控制角自动定位整流控制器的设计

海洋石油工程股份有限公司 王凯坡 王爱武 赵孟君

1.引言

大功率直流电源广泛应用于冶金、化工及科研领域，大多采用大功率整流系统采用晶闸管整流。大功率晶闸管整流电路对触发电路的要求[1]是：控制精度高，实时性好，对称度高，稳定性强，触发安全可靠。然而大功率整流装置其输出功率可达数兆瓦，电流达数千安。在这些场合，通常电磁干扰较强，电网畸变严重，工作环境恶劣，这就要求控制系统具有较高的可靠性。

本文采用单片机作为控制电路，可用软件的方法产生触发脉冲，并按一定的算法调节触发角。由于单片机的晶振频率可达12MHz，产生的触发脉冲有很高的时间精度和严格的对称性。而且单片机线路具有良好的人机界面，可以方便地改变工作方式及调节参数，使调节效果最佳。同时，对输人输出信号的采样，可对装置进行较完善的保护。

2.三相桥式全控整流电路对触发脉冲的要求

本系统采用三相桥式全控整流电路作为整流电路，其原理图如图1所示，

三相桥式全控整流电路中，含两个相邻编号的晶闸管元件，其中一个晶闸管元件编号与整流回路编号相同；另一个则为前一号晶闸管元件。两个元件的自然换相点相位差为p/3。为保证整流回路中两个晶闸管同时得到脉冲，以形成电流通路。本系统采用双窄脉冲方式实现上诉工作要求。

当采用双窄脉冲触发方式时，触发脉冲的宽度τ＞60°，一般取为80°-120°。因为相邻编号的两元件的自然换相点间时间间隔为60°，所以触发某一号元件时，前一号元件的触发脉冲尚未结束。这样就可以保证各整流回路中两个晶闸管元件同时具有触发脉冲，并具有足够的脉冲宽度。图2所示为三相桥式全控整流电路双窄脉冲触发示意图。图2(a)为三相电源电压波形及自然换相点；图2(b)为6个晶闸管元件的触发脉冲顺序及两组元件分别换相的顺序；图2(c)为采用双窄脉冲触发时的触发脉冲。

3.控制系统设计

系统以80C196KC为核心控制，定时输出触发脉冲，能够进行30°内的控制角自动定位，实现整流控制。30°控制角自动定位是本设计的一个重点，在稍候的章节中将专门叙述。

数字触发器的基本结构如图3所示。主要由同步信号形成，触发角α的计算、移相及脉冲形成和分配，脉冲输出及功率放大3个环节组成。首先将系统动态过程得瞬态信号经过A/D转换，变成计算机能够接收和处理的数字量，通过软件对数字量进行处理，得到所要测试的控制角，通过控制α角大小，即可达到控制晶闸管触发的时间，进而达到整流控制的目的。

1）CPU主电路：由80C196KC为主组成的CPU电路包括程序存储器(EPROM)、总线及读写控制电路以及CPU的时钟电路、复位电路等[2]。

2）同步信号电路：80C196KC的四个高速输入/高速输出复用口中的两个用作输出口后，就只剩下两个高速输入口可用来作同步信号检测。用HSI.0响应同步信号电路的输入中断，得到系统的同步信号。

3）A/D采样电路：80C196KC有内嵌的10位A/D转换器，但10位的A/D转换器的精度只有千分之一，不能满足该系统的要求。所以，本系统采用外接的12位A/D转换器。

4）键盘控制与显示电路：为了进行人机对话，实现系统的在线控制，并将监测信号实时显示出来，采用专用的8279接口芯片，配LED显示器。需要改变一些设定值时，可以通过按键来实现。

5）隔离驱动电路：从80C196KC的高速输出口输出的六相脉冲需要经过隔离、放大后输出才能驱 动晶闸管。

4.控制角30°内自动定位的方案

对于三相桥式全控整流电路而言。整流器输出电压由下式计算

式中Ud是整流器输出电压平均值；U2为整流变压器二次测额定相电压有效值；a从自然换相点算起的触发脉冲控制角。

整流触发电路中对触发控制角a的精确的计算与控制相当重要。本系统为了得到稳定的输出电流采用闭环控制的PID算法来计算触发控制角a。这可以在一定范围内得到所需要的触发控制角a的值，并能基本上实现输出电流的稳定。但闭环控制的PID算法只能抑制被反馈环包围的前向通道上的扰动，而对反馈环以外的扰动却无能为力。

