專利名稱：船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流器觸發(fā)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種晶閘管整流設(shè)備的觸發(fā)裝置，本發(fā)明也涉及一種晶閘管整流設(shè)備的控制方法。特別是船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶間管整流設(shè)備的觸發(fā)裝置和控制方法。
背景技術(shù)：
為了減少對電網(wǎng)的影響，工業(yè)中應(yīng)用的大功率晶閘管整流設(shè)備通常都選擇多脈波工作方式。對于設(shè)備中晶間管的觸發(fā)通常有模擬觸發(fā)集成電路和數(shù)字觸發(fā)集成電路。由于分立元器件參數(shù)的分散性，模擬晶間管觸發(fā)電路通常都存在觸發(fā)脈沖不平衡問題。例如王衛(wèi)兵、孫永杰和劉衛(wèi)東在哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)2009年14卷第3期所著的“單片機(jī)和FPGA 的可控硅觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”中描述不平衡度通常約為ο3 π。由于數(shù)字觸發(fā)電路能夠很容易克服不平衡問題，而且控制方式簡單，因此得到了廣泛應(yīng)用。例如Francis P. Dawson 和 Richard Bonert 在 IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS 1994 年 41 卷第 4期中所著的‘‘HighPerformance Single-Chip Gating circuit for a phase-controlled bridge”;郝浩和李宏在電子設(shè)計(jì)工程2009年17卷第2期中所著的“基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器的設(shè)計(jì)”;夏長遠(yuǎn)、舒興勝、孟月東和沈潔在電測與儀表2007年44卷第500期中所著的 “基于FPGA的三相可控硅電源數(shù)字觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)”；劉政和黃席樾在重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2002年25卷中所著的“基于單片機(jī)的可控硅全控橋數(shù)字觸發(fā)控制系統(tǒng)”；黃德勝在中國氯堿2008年4卷中所著的“可控硅觸發(fā)電路”。但是這些數(shù)字控制觸發(fā)集成電路都是以三相全橋六脈波晶閘管整流電路為對象。中國專利申請?zhí)枮?0091025^22. 8的專利文件中公開了一種用于大功率可控硅整流開關(guān)的觸發(fā)電路、中國專利申請?zhí)枮?00820211101. 3 的專利文件中公開了整流電源觸發(fā)控制器、中國專利申請?zhí)枮?00920259066. 7的專利文件中公開了新型晶閘管整流可逆變觸發(fā)裝置、中國專利申請?zhí)枮?01020199382. 2的專利文件中公開了電解電源整流控制系統(tǒng)、中國專利申請?zhí)枮?00910010214.6的專利文件中公開了基于三相脈沖整流器的直流穩(wěn)壓電源及其控制方法，這些技術(shù)方案均是以三相全橋六脈波晶閘管整流電路為對象。十二脈波晶閘管整流電路按照結(jié)構(gòu)類型分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型十二脈波晶閘管整流電路的晶閘管和負(fù)載結(jié)構(gòu)如

圖1所示，其實(shí)質(zhì)為兩個(gè)三相全橋整流電路的并聯(lián)， 因此當(dāng)十二個(gè)晶閘管中任意一個(gè)晶閘管換相時(shí)，并聯(lián)型十二脈波晶閘管整流電路的觸發(fā)裝置只需要同時(shí)發(fā)出兩個(gè)觸發(fā)脈沖，這與三相全橋六脈波整流電路的觸發(fā)裝置相同。例如， 張勇、陳庚軍、華學(xué)明和吳毅雄等在電焊機(jī)2004年34卷第3期中所著的“基于DSP控制的十二相焊接電源主電路數(shù)字化觸發(fā)”和中國專利申請?zhí)枮?01010125276. 4的專利文件中公開的晶閘管整流橋并列運(yùn)行全數(shù)字化智能均流控制裝置。另外，在“基于DSP控制的十二相焊接電源主電路數(shù)字化觸發(fā)”中，作者利用外部硬件電路(單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖的30°角延時(shí)。對于串聯(lián)型聯(lián)型十二脈波晶閘管整流電路的晶閘管和負(fù)載結(jié)構(gòu)如圖2所示，其實(shí)質(zhì)為兩個(gè)三相全橋整流電路的串聯(lián)。