整流设备及其通用数字控制装置的研究开发

摘 要：随着电力电子技术的不断发展和控制技术水平的不断提高，整流装置在很多工业领域中都得到了广泛应用。由于整流装置的被控对象相对复杂，并且具有时变性，因此，对设备内部各个环节的控制达到最佳，保障整个整流装置的输出稳定性非常重要。本文将针对整流设备及其通用数字控制装置的研究开发进行简单的论述。

关键词：整流设备；数字控制装置

中圖分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）08-0059-02

Abstract：With the continuous development of power electronics technology and the continuous improvement of control technology，rectifier devices have been widely used in many industrial fields. Because the controlled object of rectifier equipment are relatively complex and have characteristics of time varying. The control of each link inside the equipment is optimal，and it is very important to ensure the stability of the output of the entire rectifier. This article will briefly discuss the research and development of rectifier devices and their universal digital control devices.

Keywords：rectifier equipment；digital control device

0 引 言

电力电子技术与各种控制技术的结合应用使电力电子技术在工业生产、交通运行和社会生活等多个领域中都得到了不断的发展。晶闸管整流是整流设备中最典型的应用，特别是在大功率的场合中，脉冲触发和调节控制环节是整流装置中最重要的设计。因此，本文将从这几个方面进行研究。

1 整流设备的研究开发现状

1.1 整流设备的应用现状

整流设备的应用涉及多个方面，首先是在一般工业中的应用，直流电动机由于良好的调速性被广泛地应用在工业中，其良好的调速性能够使用于多种场合，为直流电动机供电的电子装置大多数是整流电源设备，另外电解铝、电解食盐水、冶金工程等电化学工业的电源也多由整流设备提供。在交通运输中，整流设备也有很大的用途，例如，电力机车中的直流供电和交流机车中的变频电源，特别是在未来的磁悬浮列车中，整流设备将发挥关键性的作用。另外，在家用电器设备中也存在整流设备，比较典型的变频空调器。由此可见，整流设备的应用非常广泛，而且对人们的生活有着一定的影响。

1.2 晶闸管整流设备中脉冲触发控制的研究现状

模拟触发电路和和数字触发电路是晶闸管整流触发电路中常见的两种类型，一种是模拟信号，一种是数学信号，脉冲触发作为晶闸管整流设备中的核心控制技术，是确保晶闸管正常工作的关键因素，但是当前的晶闸管整流设备中存在一些问题，传统的脉冲触发装置通常采用三相同步变压器，这种变压器尽管能够简单地获得同步信号，但缺乏对称性和稳定性，很容易造成脉冲紊乱。另外，触发脉冲的可靠性不高，常会出现脉冲丢失或者过于损耗晶闸管的现象。

1.3 整流设备机器数字控制装置的研究开发内容

为了解决上述整流设备中存在的问题，本文通过在硬件设计和控制系统设计上进行研究开发。例如，大功率晶闸管整流脉冲控制中的脉冲触发，电压电流采集以及模块驱动和放大等，使整流设备及其通用数字控制装置得到改进。

2 整流设备及其通用数字控制装置的硬件设计

2.1 整流设备的控制装置组成

以晶闸管整流设备为例，它的控制装置由脉冲触发控制装置的主回路、控制回路以及操作回路组成，主回路包括供电电源、晶闸管三相桥式整流电路，控制回路由同步信号变换和检测电路、脉冲触发与移向控制电路等组成，操作回路由过流保护、截压保护和缺相保护等构成，这些装置是整流设备的重要组成部分，能够保障整流设备正常工作。

2.2 整流设备控制装置硬件设计

硬件设计要从多个方面进行规划，选择单片机最小控制系统，电源的设计要选择使用变压器变压、二极管整流、电容滤波和三端稳压器稳压的方式得到直流电或交流电，保障电源提供的电压稳定，功率消耗小，谐波小，满足控制装置的需求。确定电源以后要确定电路设计，选择同步信号采样电路，保障其相序自适应的能力，确保其不会由于因电源输入时的相序不同而发生混乱，以防整流设备中的晶闸管受到损害。另外，要做信号放大以及处理电路的工作，采用适当的方式对给定的信号以及电压反馈信号调理电路，利用AD转换电路，脉冲触发产生电路，通过这一系列的设计使整流设备控制装置的硬件设置完备。

