【摘要】在三相橋式整流電路中，同步電壓與主回路電壓的相序必須匹配。本文通過(guò)研究晶閘管數(shù)字觸發(fā)器的工作原理提出了一種利用線電壓與相電壓之間的相位關(guān)系通過(guò)光耦，由單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電源相序和缺相的判斷進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相序自適應(yīng)的方法。本裝置不使用變壓器或電壓互感器而是直接從電源線接入，采集到的線電壓過(guò)零點(diǎn)即為相電壓的自然換相點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)控制角度與時(shí)間之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的計(jì)算。

【關(guān)鍵詞】相序自適應(yīng)；整流；數(shù)字觸發(fā)；單片機(jī)；晶閘管

引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，整流、調(diào)壓電路中的功率元件莫過(guò)于晶閘管，而應(yīng)用最廣泛的電力電子電路之一的三相橋式整流電路也是由晶閘管元件構(gòu)成。多種控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提是對(duì)三相電源相序的掌握。利用三相同步變壓器提供同步信號(hào)是方法之一，但相序多樣性往往使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試非常繁瑣。即使有的去掉了同步變壓器，但也必須從整流變壓器輸出的較低電壓獲取同步信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)同步變壓器相序自適應(yīng)電路，它直接從市電接入，省去了電壓互感器和移相電路。這種晶閘管數(shù)字觸發(fā)器適用于三相六脈波系統(tǒng)。它能克服相序的約束，實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)輸入同步電壓相序，不管輸入相序如何，都可以自動(dòng)保證晶閘管的順序觸發(fā)還具有缺相保護(hù)功能。

1、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理分析

一般情況下，類似于8051的微控制器作為數(shù)字晶閘管整流裝置使用時(shí)，控制芯片的資源仍有結(jié)余。這些資源是本裝置實(shí)現(xiàn)相序自適應(yīng)和缺相保護(hù)的根本。原理如圖1.由光耦TPL521-4檢測(cè)出的進(jìn)線線電壓過(guò)零點(diǎn)信號(hào)經(jīng)單片機(jī)計(jì)算，可得出三相電源線相序或判斷出是否缺項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)同步電壓與主回路電壓相序、相位的匹配。

2、相序識(shí)別與自適應(yīng)觸發(fā)原理

在三相全橋整流電路中，為使輸出形成通路，各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間順序有嚴(yán)格限制，觸發(fā)脈沖也必須與晶閘管承受的正向電壓同步。由此得出不同相序接到W、U、V上時(shí)對(duì)觸發(fā)脈沖觸發(fā)順序的要求如下[3]，如果是正序接入WUV時(shí)，則對(duì)晶閘管的觸發(fā)順序?yàn)椋篤T2—VT3—VT4—VT5—VT6—VT1；如果是負(fù)序接入WUV時(shí)，則對(duì)晶閘管的觸發(fā)順序?yàn)椋篤T5—VT4—VT3—VT2—VT1—VT6。

當(dāng)接入W、U、V的三相電源為正序的時(shí)，在三相經(jīng)分析，當(dāng)接入W、U、V的三相電源為正序的時(shí)，在三相線電壓由負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)依次相差，而當(dāng)接入W、U、V的三相電源為負(fù)序的時(shí)，三相線電壓由負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)依次相差[4]。因?yàn)橥叫盘?hào)SWV、SVU、SVW的下降沿分別與相線電壓、由負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，所以在電源線正序接入時(shí)三個(gè)同步信號(hào)的下降沿也依次相差，負(fù)序接入時(shí)相差。

當(dāng)接入W、U、V的三相電源為正序的時(shí)，在三相線電壓由負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)依次相差1200，而當(dāng)接入W、U、V的三相電源為負(fù)序的時(shí)，三相線電壓由負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)依次相差2400[4]。因?yàn)橥叫盘?hào)SWV、SVU、SVW的下降沿分別與相線電壓由負(fù)到正的過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，所以在電源線正序接入時(shí)三個(gè)同步信號(hào)的下降沿也依次相差 1200，負(fù)序接入時(shí)相差2400 。

