整流設備及其通用數字控制裝置的研究開發

摘 要：隨著電力電子技術的不斷發展和控制技術水平的不斷提高，整流裝置在很多工業領域中都得到了廣泛應用。由于整流裝置的被控對象相對復雜，并且具有時變性，因此，對設備內部各個環節的控制達到最佳，保障整個整流裝置的輸出穩定性非常重要。本文將針對整流設備及其通用數字控制裝置的研究開發進行簡單的論述。

關鍵詞：整流設備；數字控制裝置

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：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

電力電子技術與各種控制技術的結合應用使電力電子技術在工業生產、交通運行和社會生活等多個領域中都得到了不斷的發展。晶閘管整流是整流設備中最典型的應用，特別是在大功率的場合中，脈沖觸發和調節控制環節是整流裝置中最重要的設計。因此，本文將從這幾個方面進行研究。

1 整流設備的研究開發現狀

1.1 整流設備的應用現狀

整流設備的應用涉及多個方面，首先是在一般工業中的應用，直流電動機由于良好的調速性被廣泛地應用在工業中，其良好的調速性能夠使用于多種場合，為直流電動機供電的電子裝置大多數是整流電源設備，另外電解鋁、電解食鹽水、冶金工程等電化學工業的電源也多由整流設備提供。在交通運輸中，整流設備也有很大的用途，例如，電力機車中的直流供電和交流機車中的變頻電源，特別是在未來的磁懸浮列車中，整流設備將發揮關鍵性的作用。另外，在家用電器設備中也存在整流設備，比較典型的變頻空調器。由此可見，整流設備的應用非常廣泛，而且對人們的生活有著一定的影響。

1.2 晶閘管整流設備中脈沖觸發控制的研究現狀

模擬觸發電路和和數字觸發電路是晶閘管整流觸發電路中常見的兩種類型，一種是模擬信號，一種是數學信號，脈沖觸發作為晶閘管整流設備中的核心控制技術，是確保晶閘管正常工作的關鍵因素，但是當前的晶閘管整流設備中存在一些問題，傳統的脈沖觸發裝置通常采用三相同步變壓器，這種變壓器盡管能夠簡單地獲得同步信號，但缺乏對稱性和穩定性，很容易造成脈沖紊亂。另外，觸發脈沖的可靠性不高，常會出現脈沖丟失或者過于損耗晶閘管的現象。

1.3 整流設備機器數字控制裝置的研究開發內容

為了解決上述整流設備中存在的問題，本文通過在硬件設計和控制系統設計上進行研究開發。例如，大功率晶閘管整流脈沖控制中的脈沖觸發，電壓電流采集以及模塊驅動和放大等，使整流設備及其通用數字控制裝置得到改進。

2 整流設備及其通用數字控制裝置的硬件設計

2.1 整流設備的控制裝置組成

以晶閘管整流設備為例，它的控制裝置由脈沖觸發控制裝置的主回路、控制回路以及操作回路組成，主回路包括供電電源、晶閘管三相橋式整流電路，控制回路由同步信號變換和檢測電路、脈沖觸發與移向控制電路等組成，操作回路由過流保護、截壓保護和缺相保護等構成，這些裝置是整流設備的重要組成部分，能夠保障整流設備正常工作。

2.2 整流設備控制裝置硬件設計

硬件設計要從多個方面進行規劃，選擇單片機最小控制系統，電源的設計要選擇使用變壓器變壓、二極管整流、電容濾波和三端穩壓器穩壓的方式得到直流電或交流電，保障電源提供的電壓穩定，功率消耗小，諧波小，滿足控制裝置的需求。確定電源以后要確定電路設計，選擇同步信號采樣電路，保障其相序自適應的能力，確保其不會由于因電源輸入時的相序不同而發生混亂，以防整流設備中的晶閘管受到損害。另外，要做信號放大以及處理電路的工作，采用適當的方式對給定的信號以及電壓反饋信號調理電路，利用AD轉換電路，脈沖觸發產生電路，通過這一系列的設計使整流設備控制裝置的硬件設置完備。

2.3 對通用性數字脈沖觸發器的要求

脈沖觸發電路是晶閘管整流設備中的核心技術，也是裝置正常有效工作的關鍵，晶閘管的型號很多，電路種類也多樣，所以對脈沖觸發器的要求也不同。常用的晶閘管脈沖觸發器有移向脈沖觸發、過零脈沖觸發以及脈沖序列觸發等，種類雖然不同，但是要求是一致的：第一，觸發脈沖的相位與晶閘管整流主電路的相位必須一致，同時頻率也要保持一致，觸發脈沖要保障充足的功率和幅度，并且觸發脈沖的電壓幅值要大于晶閘管門極要求的數值；第二，觸發脈沖還要有一定的寬度，前沿盡可能陡，保證在觸發以后設備能夠及時導通。