由于在直流回路中有四個(gè)晶閘管，因此當(dāng)十二個(gè)晶閘管中的任意一個(gè)晶閘管換相時(shí)，串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流電路的觸發(fā)裝置必需要同時(shí)發(fā)出四個(gè)觸發(fā)脈沖，比并聯(lián)型十二脈波觸發(fā)裝置要多兩個(gè)觸發(fā)脈沖。目前，在串聯(lián)型十二脈整流設(shè)備中使用的觸發(fā)裝置有“并聯(lián)型十二脈波整流觸發(fā)裝置+兩個(gè)并聯(lián)電阻”和“兩個(gè)六脈波整流觸發(fā)裝置+兩個(gè)并聯(lián)電阻”兩種模式，由于第二種方案控制比較復(fù)雜，通常都選用第一種方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于并聯(lián)型十二脈波觸發(fā)裝置在每個(gè)晶閘管換相時(shí)只能提供兩個(gè)觸發(fā)脈沖，因此并聯(lián)電阻的目的是為兩個(gè)串聯(lián)的三相全橋六脈整流電路提供電流回路，這不僅降低了系統(tǒng)的可靠性，還消耗了有功功率、降低了整流電路的轉(zhuǎn)換效率。其次，由于船舶電網(wǎng)容量有限，而且船上負(fù)載類型又很多，因此必須要考慮船上負(fù)載對十二脈波整流設(shè)備輸出電壓的影響。當(dāng)負(fù)載變化較大時(shí)，傳統(tǒng)的PID控制器很難維持整流電路輸出電壓的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決負(fù)載變化影響整流電路輸出電壓問題的船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流器觸發(fā)裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶間管整流器觸發(fā)裝置的控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流器觸發(fā)裝置的組成包括三相同步信號采集電路1采集電網(wǎng)側(cè)的三相電源，產(chǎn)生與電源網(wǎng)側(cè)三相電壓同步的三個(gè)方波信號經(jīng)第一光耦隔離電路2分別送給TMS 320L2808的CAP捕獲單元；TMS 320F2808事件管理模塊EPWM產(chǎn)生的晶閘管觸發(fā)脈沖信號PWM0-PWM11經(jīng)過由第二光耦隔離電路4送給驅(qū)動放大與變壓器隔離電路5，變壓器二次側(cè)的信號經(jīng)過兩個(gè)二極管整形，通過觸發(fā)脈沖輸出接口 6輸出；直流側(cè)電壓、電流采集電路7采集直流母線的電壓和電流值送入TMS 320F2808的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD;TMS 320F2808根據(jù)采集到的反饋電壓、電流值和系統(tǒng)的設(shè)定值產(chǎn)生誤差值和誤差值的變化值，然后將二者送給模糊調(diào)節(jié)器，模糊調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定好的規(guī)則，產(chǎn)生晶間管觸發(fā)控制角α ；交流側(cè)電壓、電流采集電路8采集主電源變壓器二次側(cè)的線電壓和線電流送入 TMS 320F2808的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD ；故障信號采集電路9采集主電源變壓器、熔斷器、斷路器、水冷等設(shè)備的故障信號，通過第三光耦隔離電路12后送入TMS320F2808的IO模塊；開關(guān)電源電路10將輸入的交流220V電壓轉(zhuǎn)換成觸發(fā)裝置所需要的」5廠,」3.3廠,」1.8廠,」3.0廠，[\.5Vj\5V, [15V 和OV電源；RS485電路11完成TMS320M808 SCI模塊發(fā)送接收引腳的OV和3. 3V電平與RS485 總線的+2 +6V正電平和-2 -6V負(fù)電平之間的轉(zhuǎn)換?；诖么蠊β蚀?lián)型十二脈波晶閘管整流器觸發(fā)裝置的控制方法為打開觸發(fā)裝置的220V交流電源后，開關(guān)電源電路產(chǎn)生觸發(fā)裝置所需要的
權(quán)利要求
