一種改進的數字晶閘管觸發器

劉 勝, 陳 娟, 李進濤, 于 丹

(長春工業大學電氣與電子工程學院,吉林長春 130012)

0 引 言

DKSZ-3型電力電子實驗裝置采用的集成化晶閘管移相觸發電路屬于模擬電路,由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成與放大輸出等部分構成。該觸發電路由 3片集成觸發電路芯片KC004和1片集成雙脈沖發生器芯片KC041組成,存在控制精度較低、調試困難、故障率高、對稱度較差、只能由示波器的波形推測導通角等缺點。

文獻[1]提出一種新型的晶閘管數字化觸發電路。在同步環節采用每周提供一個同步脈沖的方法,即單通道定時法,利用單片機內部定時器的自啟動方式,產生6個同步脈沖信號[1]。在這種情況下,三相電源的波動會引起誤差。在移相控制環節,將 α分為3個區段,當α大于60°時,通過參考點前移來防止脈沖漏相,實驗證明,在α接近60°或者120°時,運用此方法會出現脈沖漏相。文中設計的基于單片機ATmega16的數字觸發電路通過增加檢測電路和充分利用單片機的中斷和定時器資源,優化了同步和移相控制兩個環節,減小了誤差,不會出現脈沖漏相。其移相觸發角α由鍵盤輸入,液晶LCM128645ZK顯示相關信息。

1 數字晶閘管觸發器

1.1 數字晶閘管觸發器的控制原理

在三相橋式全控整流電路中,將一個周期按自然換相點等分為6個區間,每個區間為60°。區間Ⅰ(自然換相點1～2區間):VT1和VT6被觸發導通;Ⅱ(自然換相點2～3區間):VT1和VT2被觸發導通;Ⅲ(自然換相點3～4區間):VT3和VT2被觸發導通;Ⅳ(自然換相點4～5區間):VT3和VT4被觸發導通;Ⅴ(自然換相點5～6區間):VT5和VT4被觸發導通;Ⅵ(自然換相點6～1區間):VT5和VT6被觸發導通。一個周期完成后,以后各周期重復上述工作過程。

為了保證三相全控橋在合閘工作時能形成電流通路,或者由于電流斷續后能再次導通,必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時施加觸發脈沖。為此,可采用雙窄脈沖法。雙窄脈沖法的實質有兩個含義:一是給兩組應導通的兩個晶閘管同時送去觸發脈沖;二是在一個周期內,對每一個晶閘管相繼給予兩個觸發脈沖,其間隔為60°,從而保證在換相或合閘時均有相鄰兩個晶閘管被觸發導通[2]。雙窄脈沖的觸發過程如圖1所示。

圖1 三相全控橋式整流電路的觸發脈沖

1.2 數字晶閘管觸發器的構成

數字晶閘管觸發器與模擬晶閘管觸發器一樣,主要由同步信號檢測移相控制電路、脈沖形成電路、脈沖分選電路和觸發脈沖驅動電路4部分組成。自然換相點為線電壓Uac,Uc b,Uba的過零點,同步信號是線電壓經檢測電路得到的下降沿,它們作為外部中斷源在ATmega16中實現同步,ATmega16通過軟件完成移相計算,按移相要求輸出觸發脈沖。

系統總體框圖如圖2所示。

圖2 系統總體框圖

2 改進的數字觸發技術

2.1 脈沖同步的改進

同步概念有兩個含義:一是觸發脈沖的頻率與主回路電壓的頻率要一致;二是輸出脈沖的相位要符合主回路電壓在相位上的要求[2]。Uac,Ucb,Uba降壓后,接在雙光耦上如圖3所示。

圖3 線電壓檢測電路以及得到的同步信號

TPL521-2為光電耦合器,起隔離作用。當正弦交流電壓接近零時,光電耦合器的兩個發光二極管截止,三極管Q1基極的偏置電阻電位使之導通,產生負脈沖信號[4]。Q1的輸出端分別接到ATmega16的外部中斷請求源輸入引腳PORTD.2,PORTD.3,PORTB.2,中斷設置下降沿有效。在每一個電源周期,線電壓Uac,Uba,Uc b的過零點將各輸出兩個同步下降沿,1個周期內一共輸出6個同步下降沿,在相位上相差60°,它們是6個工作區間的參考點。

