一种自动识别相控整流器相序相位的方法及其相控整流器.pdf

一种自动识别相控整流器相序相位的方法及其相控整流器，属整流技术领域，用于解决整流触发脉冲的相序相位问题。其技术方案是：它包括电流互感器、三相可控硅全控整流桥、触发控制器、同步信号生成电路，它利用触发控制器进行相序、相位的判断。采用这种结构的相控整流器，可以由它的同步信号生成电路产生两路相位相差30°的同步信号，由触发控制器自动判断后，给出正确的触发脉冲次序。本发明提供了一种自动识别相控整流器相序相位的方法及装置，简化了三相可控整流器的安装调试过程。

1.  一种自动识别相控整流器相序相位的方法，它以晶闸管作为三相全控桥式整流电路的整流器件，六个桥臂从T1至T6顺序触发，其中T1和T4接在电源A相、T3和T6接在电源B相、T2和T5接在C相，一组三个桥臂的阴极连成共阴极组，另一组三个桥臂的阳极连成共阳极组，每一晶闸管都设有相应的触发电路，其特征在于，增设同步信号生成电路和触发控制器，同步信号生成电路由运算放大器接成两个电压比较器，其中，一个电压比较器在其输入端接有一个30°的阻容移相电路，尔后按如下步骤进行：
a.将任一交流电压作为同步信号送入这两个电压比较器，使两者的输出为两路互差30°的同步信号方波；
b.将两路同步信号送入由CPU组成的触发控制器；
c.确定有效同步信号
先以第一路中断INT1有效，同步信号过零时触发中断，在中断处理程序中触发一对桥臂，定义数组PU＝[T61 T12 T23 T34 T45 T56]，j代表下标，六个值代表六对桥臂及六路线电压，可令j从0至5依次触发六次；利用一个电流A/D采样电路和定时器配合求出电流峰值时间，循环采样，并在采样过程中同时计算出电流峰值时间Tip，将电流达到峰值的时间变换为工频电角度表示的数值，若Tip等于30°、90°或150°之一，则为无效同步信号，余下另一路INT2则为有效同步信号；
有效同步信号的六次触发中，电流峰值时间Tip等于120°的电压初相角则对应移相触发从数组PU取值时的起点；
d.确定相序
记Tip＝120°对应PU的下标为j1，记Tip＝180°对应PU的下标为j2，在数组PU中，若j1＜j2或j1＝5且j2＝0，表示依次触发的桥臂序号是递增的，说明主回路是正序；否则，表示依次触发的桥臂序号是递减的，说明主回路是负序；
其它5路同步信号可利用定时器将工频六倍频，并由定时器中断产生，触发次序由已确定的相序决定，触发时刻由触发控制器给定，触发信号由触发控制器中定时器的延时中断给出；
e.由触发控制器按照编制的程序输出六路触发信号经信号放大电路、脉冲变压器放大隔离后形成高频脉冲系列，分别触发晶闸管的触发极，驱动全控桥的六个桥臂。

2.  根据权利要求1所述的自动识别相控整流器相序相位的方法，其特征在于，所述负载阻抗角θ若小于90°、但大于75°，或负载时间常数τ满足τ＞15ms，则按下列公式对计算出的Tip进行修正，并由Tip+φ_u＝180°得出电压初相角φ_u，

式中表示向上取整，应修正为比它大的邻近30°整倍数的线电压初相角φ_u。

3.  一种实现上述方法的相序自适应式相控整流器，它的主回路包括主变压器B、电流互感器LG、可控硅全控整流桥、触发控制器，其特征在于：它还设有一个同步信号生成电路，所述同步信号生成电路由运算放大器U1、U2、U3、可调电阻VR1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R6、R7、电容C1、C2组成，运算放大器U1接成跟随器电路，其正相端经电阻R1、R2组成的电阻分压电路连接220V单相电源，输出端同时接运算放大器U3和U2的正相端，运算放大器U2和U3的输出端分别经电阻R8、R7接主回路触发控制器的外部中断管脚，它们的负相端接地，电阻R4、电容C1组成滤波电路，接在运算放大器U3的输入端，可调电阻VR1、电容C2组成移相电路，接在运算放大器U2的输入端。

