一种改进的数字晶闸管触发器

刘 胜, 陈 娟, 李进涛, 于 丹

(长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春 130012)

0 引 言

DKSZ-3型电力电子实验装置采用的集成化晶闸管移相触发电路属于模拟电路,由同步、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成与放大输出等部分构成。该触发电路由 3片集成触发电路芯片KC004和1片集成双脉冲发生器芯片KC041组成,存在控制精度较低、调试困难、故障率高、对称度较差、只能由示波器的波形推测导通角等缺点。

文献[1]提出一种新型的晶闸管数字化触发电路。在同步环节采用每周提供一个同步脉冲的方法,即单通道定时法,利用单片机内部定时器的自启动方式,产生6个同步脉冲信号[1]。在这种情况下,三相电源的波动会引起误差。在移相控制环节,将 α分为3个区段,当α大于60°时,通过参考点前移来防止脉冲漏相,实验证明,在α接近60°或者120°时,运用此方法会出现脉冲漏相。文中设计的基于单片机ATmega16的数字触发电路通过增加检测电路和充分利用单片机的中断和定时器资源,优化了同步和移相控制两个环节,减小了误差,不会出现脉冲漏相。其移相触发角α由键盘输入,液晶LCM128645ZK显示相关信息。

1 数字晶闸管触发器

1.1 数字晶闸管触发器的控制原理

在三相桥式全控整流电路中,将一个周期按自然换相点等分为6个区间,每个区间为60°。区间Ⅰ(自然换相点1～2区间):VT1和VT6被触发导通;Ⅱ(自然换相点2～3区间):VT1和VT2被触发导通;Ⅲ(自然换相点3～4区间):VT3和VT2被触发导通;Ⅳ(自然换相点4～5区间):VT3和VT4被触发导通;Ⅴ(自然换相点5～6区间):VT5和VT4被触发导通;Ⅵ(自然换相点6～1区间):VT5和VT6被触发导通。一个周期完成后,以后各周期重复上述工作过程。

为了保证三相全控桥在合闸工作时能形成电流通路,或者由于电流断续后能再次导通,必须对两组中应导通的一对晶闸管同时施加触发脉冲。为此,可采用双窄脉冲法。双窄脉冲法的实质有两个含义:一是给两组应导通的两个晶闸管同时送去触发脉冲;二是在一个周期内,对每一个晶闸管相继给予两个触发脉冲,其间隔为60°,从而保证在换相或合闸时均有相邻两个晶闸管被触发导通[2]。双窄脉冲的触发过程如图1所示。

图1 三相全控桥式整流电路的触发脉冲

1.2 数字晶闸管触发器的构成

数字晶闸管触发器与模拟晶闸管触发器一样,主要由同步信号检测移相控制电路、脉冲形成电路、脉冲分选电路和触发脉冲驱动电路4部分组成。自然换相点为线电压Uac,Uc b,Uba的过零点,同步信号是线电压经检测电路得到的下降沿,它们作为外部中断源在ATmega16中实现同步,ATmega16通过软件完成移相计算,按移相要求输出触发脉冲。

系统总体框图如图2所示。

图2 系统总体框图

2 改进的数字触发技术

2.1 脉冲同步的改进

同步概念有两个含义:一是触发脉冲的频率与主回路电压的频率要一致;二是输出脉冲的相位要符合主回路电压在相位上的要求[2]。Uac,Ucb,Uba降压后,接在双光耦上如图3所示。

图3 线电压检测电路以及得到的同步信号

TPL521-2为光电耦合器,起隔离作用。当正弦交流电压接近零时,光电耦合器的两个发光二极管截止,三极管Q1基极的偏置电阻电位使之导通,产生负脉冲信号[4]。Q1的输出端分别接到ATmega16的外部中断请求源输入引脚PORTD.2,PORTD.3,PORTB.2,中断设置下降沿有效。在每一个电源周期,线电压Uac,Uba,Uc b的过零点将各输出两个同步下降沿,1个周期内一共输出6个同步下降沿,在相位上相差60°,它们是6个工作区间的参考点。

