雙向晶閘管的數字化移相觸發控制器設計*

魏海波，梅建偉，劉 杰

（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

隨著電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通等眾多領域中的應用日益廣泛，由此帶來的諧波問題越來越嚴重[1]，諧波對電網和用電設備都有著或多或少的危害；對于采用相控方式控制的設備尤其嚴重，輕則導致設備工作異常，重則引起設備的損壞，引發嚴重事故。

傳統的晶閘管控制器多采用模擬式脈沖觸發電路，雖然模擬式觸發器技術已經較為成熟，但采用分立元件搭建，存在器件參數分散、溫漂現象嚴重、產生的脈沖對稱性差、可靠性差等一系列缺點[2－3]，在諧波的干擾作用下更是嚴重影響控制器的實用性。數字電路的發展為解決這些問題帶來了契機：利用嵌入式微處理器配合簡潔的硬件處理電路，通過微處理器超強的運算處理能力以及抗干擾性能，能夠實現移相精準、可靠性高的數字化移相觸發控制器[4－5]。

在晶閘管觸發電路由模擬電路向數字電路的發展過程中，數字化不僅可以提高系統的精度，而且能夠提高系統的抗干擾能力，還符合當前技術發展由模擬向數字化轉變的趨勢。

1 系統框架

本設計中，采用宏晶公司出品的8位單片機STC15W408AS作為移相控制器的主控單元，完成邏輯判定、數據處理以及信號輸出、封鎖與保護等功能；利用交流同步整形電路實現交流信號由正弦波向矩形波的轉變，以便于控制器檢測交流信號的過零點并診斷交流信號頻率[6－7]；按鍵電路和反饋采樣電路構成控制器設定和反饋下的閉環穩定輸出單元；控制器在外部設定的作用下通過運算計算出觸發控制角，生成寬脈沖移相信號，在交流同步信號的作用下輸出，經過驅動放大后驅動雙向晶閘管[8－9]。其具體的系統框架如圖1所示。

圖1 數字化移相控制器系統

2 硬件電路設計

系統硬件電路如圖2所示。

圖2 數字化移相控制器硬件電路原理

2.1 輔助電源

輔助電源取自市電，在變壓器隔離、降壓后，通過二極管不控整流電路進行整流，經穩壓濾波后在線性穩壓LDO芯片作用下得到低壓穩壓電源，提供控制系統及各外圍電路模塊的電源供應。

2.2 同步信號整形模塊

同樣，市電經過變壓器隔離、降壓后，在二極管不控整流電路的作用下進行整流，濾波后經過共射極三極管開關電路將脈動的直流電信號轉換成脈沖波信號，供MCU進行過零信號的檢測。其具體的轉換過程如圖3所示。

圖3 交流信號同步整形

2.3 控制器模塊

采用宏晶公司15系列單片機眾多型號中性價比較高的STC15W408AS，該MCU內部自帶穩定性好且頻率可調節的晶振模塊，只需要配合復位電路即可構成單片機最小系統。

2.4 隔離驅動模塊

控制器是整個系統的核心，需要確保其運行的可靠性和安全性。采用高速光耦6N136作為信號隔離器件，實現控制電路與主電路的信號隔離，驅動信號在隔離電源的作用下驅動雙向晶閘管，實現主電路的交流電移相輸出。

3 軟件設計

移相軟件部分主要是通過監測交流同步信號獲取過零時刻點、根據設定的輸出要求對移相相角進行實時運算處理，得出觸發脈沖的觸發時刻點并輸出觸發脈沖信號。程序整體流程如圖4所示。

圖4 數字式移相觸發器總體流程

各模塊作用說明如下。

（1）CPU初始化模塊：用于對所使用的單片機片上資源進行上電配置，使其滿足后續的功能要求。

（2）頻率監測模塊：用于監控交流電頻率異常，主要針對嚴重諧波干擾下的頻率狀態故障診斷，嚴重時封鎖移相脈沖輸出。

（3）設定輸出電角度計算模塊：通過外部來的設定輸出要求，通過微處理器的計算轉換為移相輸出控制電角度。

（4）移相范圍判定模塊：面對使用變壓器帶來的相位滯后以及防止移相角度不合適帶來的輸出品質不佳問題，設定移相范圍，當移相控制角計算結果不在設定范圍內時采用極限值替代。