4.  根据权利要求3所述的相序自适应式相控整流器，其特征在于：所述触发控制器由CPU、信号输出电路U4、脉冲变压器TR1、电流互感器HG组成，其中，CPU的P0.1、P0.2分别接同步信号生成电路的两路中断信号INT1、INT2，CPU的输出端P2.2接信号输出电路U4的信号输入端，后者输出连接脉冲变压器TR1，脉冲变压器的输出接至可控硅SCR的触发极，电流互感器LG整流后的直流信号接至CPU的P1.1端，给定信号接至P1.2，信号输出电路U4采用达林顿管芯片。

5.  根据权利要求4所述的相序自适应式相控整流器，其特征在于：在所述运算放大器U2和U3输出端与触发控制器外部中断管脚之间接入光耦隔离器。

6.  根据权利要求5所述的相序自适应式相控整流器，其特征在于：在所述电阻R2上并联电阻R3。

7.  根据权利要求6所述的相序自适应式相控整流器，其特征在于：所述运算放大器U1的正相端采用同步变压器代替电阻R1。

一种自动识别相控整流器相序相位的方法 及其相控整流器
技术领域
本发明涉及一种自动识别相控整流器相序相位的方法及实现该方法的装置，属整流技术领域。
背景技术
相控整流器是采用可控硅全控或半控整流桥作为主回路，通过控制各桥臂可控硅的触发相位来改变输出直流电压的。在实际操作中，安装调试相控整流器需要匹配主回路和同步信号的相序相位，这是一项很烦琐的工作，涉及到整流变压器和同步变压器接线组别及RC移相电路的设计，在高压应用时还需要配有差分探头和双踪示波器辅助测量。因此，研制一种在取得同步信号的前提下、能够自动识别整流桥的相序相位的方法及实现这种方法的装置，就成为技术人员研究的课题，但截止到目前为止，人们所提出的一些方法都需要知道主回路和同步信号的相位关系，这仍然不能满足人们在实际工作中的需要，如能进一步改进将具有较大的实用意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有可控整流器存在的缺陷而提供一种能够自动识别相控整流器相序相位的方法。
本发明所要解决的另一个问题是提供实现这种方法的相序自适应式相控整流器。
解决上述问题的技术方案是：
一种自动识别相控整流器相序相位的方法，它以晶闸管作为三相全控桥式整流电路的整流器件，六个桥臂从T1至T6顺序触发，其中T1和T4接在电源A相、T3和T6接在电源B相、T2和T5接在C相，一组三个桥臂的阴极连成共阴极组，另一组三个桥臂的阳极连成共阳极组，每一晶闸管都设有相应的触发电路，其改进之处是，增设同步信号生成电路和触发控制器，同步信号生成电路由运算放大器接成两个电压比较器，其中，一个电压比较器在其输入端接有一个30°的阻容移相电路，尔后按如下步骤进行：
a.将任一交流电压作为同步信号送入这两个电压比较器，使两者的输出为两路互差30°的同步信号方波；
b.将两路同步信号送入由CPU组成的触发控制器；
c.触发控制器确定有效同步信号
先以第一路中断INT1有效，同步信号过零时触发中断，在中断处理程序中触发一对桥臂，定义数组PU＝[T61 T12 T23 T34 T45 T56]，j代表下标，六个值代表需要触发的桥臂序号，触发某一组时导通六对桥臂及六路线电压的一对，可令j从0至5依次触发六次；利用一个电流A/D采样电路和定时器配合求出电流峰值时间，循环采样，并在采样过程中同时计算出电流峰值时间Tip，将电流达到峰值的时间变换为工频电角度表示的数值，若Tip等于30°、90°或150°之一，则为无效同步信号，余下另一路INT2则为有效同步信号；
有效同步信号的六次触发中，必有两次触发其Tip等于120°和180°，这两次触发对应的PU下标序号是判断相序相位的关键，120°则对应移相触发从数组PU取值时的起点。所谓Tip，是指电流达到峰值的时间变换为工频电角度表示的数值，若电流达到峰值的时间为10ms，则等价于Tip等于180°。
d.确定相序
记Tip＝120°对应PU的下标为j1，记Tip＝180°对应PU的下标为j2，在数组PU中，若j1＜j2或j1＝5且j2＝0，表示依次触发的桥臂序号是递增的，说明主回路是正序；否则，表示依次触发的桥臂序号是递减的，说明主回路是负序；
其它5路同步信号可利用定时器将工频六倍频，并由定时器中断产生，触发次序由已确定的相序决定，触发时刻由触发控制器给定，触发信号由触发控制器中定时器的延时中断给出；
e.触发控制器按照编制的程序输出六路触发信号，经信号放大电路、脉冲变压器放大隔离后形成高频脉冲系列，分别触发晶闸管的触发极，驱动全控桥的六个桥臂。
上述自动识别相控整流器相序相位的方法，若负载阻抗角θ大于75°或负载时间常数τ满足：
τ＞15ms                            (1)
按公式(2)对计算出的Tip进行修正，再与公式(3)结合得出电压初相角φ_u，φ_u表示该电压从过零时刻与触发时刻相差的电角度。

