作者： 发布日期：2016-07-04 19:54 信息来源：http://www.ygelc.com/
摘 要 介绍了一种已投运的大功率直流电源的数字控制系统,它用多台单片机完成晶闸管整流系统的控制,详细介绍了控制系统的性能、特点以及各控制环节的工作过程。
关键词 大功率直流电源 数字控制
1 前 言
大功率直流电源广泛应用于冶金、化工及科研领域,大多采用二极管或晶闸管整流。前者不便大范围平滑调节输出电流或电压,后者的模拟控制电路很难保证多台运行的大功率直流电源的输出性能,而采用数字控制能大大提高电源可靠性、一致性、精确性。因此,数字控制技术也就脱颖而出,成为大功率直流电源的最佳选择。
2 主电路
在许多场合,由于输出电流在几万安培以上,所以要求多相整流(24相、36相甚至48相),而且每个整流臂由多只大功率晶闸管并联组成,这就要求桥臂上晶闸管的开通-关断特性一致性要好,而且要考虑桥臂每只晶闸管的均流,在元件选择时应予充分的重视。现介绍一套正在运行的晶闸管直流电源,如图1所示。
图1 系统框图
主要功能及保护:①直流输出电流15kA,稳流精度0.5%;②直流输出电压85V;③短路保护;④操作过电压及换相过电压保护;⑤晶闸管故障保护;⑥冷却系统故障保护;⑦直流过电流保护;⑧缺相保护。上述所有保护信号均发出声光报警,并将晶闸管触发脉冲拉至β区。
3 控制系统
本系统为直接数字控制(DDC)系统。采用4台单片机完全取代模拟电路,实现全数字化控制。
系统采用多机方式控制,将其功能分散由多台计算机来完成,触发器由89C51实现;16位单片机80C196KC进行闭环运算控制,单片机之间采用并行方式通讯。多机并行同时运算,提高了系统的快速性和可靠性,而且设计灵活,可扩充性好,性能价格比更高。
控制系统主要技术功能:①自动稳流,稳流精度≤±0.5%;②输出电流具有良好的跟随性。系统输入为上位机提供的4～20mA电流源信号,输出电流跟随输入信号的滞后时间≤0.02s;③软起动功能,防止开机时的大电流冲击;④过压、欠压、限流及缺相等保护功能。系统稳态运行时,接到停机信号能在0.05s内将功率完全切除。
3.1 数字触发器
触发器框图如图2所示。
图2 数字触发器框图
以下以三相全控桥为例,简要地阐述数字触发器原理。
对于三相全控桥式整流电路,在电源一个周期内通常需要6个对应于各自然换相点的同步脉冲(基准点),并以此形成6个数字锯齿波及触发脉冲。本触发器采用单相同步方式,即由单相同步变压器取出一相电压为同步信号,其余同步脉冲则由定时器产生,并由锁相程序不断对其值进行修正。显然,这样输出的同步脉冲信号相间齐整度好,且不受电网频率波动的影响。
为了简化结构,电路中只采用一个定时/计数器来产生数字锯齿波。显然,在采用6个基准点时,定时器最多只能定时60°,但实际上相位控制角α所需的移相范围为0°～180°。为此,需要对给定的α角进行分段处理,并根据实时的电源状态,由微机完成对触发脉冲的分配。
在三相全控桥式整流电路中,将一个电源周期划分成6个宽度各为60°的区间,且令各个区间的起点位置均对应于各自然换相点,这些区间称为电源状态(记作S状态),如图3所示。同步电路应能够向微机提供便于识别S状态的逻辑变量。如果三相全控桥α角的变化范围为0°～180°,那么任何α给定值,任何S状态时,都能确定一对晶闸管导通。
图3 三相全控桥式电路的电源状态S的划分
例如:在S=bc状态时,若0°≤α＜60°,则应触发晶闸管2、3;若60°≤α＜120°,则应触发晶闸管1、2;若120°≤α＜180°,则应触发晶闸管1、6。这样,电路中只需一个定时/计数器,形成宽度为60°的数字锯齿波,配合微型机对S状态和α角的识别,即可完成对6只晶闸管的触发脉冲分配。触发器工作过程如图4所示。
图4 触发器工作过程
(1)单片机89C51采用中断方式收集来自同步电路的同步信息,即在S=ab区间内的时刻2,确定同步电路S状态初值,并预测下一个S状态(用于在下一个S状态发触发脉冲)。
