，觸發(fā)角α的計算、移相及脈沖形成和分配，脈沖輸出及功率放大3個環(huán)節(jié)組成。首先將系統(tǒng)動態(tài)過程得瞬態(tài)信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變成計算機(jī)能夠接收和處理的數(shù)字量，通過軟件對數(shù)字量進(jìn)行處理，得到所要測試的控制角，通過控制α角大小，即可達(dá)到控制晶閘管觸發(fā)的時間，進(jìn)而達(dá)到整流控制的目的。

1）CPU主電路：由80C196KC為主組成的CPU電路包括程序存儲器(EPROM)、總線及讀寫控制電路以及CPU的時鐘電路、復(fù)位電路等[2]。

2）同步信號電路：80C196KC的四個高速輸入/高速輸出復(fù)用口中的兩個用作輸出口后，就只剩下兩個高速輸入口可用來作同步信號檢測。用HSI.0響應(yīng)同步信號電路的輸入中斷，得到系統(tǒng)的同步信號。

3）A/D采樣電路：80C196KC有內(nèi)嵌的10位A/D轉(zhuǎn)換器，但10位的A/D轉(zhuǎn)換器的精度只有千分之一，不能滿足該系統(tǒng)的要求。所以，本系統(tǒng)采用外接的12位A/D轉(zhuǎn)換器。

4）鍵盤控制與顯示電路：為了進(jìn)行人機(jī)對話，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線控制，并將監(jiān)測信號實時顯示出來，采用專用的8279接口芯片，配LED顯示器。需要改變一些設(shè)定值時，可以通過按鍵來實現(xiàn)。

5）隔離驅(qū)動電路：從80C196KC的高速輸出口輸出的六相脈沖需要經(jīng)過隔離、放大后輸出才能驅(qū) 動晶閘管。

4.控制角30°內(nèi)自動定位的方案

對于三相橋式全控整流電路而言。整流器輸出電壓由下式計算

式中Ud是整流器輸出電壓平均值；U2為整流變壓器二次測額定相電壓有效值；a從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角。

整流觸發(fā)電路中對觸發(fā)控制角a的精確的計算與控制相當(dāng)重要。本系統(tǒng)為了得到穩(wěn)定的輸出電流采用閉環(huán)控制的PID算法來計算觸發(fā)控制角a。這可以在一定范圍內(nèi)得到所需要的觸發(fā)控制角a的值，并能基本上實現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定。但閉環(huán)控制的PID算法只能抑制被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動，而對反饋環(huán)以外的擾動卻無能為力。

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖

圖2 三相橋式全控整流電路雙窄脈沖觸發(fā)

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

計算觸發(fā)控制角a的一個重要的前提就是要知道a=0時刻點所在（即基準(zhǔn)點的確定）。本設(shè)計采用“準(zhǔn)相對觸發(fā)”的方式來檢測同步信號，確定其自然換相點。同步認(rèn)相相對精確可靠，但這樣所得到的自然換相點的位置往往會因為同步信號電壓的漂移而存在誤差。很明顯，同步信號電壓的漂移產(chǎn)生的擾動信號不在反饋環(huán)包圍的前向通道上，閉環(huán)系統(tǒng)不能抑制這一擾動。從而使觸發(fā)過程受到影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致觸發(fā)失敗，這對大功率整流系統(tǒng)來說是絕對不允許的。這就要求設(shè)計中要解決控制角定位問題，本設(shè)計要求實現(xiàn)控制角30°內(nèi)自動定位。

4.1 解決方案

要直接得到同步電壓信號的漂移量比較困難，但我們可以由整流器輸出電壓平均值Ud，反推出觸發(fā)器實際給出的觸發(fā)控制角a。這樣得的觸發(fā)控制角a存在誤差，即包含了同步電壓信號的漂移量。此外，我們還可以PID算法[3]得以理想的自然換相的為基準(zhǔn)的觸發(fā)控制角pα。

圖4 控制角自動定位程序框圖

則：

同步電壓信號的漂移量：

這樣就可以根據(jù)同步電壓信號的漂移量'α來調(diào)整觸發(fā)角實現(xiàn)控制角a自動定位。

實測值a可有整流裝置的輸出得平均電壓Ud與控制角a的關(guān)系反推得到。本設(shè)計的控制對象為三相橋式全控整流電路，其輸出得平均電壓Ud與控制角a的關(guān)系如公式（1）所示。U2是a相電壓有效值，在設(shè)計中它們的大小可以通過A/D采樣獲得。

由公式(1)可以得到a值的計算公式：

為了縮短占用CPU的時間，編制Ud，U2比值和控制角a之間的反余弦函數(shù)表。在實際制表的時候存儲的應(yīng)是與a對應(yīng)得定時器時間常數(shù)，即一個計數(shù)值，用拖延時間表示a值。

觸發(fā)控制角αp由給定值αp經(jīng)PID運(yùn)算得到，所以在這里簡稱為給定值。

4.2 控制角自動定位的具體實現(xiàn)

通過上面的計算我們可以得到同步電壓信號的漂移量 α'= α-α ，從而可以得

p到控制觸發(fā)角的修正值α0。

要想在一個周期內(nèi)及時地對控制觸發(fā)角a的修正，控制系統(tǒng)的觸發(fā)脈沖能夠進(jìn)行360°的移相。本設(shè)計用80C196KC的高速輸出口HSO輸出脈沖，它們獨(dú)立于CPU而工作，HSO口的輸出信號可以預(yù)先設(shè)置，可以方便地進(jìn)行360°的移相。只要把0α轉(zhuǎn)化成計數(shù)值后寫入HSO的CAM中，就可以實現(xiàn)對觸發(fā)角的修正。

此外80C196KC有一種特殊的工作狀態(tài)—待機(jī)狀態(tài)，也為系統(tǒng)方案的實現(xiàn)提供了條件[4]。待機(jī)狀態(tài)是80C196系列產(chǎn)品的一種特殊的節(jié)電工作方式。在這種方式下，CPU停止工作，CPU時鐘被凍結(jié)在邏輯零狀態(tài)，但外設(shè)時鐘繼續(xù)工作。當(dāng)中斷信號到來時，CPU退出待機(jī)工作方式，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序的返回地址為鍵盤查詢，之后進(jìn)入采樣程序模塊，這樣一來，就保證了在兩次同步信號之間進(jìn)行一次采樣和控制角修正值0α的計算。

其流程圖如圖4。

5.結(jié)束語

本設(shè)計為控制角自動定位整流控制器的設(shè)計，控制對象為大功率整流電路。大功率整流電路，因為其工作條件相對惡劣，對整流控制器有更高的要求。所以本設(shè)計除了要要實現(xiàn)控制角自動定位，還要能適應(yīng)其惡劣的工作條件。上述的所有設(shè)計都是圍繞這兩方面進(jìn)行。該系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)定方便、硬件結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、調(diào)試方便、調(diào)速范圍廣、系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好、實時性強(qiáng)等特點，大大簡化硬件電路的組成，并可提高觸發(fā)器的控制精度。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]吳云,戴文.基于Intel80C196KC單片機(jī)控制的晶閘管觸發(fā)器的設(shè)計[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2005,25(2):79-82.

[3]于海生,等.微型計算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[4]劉復(fù)華.8XC196KX單片機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:清化大學(xué)出版社社,2002.