相電壓檢測電路和得到的同步信號如圖4所示。

圖4 同步信號檢測電路和得到的同步信號

相電壓經降壓后由LM339電壓比較器進行檢測,LM339輸出與相電壓同頻的方波,一個周期內得到3個分別能夠檢測Uao,Ubo,Uco相位正負的方波,經光電隔離電路接到ATmega16的查詢口PORTA.0～PORTA.2。

3個外部中斷源和3個查詢口結合,能準確得到與6個自然換相點同步的6個下降沿。AT-mega16的端口PORTC.0～PORTC.5用于輸出6路觸發脈沖信號,采用了低電平為有效觸發晶閘管的信號。6路脈沖信號經過光耦接到脈沖變壓器的初級繞組。邏輯關系見表1。

表1 邏輯關系

2.2 脈沖移相的改進

同步信號作用外部中斷,在外部中斷服務程序里啟動定時器。首先定時α電角度所對應的時間tα,觸發脈沖將在定時器的中斷時刻發出;定時器中斷服務程序重新寫入定時器的初值,再定時脈沖寬度所對應的時間tmk,觸發脈沖將在定時器的中斷時刻結束;退出中斷。

主程序包括系統初始化、同步信號判定、顯示程序、控制角的輸入與計算、脈沖信號的輸出、系統啟動復位等。外部中斷服務子程序及主程序流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 外部中斷服務子程序

圖6 主程序

2.3 脈沖驅動以及人機界面

脈沖驅動電路包括脈沖放大器和脈沖變壓器,驅動電路主要由光電隔離和脈沖變壓器組成。由ATmega16輸出的觸發脈沖信號經VT1,VT2晶體管放大后經脈沖變壓器輸出至晶閘管的門級和陰極。6路信號的功放原理和硬件電路圖完全一樣,其中的一路如圖7所示。

圖7 脈沖驅動電路

人機界面由鍵盤和液晶組成,如圖8所示。

圖8 人機界面

鍵盤實現向單片機輸入導通角α,LCD用于顯示相關信息。鍵盤接口為矩陣式,LCD選用LCM128645ZK。

3 實驗與分析

將設計的數字晶閘管觸發器應用于三相橋式全控整流電路中,整流電源為三相220V交流電源,電源頻率為50 Hz,頻率波動范圍為±5%,負載為阻感性負載。

實驗表明,同步環節利用單片機內部定時器的自啟動方式產生6個同步脈沖信號時,系統同時運用了多個外部中斷和定時器,需要設置中斷優先級,而MCS-51的中斷系統具有兩個中斷優先級,只能實現兩級中斷服務程序嵌套,會出現中斷得到響應執行中斷服務程序時被其它中斷源所中斷的問題,造成脈沖漏相或者脈沖移相。另外,檢測電路的死區和三相電源的波動都會引起很大的誤差。為了減小誤差和解決脈沖漏相、移相的問題,基于ATmega16的數字觸發電路通過增加檢測電路和充分利用單片機的外部中斷和定時器資源,能夠通過硬件電路準確找到6個工作區間的起始點,所有定時由硬件完成,不存在中斷嵌套,很好地優化了同步和移相控制兩個環節,減小了誤差,不會出現脈沖漏相或移相。6路雙窄脈沖相位互差60°,其中的一路如圖9所示。

圖9 雙窄脈沖

4 結 語

設計的基于ATmega16的數字晶閘管觸發器解決了模擬觸發電路各路移相控制存在某種程度的不一致和觸發效果差的問題,在導通角α可調節的范圍內脈沖不會漏相或者移相,6個工作區間的參考點不受電網中各種因素的影響,能夠被準確檢測,產生的脈沖穩定性好,相序自適應,抗干擾性強。在實驗中發現電阻、電容參數的選擇對減小誤差至關重要,觸發器的硬件電路還可以進一步優化,對檢測電路死區的軟件補償有待進一步研究。

[1]李慧,蘇宏英,方昌始.晶閘管調功器的一種數字化觸發電路[J].工業加熱,2004,33(1):42-45.

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