图1 三相桥式全控整流电路原理图

图2 三相桥式全控整流电路双窄脉冲触发

图3 系统结构框图

计算触发控制角a的一个重要的前提就是要知道a=0时刻点所在（即基准点的确定）。本设计采用“准相对触发”的方式来检测同步信号，确定其自然换相点。同步认相相对精确可靠，但这样所得到的自然换相点的位置往往会因为同步信号电压的漂移而存在误差。很明显，同步信号电压的漂移产生的扰动信号不在反馈环包围的前向通道上，闭环系统不能抑制这一扰动。从而使触发过程受到影响，严重时会导致触发失败，这对大功率整流系统来说是绝对不允许的。这就要求设计中要解决控制角定位问题，本设计要求实现控制角30°内自动定位。

4.1 解决方案

要直接得到同步电压信号的漂移量比较困难，但我们可以由整流器输出电压平均值Ud，反推出触发器实际给出的触发控制角a。这样得的触发控制角a存在误差，即包含了同步电压信号的漂移量。此外，我们还可以PID算法[3]得以理想的自然换相的为基准的触发控制角pα。

图4 控制角自动定位程序框图

则：

同步电压信号的漂移量：

这样就可以根据同步电压信号的漂移量'α来调整触发角实现控制角a自动定位。

实测值a可有整流装置的输出得平均电压Ud与控制角a的关系反推得到。本设计的控制对象为三相桥式全控整流电路，其输出得平均电压Ud与控制角a的关系如公式（1）所示。U2是a相电压有效值，在设计中它们的大小可以通过A/D采样获得。

由公式(1)可以得到a值的计算公式：

为了缩短占用CPU的时间，编制Ud，U2比值和控制角a之间的反余弦函数表。在实际制表的时候存储的应是与a对应得定时器时间常数，即一个计数值，用拖延时间表示a值。

触发控制角αp由给定值αp经PID运算得到，所以在这里简称为给定值。

4.2 控制角自动定位的具体实现

通过上面的计算我们可以得到同步电压信号的漂移量 α'= α-α ，从而可以得

p到控制触发角的修正值α0。

要想在一个周期内及时地对控制触发角a的修正，控制系统的触发脉冲能够进行360°的移相。本设计用80C196KC的高速输出口HSO输出脉冲，它们独立于CPU而工作，HSO口的输出信号可以预先设置，可以方便地进行360°的移相。只要把0α转化成计数值后写入HSO的CAM中，就可以实现对触发角的修正。

此外80C196KC有一种特殊的工作状态—待机状态，也为系统方案的实现提供了条件[4]。待机状态是80C196系列产品的一种特殊的节电工作方式。在这种方式下，CPU停止工作，CPU时钟被冻结在逻辑零状态，但外设时钟继续工作。当中断信号到来时，CPU退出待机工作方式，进入中断服务程序。中断服务程序的返回地址为键盘查询，之后进入采样程序模块，这样一来，就保证了在两次同步信号之间进行一次采样和控制角修正值0α的计算。

其流程图如图4。

5.结束语

本设计为控制角自动定位整流控制器的设计，控制对象为大功率整流电路。大功率整流电路，因为其工作条件相对恶劣，对整流控制器有更高的要求。所以本设计除了要要实现控制角自动定位，还要能适应其恶劣的工作条件。上述的所有设计都是围绕这两方面进行。该系统具有参数设定方便、硬件结构紧凑、体积小、调试方便、调速范围广、系统可靠性高、稳定性好、实时性强等特点，大大简化硬件电路的组成，并可提高触发器的控制精度。

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]吴云,戴文.基于Intel80C196KC单片机控制的晶闸管触发器的设计[J].辽宁石油化工大学学报,2005,25(2):79-82.

[3]于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,1999.

[4]刘复华.8XC196KX单片机及其应用系统设计[M].北京:清化大学出版社社,2002.