（5）移相脈沖觸發角前后沿計算模塊：將計算出來的電角度轉換成單片機定時器下的實際移相計數器值，同時對脈沖寬度進行預給定，可以在一定程度上減小驅動電路的輸出功率。

（6）交流信號相位同步檢測模塊：對交流信號的實時狀態進行同步檢測，初始相位的定位，獲取瞬時狀態值用于后續脈沖輸出的判定。

（7）移相脈沖輸出模塊：根據同步檢測模塊提供的實時值進行對比，在移相范圍內提供脈沖的輸出。

4 移相過程

4.1 變壓器相角影響

變壓器作為電磁耦合元件，通過激勵側、感應側繞組線圈之間的耦合來傳遞能量，其本質為2個或者多個相互耦合的電感元件，二級側繞組經過歸一化到一次側后，其T型等效電路如圖5所示[10－11]。

圖5 變壓器T型等效電路

從T型等效電路可以看出，交流電經過變壓器后，輸出相位相對輸入相位而言存在一定的滯后偏移，對移相觸發脈沖同步信號有輕微的影響。在精度要求不高的應用場合可以忽略不計，對于精度要求較高的場合，則需要借助閉環反饋控制，通過軟件算法實現輸出補償處理[12]。

4.2 移相電角度精度

移相電角度的精度與頻率關系緊密。我國交流電的頻率為f＝50 Hz，對應的周期T＝20 ms。根據2.2節中對交流信號整流與整形模塊的設計，雙向晶閘管在正負半軸上屬于對稱觸發形式，因此只要通過對半周期的控制，即可實現全周期的輸出。另一方面是單片機運行頻率，在設計中采用外部中斷方式獲取過零時刻點，通過定時器的實時計數來獲取實時相角數據，在主程序中根據設定的輸出計算對應的移相電角度并轉換為定時器的對應計數值，通過比較定時器實時值與設定計數值，在規定范圍內發出觸發脈沖。

通過分析，移相電角度的輸出精度來自于兩方面的內容。一方面是對程序的優化設計，通過靈活的應用單片機片上資源以及程序合理的布置來實現。另一方面則是提高運行主頻來獲取更高的執行效率。考察所選用單片機的主頻段，選擇fosc＝24 MHz是較為理想的頻率，配合該單片機能以1 T高速模式工作，相當于傳統單片機下的fosc＝288 MHz工作頻率。在該頻率下運行，既能保證觸發脈沖移相角的精度，又能兼顧單片機其他任務的處理。此時，主頻運行在1 T模式下則有機器周期Tcy＝1/24μs，定時器工作在12 T模式下則有定時基準Tt＝1/2μs。

對于移相精度，半周期對應的電角度為180°。理論上最小移相精度誤差為：

代入相關數據，ηmin=0.000 75°。實際中，單片機是利用查詢的方式實現對實時相位狀態數據的捕捉，優化后的主程序運行周期為T1≈100μs。則實際的最大移相精度誤差為：

代入相關數據，ηmax=1.8°。取兩者的平均值作為移相精度的平均誤差，其值為ηave≈0.9°。

采用模擬電路搭建的移相觸發電路，其移相精度誤差可以高達2°~3°，本設計中采用的數字化的移相觸發器平均移相精度誤差只有不到1°。相比采用模擬電路搭建的移相電路可以提高3.5倍左右的精度，不僅減輕了電路的復雜程度降低了故障率，而且減小了正負半軸脈沖的不對稱度，而該特性對于電路和負載均是及其有利的。

5 測試結果分析

根據設計的軟硬件內容，在實驗室條件下開展測試，其輸出波形如圖6所示。

圖6 雙向移相脈沖輸出測試波形

示波器中黃色曲線顯示為正常的交流信號；藍色曲線顯示為經過控制器移相控制后的輸出波形。通過在移相控制角分別為α＝10°、α＝90°、α＝170°下的實驗波形，可以看出在不同的輸出設定下，控制器均能夠準確實現移相脈沖的計算與捕捉，經過隔離驅動后確保既定的雙向交流輸出，從而驗證所設計的數字移相觸發器具有較好的運行效果。

6 結束語

所研制的基于STC 單片機的數字化移相觸發器，通過在雙向可控硅上進行驗證，控制器可以根據設定大小自動調整輸出，精度高、對稱性好、能夠確保控制對象可靠穩定工作等優點，較好地解決了傳統的由分立元件搭建的模擬式觸發電路中存在的抗干擾性能差、工作時穩定性差等缺陷與不足，表明了在電路設計過程中，利用技術先進的微處理器實現數字化電路替代模擬化電路的必要性與可行性。通過對所設計的硬件電路與軟件策略進行適當的修正調整，即可便捷地擴展到其他晶閘管變流裝置中加以應用。在晶閘管變流裝置數字化改進過程中，具有較好的參考價值。