雙向晶閘管的數(shù)字化移相觸發(fā)控制器設(shè)計(jì)*

魏海波，梅建偉，劉 杰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波問題越來越嚴(yán)重[1]，諧波對電網(wǎng)和用電設(shè)備都有著或多或少的危害；對于采用相控方式控制的設(shè)備尤其嚴(yán)重，輕則導(dǎo)致設(shè)備工作異常，重則引起設(shè)備的損壞，引發(fā)嚴(yán)重事故。

傳統(tǒng)的晶閘管控制器多采用模擬式脈沖觸發(fā)電路，雖然模擬式觸發(fā)器技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但采用分立元件搭建，存在器件參數(shù)分散、溫漂現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)生的脈沖對稱性差、可靠性差等一系列缺點(diǎn)[2－3]，在諧波的干擾作用下更是嚴(yán)重影響控制器的實(shí)用性。數(shù)字電路的發(fā)展為解決這些問題帶來了契機(jī)：利用嵌入式微處理器配合簡潔的硬件處理電路，通過微處理器超強(qiáng)的運(yùn)算處理能力以及抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)移相精準(zhǔn)、可靠性高的數(shù)字化移相觸發(fā)控制器[4－5]。

在晶閘管觸發(fā)電路由模擬電路向數(shù)字電路的發(fā)展過程中，數(shù)字化不僅可以提高系統(tǒng)的精度，而且能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還符合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展由模擬向數(shù)字化轉(zhuǎn)變的趨勢。

1 系統(tǒng)框架

本設(shè)計(jì)中，采用宏晶公司出品的8位單片機(jī)STC15W408AS作為移相控制器的主控單元，完成邏輯判定、數(shù)據(jù)處理以及信號輸出、封鎖與保護(hù)等功能；利用交流同步整形電路實(shí)現(xiàn)交流信號由正弦波向矩形波的轉(zhuǎn)變，以便于控制器檢測交流信號的過零點(diǎn)并診斷交流信號頻率[6－7]；按鍵電路和反饋采樣電路構(gòu)成控制器設(shè)定和反饋下的閉環(huán)穩(wěn)定輸出單元；控制器在外部設(shè)定的作用下通過運(yùn)算計(jì)算出觸發(fā)控制角，生成寬脈沖移相信號，在交流同步信號的作用下輸出，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管[8－9]。其具體的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字化移相控制器系統(tǒng)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 數(shù)字化移相控制器硬件電路原理

2.1 輔助電源

輔助電源取自市電，在變壓器隔離、降壓后，通過二極管不控整流電路進(jìn)行整流，經(jīng)穩(wěn)壓濾波后在線性穩(wěn)壓LDO芯片作用下得到低壓穩(wěn)壓電源，提供控制系統(tǒng)及各外圍電路模塊的電源供應(yīng)。

2.2 同步信號整形模塊

同樣，市電經(jīng)過變壓器隔離、降壓后，在二極管不控整流電路的作用下進(jìn)行整流，濾波后經(jīng)過共射極三極管開關(guān)電路將脈動(dòng)的直流電信號轉(zhuǎn)換成脈沖波信號，供MCU進(jìn)行過零信號的檢測。其具體的轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

圖3 交流信號同步整形

2.3 控制器模塊

采用宏晶公司15系列單片機(jī)眾多型號中性價(jià)比較高的STC15W408AS，該MCU內(nèi)部自帶穩(wěn)定性好且頻率可調(diào)節(jié)的晶振模塊，只需要配合復(fù)位電路即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。

2.4 隔離驅(qū)動(dòng)模塊

控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要確保其運(yùn)行的可靠性和安全性。采用高速光耦6N136作為信號隔離器件，實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的信號隔離，驅(qū)動(dòng)信號在隔離電源的作用下驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管，實(shí)現(xiàn)主電路的交流電移相輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

移相軟件部分主要是通過監(jiān)測交流同步信號獲取過零時(shí)刻點(diǎn)、根據(jù)設(shè)定的輸出要求對移相相角進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，得出觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻點(diǎn)并輸出觸發(fā)脈沖信號。程序整體流程如圖4所示。

圖4 數(shù)字式移相觸發(fā)器總體流程

各模塊作用說明如下。

（1）CPU初始化模塊：用于對所使用的單片機(jī)片上資源進(jìn)行上電配置，使其滿足后續(xù)的功能要求。

（2）頻率監(jiān)測模塊：用于監(jiān)控交流電頻率異常，主要針對嚴(yán)重諧波干擾下的頻率狀態(tài)故障診斷，嚴(yán)重時(shí)封鎖移相脈沖輸出。

（3）設(shè)定輸出電角度計(jì)算模塊：通過外部來的設(shè)定輸出要求，通過微處理器的計(jì)算轉(zhuǎn)換為移相輸出控制電角度。

（4）移相范圍判定模塊：面對使用變壓器帶來的相位滯后以及防止移相角度不合適帶來的輸出品質(zhì)不佳問題，設(shè)定移相范圍，當(dāng)移相控制角計(jì)算結(jié)果不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)采用極限值替代。

（5）移相脈沖觸發(fā)角前后沿計(jì)算模塊：將計(jì)算出來的電角度轉(zhuǎn)換成單片機(jī)定時(shí)器下的實(shí)際移相計(jì)數(shù)器值，同時(shí)對脈沖寬度進(jìn)行預(yù)給定，可以在一定程度上減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率。

（6）交流信號相位同步檢測模塊：對交流信號的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行同步檢測，初始相位的定位，獲取瞬時(shí)狀態(tài)值用于后續(xù)脈沖輸出的判定。