相电压检测电路和得到的同步信号如图4所示。

图4 同步信号检测电路和得到的同步信号

相电压经降压后由LM339电压比较器进行检测,LM339输出与相电压同频的方波,一个周期内得到3个分别能够检测Uao,Ubo,Uco相位正负的方波,经光电隔离电路接到ATmega16的查询口PORTA.0～PORTA.2。

3个外部中断源和3个查询口结合,能准确得到与6个自然换相点同步的6个下降沿。AT-mega16的端口PORTC.0～PORTC.5用于输出6路触发脉冲信号,采用了低电平为有效触发晶闸管的信号。6路脉冲信号经过光耦接到脉冲变压器的初级绕组。逻辑关系见表1。

表1 逻辑关系

2.2 脉冲移相的改进

同步信号作用外部中断,在外部中断服务程序里启动定时器。首先定时α电角度所对应的时间tα,触发脉冲将在定时器的中断时刻发出;定时器中断服务程序重新写入定时器的初值,再定时脉冲宽度所对应的时间tmk,触发脉冲将在定时器的中断时刻结束;退出中断。

主程序包括系统初始化、同步信号判定、显示程序、控制角的输入与计算、脉冲信号的输出、系统启动复位等。外部中断服务子程序及主程序流程图分别如图5和图6所示。

图5 外部中断服务子程序

图6 主程序

2.3 脉冲驱动以及人机界面

脉冲驱动电路包括脉冲放大器和脉冲变压器,驱动电路主要由光电隔离和脉冲变压器组成。由ATmega16输出的触发脉冲信号经VT1,VT2晶体管放大后经脉冲变压器输出至晶闸管的门级和阴极。6路信号的功放原理和硬件电路图完全一样,其中的一路如图7所示。

图7 脉冲驱动电路

人机界面由键盘和液晶组成,如图8所示。

图8 人机界面

键盘实现向单片机输入导通角α,LCD用于显示相关信息。键盘接口为矩阵式,LCD选用LCM128645ZK。

3 实验与分析

将设计的数字晶闸管触发器应用于三相桥式全控整流电路中,整流电源为三相220V交流电源,电源频率为50 Hz,频率波动范围为±5%,负载为阻感性负载。

实验表明,同步环节利用单片机内部定时器的自启动方式产生6个同步脉冲信号时,系统同时运用了多个外部中断和定时器,需要设置中断优先级,而MCS-51的中断系统具有两个中断优先级,只能实现两级中断服务程序嵌套,会出现中断得到响应执行中断服务程序时被其它中断源所中断的问题,造成脉冲漏相或者脉冲移相。另外,检测电路的死区和三相电源的波动都会引起很大的误差。为了减小误差和解决脉冲漏相、移相的问题,基于ATmega16的数字触发电路通过增加检测电路和充分利用单片机的外部中断和定时器资源,能够通过硬件电路准确找到6个工作区间的起始点,所有定时由硬件完成,不存在中断嵌套,很好地优化了同步和移相控制两个环节,减小了误差,不会出现脉冲漏相或移相。6路双窄脉冲相位互差60°,其中的一路如图9所示。

图9 双窄脉冲

4 结 语

设计的基于ATmega16的数字晶闸管触发器解决了模拟触发电路各路移相控制存在某种程度的不一致和触发效果差的问题,在导通角α可调节的范围内脉冲不会漏相或者移相,6个工作区间的参考点不受电网中各种因素的影响,能够被准确检测,产生的脉冲稳定性好,相序自适应,抗干扰性强。在实验中发现电阻、电容参数的选择对减小误差至关重要,触发器的硬件电路还可以进一步优化,对检测电路死区的软件补偿有待进一步研究。

[1]李慧,苏宏英,方昌始.晶闸管调功器的一种数字化触发电路[J].工业加热,2004,33(1):42-45.

[2]林忠岳.现代电力电子应用技术[M].北京:科学出版社,2007.

[3]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.

[4]于新潮.双向可控硅过零触发电路的设计[J].包头职业技术学院学报,2009,10(1):13-14.

[5]徐德鸿,马皓,汪槱生.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2006.

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