2.1同步信號(hào)的獲取

光耦tpl-521上的是電源進(jìn)線經(jīng)降壓、限流后的電壓。同步電壓為正，則光耦輸出低電壓；非正則輸出高電平。如圖2所示，光耦輸出的a 通道矩形波下降沿正是B通道正弦波線電壓由負(fù)到正的上升沿，且當(dāng)其到來(lái)時(shí)，信號(hào)可接入單片機(jī)并調(diào)用相應(yīng)子程序來(lái)處理同步信號(hào)。

2.2線電壓過(guò)零點(diǎn)與自然換相點(diǎn)的關(guān)系分析

取得主電路三相相電壓的自然換相點(diǎn)[5]是移相控制的前提。文獻(xiàn)3可知，自然換相點(diǎn)恰和線電壓一樣超前相應(yīng)線電壓300，故本設(shè)計(jì)所獲取的線電壓過(guò)零點(diǎn)正是相電壓的自然換相點(diǎn)，也就可以省去移相電路或軟件中延遲觸發(fā)程序。

2.3相序自適應(yīng)觸發(fā)

信號(hào)的角度差可由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為時(shí)間差，在工頻下，3600對(duì)應(yīng)于一個(gè)周期0.02s，則10對(duì)應(yīng)56μs。藉此比例，若采集到三信號(hào)SWV、SVU、SVW的時(shí)間差依次是6.7m，則換算出相位差為1200，電源線為正序。若時(shí)間差依次是13.4ms，即相位差2400則是負(fù)序接入。其他情況則是缺項(xiàng)。

單片機(jī)判斷出正序后，再等待6.7ms，即可按正序的順序依次給出雙窄脈沖，脈沖間相隔3.36ms（600），觸發(fā)順序?yàn)閂T2—VT3—VT4—VT5—VT6—VT1；若檢測(cè)為負(fù)序，則等待13.4ms，負(fù)序的順序依次給出雙窄脈沖，脈沖間相隔3.36ms（600）。

3、軟件實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)來(lái)完成主電路整流前測(cè)定電源相序的工作，如下圖4，

4、仿真結(jié)果

當(dāng)接入W、U、V的三相電為正序時(shí)（這里取的是ABC的順序），在光耦輸出端得到的同步信號(hào)SWV（圖5中紅色信號(hào)線）、SVU（圖5中綠色信號(hào)線）（圖5中藍(lán)色信號(hào)線）、SUW（圖5中紅色信號(hào)線）如下圖5，它們的下降沿依次差1200。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文中只有正序仿真結(jié)果，根據(jù)文中敘述同理即可得出負(fù)序的仿真結(jié)果。這種過(guò)零信號(hào)檢測(cè)和相序自適應(yīng)方法電路檢測(cè)準(zhǔn)確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，已應(yīng)用于全數(shù)字三相全控橋整流觸發(fā)電路中。

參考文獻(xiàn)

[1]王慶華.無(wú)同步變壓器的相序自適應(yīng)晶閘管觸發(fā)電路[J].電力電子技術(shù)，1998（04）.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]李宏，范柳絮，趙棟.基于CPLD的相序自適應(yīng)晶閘管數(shù)字觸發(fā)器設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2008，（01）.

[4]張財(cái)志，高祖昌，楊軍，莊會(huì)華.三相電源過(guò)零信號(hào)檢測(cè)及相序自適應(yīng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子元器件，2008（09）.

[5]杜海江，石新春.相序相位自適應(yīng)相控整流器原理分析及實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005（02）.

作者簡(jiǎn)介

姚旺（1987.4）、性別：男、民族：漢、籍貫：山東省濟(jì)寧市、青島科技大學(xué) 工程碩士 控制工程。