式中表示向上取整，应修正为比它大的邻近30°整倍数的线电压初相角φ_u。
Tip+φ_u＝180°                (3)
一种相序自适应式相控整流器，它的主回路包括主变压器B、电流互感器LG、可控硅全控整流桥、触发控制器，另外，它还设有一个同步信号生成电路，所述同步信号生成电路由运算放大器U1、U2、U3、可调电阻VR1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、电容C1、C2组成，运算放大器U1接成跟随器电路，其正相端经电阻R1、R2组成的电阻分压电路连接220V单相电源，输出端同时接运算放大器U3和U2的正相端，运算放大器U2和U3的输出端分别经电阻R8、R7接主回路触发控制器的外部中断管脚，它们的负相端接地，电阻R4、电容C1组成滤波电路，接在U3的输入端，可调电阻VR1、电容C2组成移相电路，接在U2的输入端。
上述相序自适应式相控整流器，所述触发控制器由CPU、信号输出电路U4、脉冲变压器TR1、电流互感器HG组成，其中，CPU的P0.1、P0.2分别接同步信号生成电路的两路中断信号INT1、INT2，CPU地输出端P2.2接信号输出电路U4的信号输入端，后者输出连接脉冲变压器TR1，脉冲变压器的输出接至可控硅SCR的触发极，电流互感器LG整流后的直流信号接至CPU的P1.1端，给定信号接至P1.2，信号输出电路U4采用达林顿管芯片。
上述相序自适应式相控整流器，在所述运算放大器U2和U3输出端与触发控制器外部中断管脚之间接入光耦隔离器。
上述相序自适应式相控整流器，在所述电阻R2上并联电阻R3。
上述相序自适应式相控整流器，所述运算放大器U1的正相端可用同步变压器代替电阻R1。
采用这种自动识别相控整流器相序相位的方法及实现该方法的相控整流器，可以由它的同步信号生成电路产生两路相位相差30°的同步信号，送入主回路触发控制器的外部中断管脚，由触发控制器自动判断主回路相序相位，确定正确的触发脉冲次序。这种整流器还简化了三相可控整流器带感性负载时安装调试过程，并具有电路设计简单的优点。
附图说明
图1是本发明主回路电原理图；
图2是同步信号生成电路电原理图；
图3是触发控制器电原理图；
图4是各相线电压与自然换相点对应表；
图5是桥式整流器移相控制算法程序框图；
图6是相位相序推算表；
图7是相序自适应判断算法主程序框图；
图8是具备相序自适应功能的相控整流器算法程序框图；
图9是三相不控整流电压波形及自然换相点(图中用深浅不同的正弦曲线表示三相波形)。
具体实施方式
三相全控桥式整流电路如图1所示。每个桥臂由一只半控器件或一组半控器件经过串并联技术(这时称一个桥臂为一个阀)构成，半控器件一般采用晶闸管。习惯上希望六个桥臂按从T1至T6的顺序触发，为此将六个桥臂按图1的顺序编号，其中T1和T4接在电源A相、T3和T6接在电源B相、T2和T2接在C相。上面三个桥臂(T1、T3、T5)的阴极连在一起，称为共阴极组，下面三个桥臂(T4、T6、T2)的阳极连在一起，称为共阳极组，共阴极组和共阳极组必须同时各有一个不同相的桥臂导通才能形成通路，所以必须同时控制。L代表负载电感，R表示负载电阻。