(2)在时刻2,同时起动定时器T0,定时时间由α′来确定(α′值已在上一个S状态中被计算出)。
(3)通过8位并行接口读取来自80C196KC的相位控制角α数字量(即PI运算结果)。根据公式α′＝α-α状态×60°确定下一个S状态产生触发脉冲的定时时间,其中:0°≤α＜60°,α状态＝0;60°≤α＜120°,α状态＝1;120°≤α＜180°,α状态＝2。
(4)根据α状态及下一个S状态,确定将要触发的晶闸管对(亦称触发字),并在适当的时刻,将触发字锁存进脉冲分配电路。
(5)当α′定时到(即时刻3),由P1.7输出触发信息;再经脉冲形成、分配电路发出触发脉冲。
数字触发器软件中,还设立了“触发器-晶闸管”线性化表格,用以提高系统的动态性能。
3.2 控制单元
系统控制运算采用80C196KC来完成。
与8098相比,80C196KC有如下特点:
(1)采用CHMOS工艺,芯片运行耗电少,除正常工作外,还可工作于两种节电方式:待机方式和掉电方式,进一步减少芯片的功耗。
(2)芯片保留了8098的基本硬件结构,作了局部性的改进,片中增加了外设事物服务器(PTS),大大提高了中断事务的实时处理能力。
(3)指令系统与8098兼容。
(4)8098外部只有8位的地址/数据总线,而80C196KC的总线为16位,80C196KC的系统总线方式和8位/16位动态切换总线方式。
(5)运算速度快,80C196KC的状态周期由振荡信号2分频后获得,它是芯片的基本时间单位,而8098的状态周期是振荡周期的3倍。因此,采用相同频率的晶振工作时,80C196KC的操作速度至少比8098的速度快1/3。
(6)共有8路10位A/D转换输入通道可供使用。
该单元框图如图5所示。图中80C196KC的总线宽度设置为8位。
图5 控制单元框图
电路中,电流反馈量取自主电路中的分流器,经过WS151隔离放大后,再进入A/D转换电路。电流反馈量的获取,采用同步方式,即每次采样都在检测主电路波形的同一位置进行,以滤去输入信号中的低频分量。同步信号来自触发电路。
控制程序中,对稳流过程的调节,主要采用PI运算。为消除量化误差对稳流精度的影响,还辅以微量积分运算。
PI调节运算按下式进行:
Y(n)=Y(n-1)+ΔY(n)
ΔY(n)=A×e(n)-B×e(n-1)
式中 Y(n)——t(n)时刻调节器输出Ｚ
e(n),e(n-1)——t(n),t(n-1)采样时刻调节量的输入量
e=电压(电流)给定-电压(电流)反馈
B＝Kp
A＝Kp(1+Ts/Ti)
Ti——PI的积分时间常数
Ts——采样周期控制运算子程序流程如图6所示。
图6 控制运算子程序流程图
4 结 论
本装置已在某研究院投入运行。实践证明,与传统的模拟量控制方式相比,采用微型机控制的电力电子装置具有显著的优点:
(1)控制系统实现数字化。数字控制器不易受温度、电源电压及时间变化等因素影响,使系统具有稳定的静特性,并大大简化产品的调试过程。
(2)系统中由软件取代硬件来实现反馈信号的检测和调节,晶闸管的触发控制,故障诊断等功能,减少了元器件的数目,简化硬件结构,提高系统的可靠性。
(3)系统通用性、灵活性强,功能易于扩展和修改,只要改变计算机的软件内容,就能有效地实现各种控制,如:PID控制、模糊控制、自适应控制等,且对系统的控制准确性高。
(4)在晶闸管变流装置中,可由微处理器构成以锁相环为基础的数字触发器,它能确保触发脉冲相位间的高度对称,从而减少整流装置直流侧的谐波分量。除此之外,还可以对触发器——晶闸管环节实现线性化处理,有效地改善系统的动态性能。
(5)微型机控制系统具有较强的对故障进行识别和自诊断能力,并在事故发生时,能自动储存运行数据,有助于故障的分析和处理。
(6)可以与上级计算机系统实行通信,实现多台装置的集中控制。