（7）移相脈沖輸出模塊：根據(jù)同步檢測模塊提供的實(shí)時(shí)值進(jìn)行對比，在移相范圍內(nèi)提供脈沖的輸出。

4 移相過程

4.1 變壓器相角影響

變壓器作為電磁耦合元件，通過激勵(lì)側(cè)、感應(yīng)側(cè)繞組線圈之間的耦合來傳遞能量，其本質(zhì)為2個(gè)或者多個(gè)相互耦合的電感元件，二級側(cè)繞組經(jīng)過歸一化到一次側(cè)后，其T型等效電路如圖5所示[10－11]。

圖5 變壓器T型等效電路

從T型等效電路可以看出，交流電經(jīng)過變壓器后，輸出相位相對輸入相位而言存在一定的滯后偏移，對移相觸發(fā)脈沖同步信號有輕微的影響。在精度要求不高的應(yīng)用場合可以忽略不計(jì)，對于精度要求較高的場合，則需要借助閉環(huán)反饋控制，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)輸出補(bǔ)償處理[12]。

4.2 移相電角度精度

移相電角度的精度與頻率關(guān)系緊密。我國交流電的頻率為f＝50 Hz，對應(yīng)的周期T＝20 ms。根據(jù)2.2節(jié)中對交流信號整流與整形模塊的設(shè)計(jì)，雙向晶閘管在正負(fù)半軸上屬于對稱觸發(fā)形式，因此只要通過對半周期的控制，即可實(shí)現(xiàn)全周期的輸出。另一方面是單片機(jī)運(yùn)行頻率，在設(shè)計(jì)中采用外部中斷方式獲取過零時(shí)刻點(diǎn)，通過定時(shí)器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)來獲取實(shí)時(shí)相角數(shù)據(jù)，在主程序中根據(jù)設(shè)定的輸出計(jì)算對應(yīng)的移相電角度并轉(zhuǎn)換為定時(shí)器的對應(yīng)計(jì)數(shù)值，通過比較定時(shí)器實(shí)時(shí)值與設(shè)定計(jì)數(shù)值，在規(guī)定范圍內(nèi)發(fā)出觸發(fā)脈沖。

通過分析，移相電角度的輸出精度來自于兩方面的內(nèi)容。一方面是對程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過靈活的應(yīng)用單片機(jī)片上資源以及程序合理的布置來實(shí)現(xiàn)。另一方面則是提高運(yùn)行主頻來獲取更高的執(zhí)行效率?？疾焖x用單片機(jī)的主頻段，選擇fosc＝24 MHz是較為理想的頻率，配合該單片機(jī)能以1 T高速模式工作，相當(dāng)于傳統(tǒng)單片機(jī)下的fosc＝288 MHz工作頻率。在該頻率下運(yùn)行，既能保證觸發(fā)脈沖移相角的精度，又能兼顧單片機(jī)其他任務(wù)的處理。此時(shí)，主頻運(yùn)行在1 T模式下則有機(jī)器周期Tcy＝1/24μs，定時(shí)器工作在12 T模式下則有定時(shí)基準(zhǔn)Tt＝1/2μs。

對于移相精度，半周期對應(yīng)的電角度為180°。理論上最小移相精度誤差為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，ηmin=0.000 75°。實(shí)際中，單片機(jī)是利用查詢的方式實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)相位狀態(tài)數(shù)據(jù)的捕捉，優(yōu)化后的主程序運(yùn)行周期為T1≈100μs。則實(shí)際的最大移相精度誤差為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，ηmax=1.8°。取兩者的平均值作為移相精度的平均誤差，其值為ηave≈0.9°。

采用模擬電路搭建的移相觸發(fā)電路，其移相精度誤差可以高達(dá)2°~3°，本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)字化的移相觸發(fā)器平均移相精度誤差只有不到1°。相比采用模擬電路搭建的移相電路可以提高3.5倍左右的精度，不僅減輕了電路的復(fù)雜程度降低了故障率，而且減小了正負(fù)半軸脈沖的不對稱度，而該特性對于電路和負(fù)載均是及其有利的。

5 測試結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的軟硬件內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)室條件下開展測試，其輸出波形如圖6所示。

圖6 雙向移相脈沖輸出測試波形

示波器中黃色曲線顯示為正常的交流信號；藍(lán)色曲線顯示為經(jīng)過控制器移相控制后的輸出波形。通過在移相控制角分別為α＝10°、α＝90°、α＝170°下的實(shí)驗(yàn)波形，可以看出在不同的輸出設(shè)定下，控制器均能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)移相脈沖的計(jì)算與捕捉，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)后確保既定的雙向交流輸出，從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的數(shù)字移相觸發(fā)器具有較好的運(yùn)行效果。

6 結(jié)束語

所研制的基于STC 單片機(jī)的數(shù)字化移相觸發(fā)器，通過在雙向可控硅上進(jìn)行驗(yàn)證，控制器可以根據(jù)設(shè)定大小自動(dòng)調(diào)整輸出，精度高、對稱性好、能夠確?？刂茖ο罂煽糠€(wěn)定工作等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了傳統(tǒng)的由分立元件搭建的模擬式觸發(fā)電路中存在的抗干擾性能差、工作時(shí)穩(wěn)定性差等缺陷與不足，表明了在電路設(shè)計(jì)過程中，利用技術(shù)先進(jìn)的微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電路替代模擬化電路的必要性與可行性。通過對所設(shè)計(jì)的硬件電路與軟件策略進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚{(diào)整，即可便捷地?cái)U(kuò)展到其他晶閘管變流裝置中加以應(yīng)用。在晶閘管變流裝置數(shù)字化改進(jìn)過程中，具有較好的參考價(jià)值。