只考虑正序情形时，六路线电压的换相次序为UAB、UAC、UBC、UBA、UCA、UCB，下一周波重复上述过程。以桥臂编号表示，对应为T61、T12、T23、T34、T45、T56。每个周波有六次换相，对应6个自然换相点，自然换相点位于每路线电压60°时刻，如图9所示波形，即ωt分别为30°、90°、150°、210°、270°、330°时刻，总结后如图4中表所示。
自然换相点是对移相角实施控制的参考点，称之为同步信号。相控整流器必须首先确定正确的自然换相点。如图1所示，接于三相主回路的同步变压器采用Y，yn0接线，输出电压再移相30°，得ua’，则ua’滞后于线电压U_AB60°，如图2所示。ua’的过零点(只考虑由负向正的正向过零，另一个负向过零点不予考虑)对应UAB的自然换相点，经过过零比较电路形成方波，送入CPU的外部中断INT1，作为UAB的同步信号。利用CPU实现移相控制时，一般只取一路同步信号，即只取一路线电压的同步信号，以此为基准，利用软件推算出其它五个自然换相点。
以ua’过零中断为基准(称为外同步信号，由电路产生)，启动CPU集成的定时器T0每60°产生中断，每周波产生五次，代表其它的五个自然换相点(可称为内同步信号，由CPU产生)，利用另一个定时器T1处理移相。在(内、外)同步信号中断处理程序中，将移相值(主程序计算出移相角α，并折算为定时值存在变量TMP中)赋给定时器T1计数寄存器，当α＝60°时应减一个小值(SV)，避免与同步信号中断冲突。T1计数值减至零时发生下溢中断，中断处理程序中发出触发脉冲。整流桥带感性负载时移相范围为90°，大于90°进入逆变状态。
定义一数组PU＝[T61 T12 T23 T34 T45 T56]，令j表示下标。j＝0时PU[0]＝T61，对应第6、1号桥臂，依次类推。针对本节情况，外同步信号过零点是UAB的自然换相点，亦即触发第6、1号桥臂，对应j＝0，并且主回路为正序，设计算法时INTSEG取值代表了数组PU下标j的值。
控制软件由前后台任务构成，后台任务是一个超循环，前台任务由若干中断处理程序构成，移相控制算法如图5所示。
三相变压器原、副边各三个绕组，分别采用不同的联结方式、绕组绕向和标号，会形成原、副边线电压不同的相序相位关系，称之为联结组，考虑取同步信号需要中性线，副边应为yn接线，可以有十二种标准联结组，即Y，yn0、D，yn1、Y，yn2、D，yn3、Y，yn4、D，yn5、Y，yn6、D，yn7、Y，yn8、D，yn9、Y，yn10、D，yn11，不同联结组之间相位差总是30°整倍数。产生同步信号的同步变压器与三相主回路相连，采用Y，yn0联结组，再经阻容移相30°，所以同步信号与主回路相位关系容易判定。若假定同步信号取自电网任一相交流电压，与主回路三相交流电压可能取自不同变压器，这时同步信号与主回路三相电压的相位关系有多种可能。根据变压器联结组原理，并考虑主回路正序、负序两种相序，同步信号与三相主回路的相位关系最多有24种情况。
根据上述分析，每个线电压的自然换相点位于60°相位，同步信号与主回路电压的24种相位关系中，奇数位置不位于任一路线电压的60°相位，不是有效的同步信号。偶数位置是有效的同步信号。由于同步信号取自任一路交流电源，过零点有可能位于奇数位置，此时为获得有效同步信号，可将此同步信号移相(滞后)30°，得到两路互差30°的同步信号，其中必有且只有一路是有效同步信号。