2.3 对通用性数字脉冲触发器的要求

脉冲触发电路是晶闸管整流设备中的核心技术，也是装置正常有效工作的关键，晶闸管的型号很多，电路种类也多样，所以对脉冲触发器的要求也不同。常用的晶闸管脉冲触发器有移向脉冲触发、过零脉冲触发以及脉冲序列触发等，种类虽然不同，但是要求是一致的：第一，触发脉冲的相位与晶闸管整流主电路的相位必须一致，同时频率也要保持一致，触发脉冲要保障充足的功率和幅度，并且触发脉冲的电压幅值要大于晶闸管门极要求的数值；第二，触发脉冲还要有一定的宽度，前沿尽可能陡，保证在触发以后设备能够及时导通。

3 整流设备及其通用数字控制装置的软件设计

3.1 整流设备中软件设计的组成

首先，确定软件设计的整体设计，其软件设计包括故障在线监测、AD采样、故障显示与报警等多个环节。其核心是脉冲触发产生位置移相，第一，要进行相序监测以及缺相判断，第二，进行AD采样软件设计，这一环节主要的目的是对给定信号、反馈信号以及控制信号进行采样，送至硬件设计中的单片机进行数据处理，从而完成对系统的控制；其次，进行PID调节的软件设计，判断直流电压的整流输出；最后，进行故障判断，当整流设备开始通入电流，装置进行故障检测，出现故障就会有报警指令，若没有故障就会顺利开始工作，这个组成环节是为了避免在整流设备应用时发生事故，减少由于设备故障造成的损失。

3.2 脉冲触发以及相序自适应的设计

脉冲触发的软件编程是软件设计的核心。在相序自适应的影响下，脉冲触发根据不同的相序输出，使晶闸管导通，然后对输出电压的大小进行控制，通过这一环节的控制，整流设备在应用过程中，移相受到的干扰小，变得更加准确，整流设备的电压也相对更稳定。另外，也保证了脉冲触发的实时性，而且位置准确。

3.3 整流设备中的抗干扰系统

外界的干扰会使设计的软件程序受到不良影响，特别是单机片的工作，如果抗干扰能力不强会使程序跑飞，使程序陷入死循环以至于无法正常工作。因此，在设计上要注意对运行状态进行实时监控，可以采用“看门狗监测芯片”，防止程序跑飞，保障系统正常运行。

4 整流设备以及数字控制设置在研究开发中需要注意的问题

4.1 硬件调试中需要注意的问题

硬件正常的运行，是保障软件和整个系统正常工作的基础，所以在研究开发中，对硬件进行调试才能保障整流设备的工作质量。首先要确保电路的完整性，不能人为的破坏电路，各个元件之间要进行良好的焊接，焊接好以后，检查焊接的情况，数字地与数字电源是否分开，元件之间是否相通，还要确定电路是否有短路现象发生，通电以后，还要观察电路板上芯片的发热情况，若出现不正常的现象，则仍需检查。

4.2 软件调试中需要注意的问题

整流设备的软件调试是在Keil C环境下进行，首先将系统中的软件分为不同的模块，针对每一个小模块进行调解和检测，确保每一个小模块正常工作，才可以将众多小模块进行拼接，一旦出现问题，要采取合适的手段，更改或者重新编制设备中的软件程序，每一个子程序的准确性与整个软件程序息息相关，输出正常的脉冲是进行软件调试的最终目标。

4.3 整流设备的整体调试

在對整流设备控制装置的硬件和软件进行调试与检测以后，总结硬件与软件中出现的问题，对整个装置进行调试检测，在将所有元件连接好给电以后，可以采用两种办法进行调节：一种是手动调节，这种方式调节容易出现在接通电源后，调节给定的电位器，输出电压比较不稳定，波动比较大的现象，这种情况出现时，要观察设备中的触发脉冲，发现其中的问题，并予以纠正；另一种方式是自动调节，自动调节是在给定信号一定时，观察输出是否跟随给定的信号变化，如果不能正常运行，那么整体调试还要重新检查。

4.4 保护功能的研究

在对整流设备及其数字控制系统进行开发设计之后，要对其保护功能进行研究，这一个过程不能略过。第一是过压保护，整流设备输出的电压大于额定电压时的设备状态；第二是过流保护，当输出的电流大于额定电流时的设备状态。这两种保护功能是对整流设备本身的保护，超过的电压和电流要控制在一定范围内，否则就失去了意义。另外的保护功能是对脉冲的封锁以及丢失的保护，避免设备出现无法工作的情况，或者烧坏晶闸管。

5 结 论

整流设备及其数字控制装置的研究开发中有很多因素要进行考虑，无论是硬件还是软件，都需要精心的设计和测试，在使用过程中要加强监测和保护，确保装置产生的触发脉冲可靠性高，对称性好，晶闸管在稳定的触发下正常高效的工作。

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作者简介：贾宇（1983-），男，陕西西安人，技术员，工程师，工程硕士。研究方向：变流设备及其通用数字控制装置的研究开发。