一種改進的數(shù)字晶閘管觸發(fā)器

劉 勝, 陳 娟, 李進濤, 于 丹

(長春工業(yè)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(fā)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(fā)電路由 3片集成觸發(fā)電路芯片KC004和1片集成雙脈沖發(fā)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(shù)字化觸發(fā)電路。在同步環(huán)節(jié)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(huán)節(jié),將 α分為3個區(qū)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(xiàn)脈沖漏相。文中設計的基于單片機ATmega16的數(shù)字觸發(fā)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(yōu)化了同步和移相控制兩個環(huán)節(jié),減小了誤差,不會出現(xiàn)脈沖漏相。其移相觸發(fā)角α由鍵盤輸入,液晶LCM128645ZK顯示相關信息。

1 數(shù)字晶閘管觸發(fā)器

1.1 數(shù)字晶閘管觸發(fā)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(qū)間,每個區(qū)間為60°。區(qū)間Ⅰ(自然換相點1～2區(qū)間):VT1和VT6被觸發(fā)導通;Ⅱ(自然換相點2～3區(qū)間):VT1和VT2被觸發(fā)導通;Ⅲ(自然換相點3～4區(qū)間):VT3和VT2被觸發(fā)導通;Ⅳ(自然換相點4～5區(qū)間):VT3和VT4被觸發(fā)導通;Ⅴ(自然換相點5～6區(qū)間):VT5和VT4被觸發(fā)導通;Ⅵ(自然換相點6～1區(qū)間):VT5和VT6被觸發(fā)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(xù)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)導通[2]。雙窄脈沖的觸發(fā)過程如圖1所示。

圖1 三相全控橋式整流電路的觸發(fā)脈沖

1.2 數(shù)字晶閘管觸發(fā)器的構成

數(shù)字晶閘管觸發(fā)器與模擬晶閘管觸發(fā)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(fā)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(jīng)檢測電路得到的下降沿,它們作為外部中斷源在ATmega16中實現(xiàn)同步,ATmega16通過軟件完成移相計算,按移相要求輸出觸發(fā)脈沖。

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 改進的數(shù)字觸發(fā)技術

2.1 脈沖同步的改進

同步概念有兩個含義:一是觸發(fā)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(fā)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(qū)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(jīng)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(jīng)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(fā)脈沖信號,采用了低電平為有效觸發(fā)晶閘管的信號。6路脈沖信號經(jīng)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(fā)脈沖將在定時器的中斷時刻發(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)脈沖信號經(jīng)VT1,VT2晶體管放大后經(jīng)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(xiàn)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(shù)字晶閘管觸發(fā)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(huán)節(jié)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(tǒng)同時運用了多個外部中斷和定時器,需要設置中斷優(yōu)先級,而MCS-51的中斷系統(tǒng)具有兩個中斷優(yōu)先級,只能實現(xiàn)兩級中斷服務程序嵌套,會出現(xiàn)中斷得到響應執(zhí)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(qū)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(shù)字觸發(fā)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(qū)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(yōu)化了同步和移相控制兩個環(huán)節(jié),減小了誤差,不會出現(xiàn)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(shù)字晶閘管觸發(fā)器解決了模擬觸發(fā)電路各路移相控制存在某種程度的不一致和觸發(fā)效果差的問題,在導通角α可調節(jié)的范圍內脈沖不會漏相或者移相,6個工作區(qū)間的參考點不受電網(wǎng)中各種因素的影響,能夠被準確檢測,產生的脈沖穩(wěn)定性好,相序自適應,抗干擾性強。在實驗中發(fā)現(xiàn)電阻、電容參數(shù)的選擇對減小誤差至關重要,觸發(fā)器的硬件電路還可以進一步優(yōu)化,對檢測電路死區(qū)的軟件補償有待進一步研究。

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