图2所示的是本发明中同步信号生成电路电原理图。图中显示，220V分压输出4V左右电压进U1A，R2、R3并联提高可靠性，还可再并联一只5V稳压管；U1A跟随器作阻抗隔离，使RC移相准确；R4、C1值很小，只起滤波作用，基本不移相；VR1、C2两者值可以调节，获得30°移相(工频50Hz时)；U1C、U1B分别输出相位差30°的两路同步信号，再经光耦隔离送入CPU的外部中断管脚，此电路可省去同步变。当然如果220V经同步变压器降压后再接U1A(去掉R1)可进一步提高可靠性。
图3所示的是本发明采用的触发控制器的电原理图。图中显示，触发控制器由CPU、达林顿管集成电路2003组成。CPU为C8051F310芯片，它与8051兼容。电流反馈从三相主回路的电流互感器经不控整流取得，给定由外部电位器取得，根据实际工况，可以表示为转速给定或电流给定等。电流与给定分别接入C8051F310的P1.1和P1.0，这两个引脚可配置为内部A/D引脚，由CPU实现A/D转换。INT1和INT2由图2同步信号生成电路取得，P0.1和P0.0可配置为外部中断引脚，接收同步信号中断。P2.2至P2.7分别接至达林顿管集成电路2003的基极，2003的输出接脉冲变压器的初级，控制24V电源通断，从而在脉冲变压器的副边形成高频脉冲列，触发晶闸管的触发极。共六路触发信号驱动全控桥的六个桥臂。相序自适应算法由C8051F310CPU编程序实现。
在上述过程中，由同步信号生成电路产生两路相位相差30°的同步信号，送入主回路触发控制器的外部中断管脚，由触发控制器自动判断主回路相序相位。确定正确的触发脉冲相序的方法是：感性负载(负载阻抗角接近90°)的负载电流和端电压有比较固定的关系，即电流相位滞后电压接近90°。三相相控整流桥带感性负载时，若在某一时刻触发一对桥臂导通，测算出这一次触发导通产生的电流峰值时间Tip(可由A/D采样与定时器配合，连续比较计时计算求得)，可推算触发时刻与施加的线电压之间的相位关系。所谓Tip，是指电流达到峰值的时间变换为工频电角度表示的数值，若电流达到峰值的时间为10ms，则等价于Tip等于180°。触发时刻由同步信号(经电网某一相电压经过零比较电路产生)的过零点确定。由变压器接线组别原理可知，不论何种电压等级，同步信号与线电压相位必然是30°的整倍数。以30°为间隔，主回路线电压为正序和负序时各有12种相位关系。由三相相控整流器工作原理可知，每路线电压的自然换相点都位于该线电压60°相位，并对应其它两路线电压的0°和120°，即只有同步信号与某路线电压相位是0°、60°或120°，才是有效的同步信号。而当相位为30°、90°、150°时，不是60°的整倍数，不会成为自然换相点。因此利用同步信号生成电路形成两路相差30°的同步信号(一路可由220V控制用电源经过降压过零比较取得，另一路在前一路的基础上移相30°产生)。若一路不是60°的整倍数。则另一路一定是。一旦推算出某一路同步信号不会成为自然换相点，则取另一路为正确的同步信号。
在同步信号过零点触发整流桥的一对晶闸管，共有6种组合，即T12、T23、T34、T45、T56、T61。6种触发依次在负载上施加6种线电压，或者说6种触发对应6种线电压，即U_AB、U_BA、U_BC、U_CB、U_AC、U_CA，其中只有3种是有效正电压，形成电流，另外3种为负电压，不能导通。同步信号与3种有效正电压的相位关系也有3种，即0°、60°、120°，位于线电压60°相位时，即为该路线电压自然换相点，而位于0°相位的那路线电压相当于滞后60°相位线电压120°，若触发该桥臂序号位于60°相位的那对桥臂序号之后，则三相主回路电压为正序，反之为负序。最终确定了同步信号是哪一相的自然换相点，并确定了相序。同步信号过零中断应该触发的一对桥臂由上述方法确定，其它5路同步信号可利用定时器将工频六倍频，并由定时器中断产生，触发次序由已确定的相序决定。触发时刻由控制系统给定并经过计算转化为定时器延时中断来实现。