3 整流設備及其通用數字控制裝置的軟件設計

3.1 整流設備中軟件設計的組成

首先，確定軟件設計的整體設計，其軟件設計包括故障在線監測、AD采樣、故障顯示與報警等多個環節。其核心是脈沖觸發產生位置移相，第一，要進行相序監測以及缺相判斷，第二，進行AD采樣軟件設計，這一環節主要的目的是對給定信號、反饋信號以及控制信號進行采樣，送至硬件設計中的單片機進行數據處理，從而完成對系統的控制；其次，進行PID調節的軟件設計，判斷直流電壓的整流輸出；最后，進行故障判斷，當整流設備開始通入電流，裝置進行故障檢測，出現故障就會有報警指令，若沒有故障就會順利開始工作，這個組成環節是為了避免在整流設備應用時發生事故，減少由于設備故障造成的損失。

3.2 脈沖觸發以及相序自適應的設計

脈沖觸發的軟件編程是軟件設計的核心。在相序自適應的影響下，脈沖觸發根據不同的相序輸出，使晶閘管導通，然后對輸出電壓的大小進行控制，通過這一環節的控制，整流設備在應用過程中，移相受到的干擾小，變得更加準確，整流設備的電壓也相對更穩定。另外，也保證了脈沖觸發的實時性，而且位置準確。

3.3 整流設備中的抗干擾系統

外界的干擾會使設計的軟件程序受到不良影響，特別是單機片的工作，如果抗干擾能力不強會使程序跑飛，使程序陷入死循環以至于無法正常工作。因此，在設計上要注意對運行狀態進行實時監控，可以采用“看門狗監測芯片”，防止程序跑飛，保障系統正常運行。

4 整流設備以及數字控制設置在研究開發中需要注意的問題

4.1 硬件調試中需要注意的問題

硬件正常的運行，是保障軟件和整個系統正常工作的基礎，所以在研究開發中，對硬件進行調試才能保障整流設備的工作質量。首先要確保電路的完整性，不能人為的破壞電路，各個元件之間要進行良好的焊接，焊接好以后，檢查焊接的情況，數字地與數字電源是否分開，元件之間是否相通，還要確定電路是否有短路現象發生，通電以后，還要觀察電路板上芯片的發熱情況，若出現不正常的現象，則仍需檢查。

4.2 軟件調試中需要注意的問題

整流設備的軟件調試是在Keil C環境下進行，首先將系統中的軟件分為不同的模塊，針對每一個小模塊進行調解和檢測，確保每一個小模塊正常工作，才可以將眾多小模塊進行拼接，一旦出現問題，要采取合適的手段，更改或者重新編制設備中的軟件程序，每一個子程序的準確性與整個軟件程序息息相關，輸出正常的脈沖是進行軟件調試的最終目標。

4.3 整流設備的整體調試

在對整流設備控制裝置的硬件和軟件進行調試與檢測以后，總結硬件與軟件中出現的問題，對整個裝置進行調試檢測，在將所有元件連接好給電以后，可以采用兩種辦法進行調節：一種是手動調節，這種方式調節容易出現在接通電源后，調節給定的電位器，輸出電壓比較不穩定，波動比較大的現象，這種情況出現時，要觀察設備中的觸發脈沖，發現其中的問題，并予以糾正；另一種方式是自動調節，自動調節是在給定信號一定時，觀察輸出是否跟隨給定的信號變化，如果不能正常運行，那么整體調試還要重新檢查。

4.4 保護功能的研究

在對整流設備及其數字控制系統進行開發設計之后，要對其保護功能進行研究，這一個過程不能略過。第一是過壓保護，整流設備輸出的電壓大于額定電壓時的設備狀態；第二是過流保護，當輸出的電流大于額定電流時的設備狀態。這兩種保護功能是對整流設備本身的保護，超過的電壓和電流要控制在一定范圍內，否則就失去了意義。另外的保護功能是對脈沖的封鎖以及丟失的保護，避免設備出現無法工作的情況，或者燒壞晶閘管。

5 結 論

整流設備及其數字控制裝置的研究開發中有很多因素要進行考慮，無論是硬件還是軟件，都需要精心的設計和測試，在使用過程中要加強監測和保護，確保裝置產生的觸發脈沖可靠性高，對稱性好，晶閘管在穩定的觸發下正常高效的工作。

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作者簡介：賈宇（1983-），男，陜西西安人，技術員，工程師，工程碩士。研究方向：變流設備及其通用數字控制裝置的研究開發。