由于同步信号与主回路电压的相位关系是30°的整倍数，由电流峰值时间推算同步信号与主回路电压相位关系时，只要负载阻抗角大于75°，都可以正确判断，但负载阻抗角较小，如小于65°，加上采样测量及定时器误差，会引起相位关系的误判。
总结以上分析，得出相位相序推算表，如图6中表所示。
在图7所示的算法框图中，首先判断出二路同步信号中哪一路有效，并将有效中断序号存在INTNUM变量中。
先假定INTNUM＝INT1，触发桥臂编号从j＝0开始。在同步信号电压过零中断处理程序中触发一对桥臂，其编号由j决定，如图中的同步中断处理程序所示。图中主程序的循环中首先延时4个周波等上次触发导通的电流消耗至零，使桥臂关断。然后等待中断发生。
中断一旦发生，即检测到变量first_trigger＝1，开始检测电流并启动定时器T0。由I_AD( )子程序完成电流采样并存入变量Id。若电流在3ms内仍小于限值(20)，表示本次触发的线电压为负，没有导通，对j加1后继续下次触发，直至j＝5。否则利用变量Id1、Id2分别存贮上次和本次电流值并实时比较，直到电流不再增长，即电流最大时，定时器T0的计数值表示电流从零至峰值经过的时间，称电流峰值时间，文中用Tip表示。T0计数周期设为2us，据公式
T₀×2×10^-3×90/5可将时间值转化为电角度表示，并存入Id1，相当于上文分析中的Tip，根据公式 Id 2 = ( Id 1 30 ) * 30 ]]>(相当于公式2)，表示先进行整数除法，只保留整数，再乘30。若原值Id1＞Id2，将Id2加30赋给Id1，否则Id1＝Id2，总之 Id1中保存着原Id1电角度邻近的稍大的30°整倍数值。
Id1＝30、90或150亦即φ_u＝150、90或30(根据公式3)时，表示该路同步信号无效。
当Id1＝120时对应φ_u＝60，即该路线电压自然换相点，将此时的j存入j1。
当Id1＝180时对应φ_u＝0，即该路线电压滞后于j1对应的那路线电压60°，将此时的j存入j2，也正是整流桥正常工作时触发j1后应触发的桥臂。
若j1＜j2或j1＝5且j2＝0，都表示正序，令order＝1；否则为负序，令order＝1。
最终本算法输出三个变量：
INTNUM表示有效同步信号；
j1表示同步信号过零作为同步信号应启动触发的桥臂编号；
order表示主回路相序。
图8是具备相序自适应功能的相控整流器算法，它是在图5移相控制算法的基础上，根据图7的相序自适应判断算法输出的三个变量进行修正。主程序根据INTNUM值使能INT1或INT2，其余不变。
对图5主要的修正是T1中断处理程序，在正序时，触发桥臂编号为(j1+INTSEG+A)％6；以A＝0，j1＝0时为例，随着INTSEG从0到5，则触发次序依次为0、1、2、3、4、5。在负序时，触发(j1+6-INTSEG+A)％6；以A＝0，j1＝0时为例，随着INTSEG从0到5，则触发次序依次为0、5、4、3、2、1。A表示当触发角α＞60°时为1，当α＜＝60°时为0。j1含义见图7说明。