1.一種船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶間管整流器觸發(fā)裝置，其特征是三相同步信號采集電路(1)采集電網(wǎng)側(cè)的三相電源，產(chǎn)生與電源網(wǎng)側(cè)三相電壓同步的三個(gè)方波信號經(jīng)第一光耦隔離電路( 分別送給TMS320L2808的CAP捕獲單元；TMS320F2808事件管理模塊EPWM產(chǎn)生的晶閘管觸發(fā)脈沖信號PWM0-PWM11經(jīng)過由第二光耦隔離電路(4)送給驅(qū)動放大與變壓器隔離電路(5)，變壓器二次側(cè)的信號經(jīng)過兩個(gè)二極管整形，通過觸發(fā)脈沖輸出接口(6)輸出；直流側(cè)電壓、電流采集電路(7)采集直流母線的電壓和電流值送入TMS320F2808的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD;TMS320F2808根據(jù)采集到的反饋電壓、電流值和系統(tǒng)的設(shè)定值產(chǎn)生誤差值和誤差值的變化值，然后將二者送給模糊調(diào)節(jié)器，模糊調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定好的規(guī)則，產(chǎn)生晶間管觸發(fā)控制角ct ；交流側(cè)電壓、電流采集電路(8)采集主電源變壓器二次側(cè)的線電壓和線電流送入 TMS320F2808的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD ；故障信號采集電路(9)采集主電源變壓器、熔斷器、斷路器、水冷等設(shè)備的故障信號， 通過第三光耦隔離電路(12)后送入TMS320F2808的IO模塊；開關(guān)電源電路10將輸入的交流220V電壓轉(zhuǎn)換成觸發(fā)裝置所需要的+5V，+3. 3V，+1. 8V，+3. 0V, -1. 5V，+15V，-15V和OV 電源；RS485電路(11)完成TMS320F2808 SCI模塊發(fā)送接收引腳的OV和3. 3V電平與RS485 總線的+2 +6V正電平和-2 -6V負(fù)電平之間的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶間管整流器觸發(fā)裝置，其特征是第一、第二、第三光耦隔離電路由高速隔離運(yùn)放HCPL4630組成。
3.一種基于船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶間管整流器觸發(fā)裝置的控制方法，其特征是打開觸發(fā)裝置的220V交流電源后，開關(guān)電源電路產(chǎn)生觸發(fā)裝置所需要的+5V，+3. 3V, +1. 8V, +3. 0V, -1. 5V, +15V, -15V 和 OV 電源；三相同步信號采集電路將三相電源信號變換成方波信號TA、TB和TC，通過第一光耦隔離后送入TMS320F2808的捕獲單元；故障信號采集電路采集主電源變壓器、熔斷器、斷路器、水冷設(shè)備的故障信號，并通過第三光耦隔離電路送入TMS320F2808的IO模塊；交流側(cè)電壓、電流采集電路采集主電源變壓器二次側(cè)的相電壓和線電流，經(jīng)過電壓互感器和電流互感器后分別通過低通濾波器送入有源放大電路，經(jīng)過電壓保護(hù)和電壓偏置后送入TMS320F2808的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；直流側(cè)電壓、電流采集電路采集直流母線電壓和電流值，經(jīng)過電壓傳感器和電流傳感器后分別通過低通濾波器送入有源放大電路，經(jīng)過電壓保護(hù)和電壓偏置后送入 TMS320F2808的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；TMS320F2808事件管理模塊EPWM產(chǎn)生的晶閘管觸發(fā)脈沖信號經(jīng)過由HCPL-2630組成的光耦隔離電路送給由MOSFET和脈沖變壓器組成的驅(qū)動放大與變壓器隔離電路，脈沖變壓器二次側(cè)的信號經(jīng)過兩個(gè)二極管整形，通過觸發(fā)脈沖輸出接口輸出；RS485電路根據(jù)TMS320F2808的指令完成OV和3. 3V電平與RS485總線的+2 +6V和-2 -6V之間的轉(zhuǎn)換；在開啟觸發(fā)裝置電源后，主控制芯片TMS320F2808進(jìn)行系統(tǒng)的初始化；首先，CPU關(guān)閉看門狗電路，然后初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和AD、CAP、EPWM、SCI功能模塊時(shí)鐘以及中斷矢量表，接著配置AD、CAP、EPWM、SCI等功能模塊和CpuTimerO定時(shí)器，使各個(gè)功能模塊處于預(yù)定的工作狀態(tài)；設(shè)置中斷矢量并打開全局總中斷，然后等待CpuTimerO定時(shí)器的0. Ims中斷、CAP 捕獲中斷和EPWM定時(shí)器中斷；當(dāng)產(chǎn)生0. Ims CpuTimerO定時(shí)器中斷時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行操作 首先讀AD轉(zhuǎn)換寄存器，并判斷讀的次數(shù)是否大于10次，如果大于10，則計(jì)算直流側(cè)和交流側(cè)的電壓電流平均值，以及電壓、電流的誤差值和誤差的變化值，然后根據(jù)制定好的模糊規(guī)則表計(jì)算出晶間管的控制角，如果誤差值大于設(shè)定值時(shí)，轉(zhuǎn)入恒流控制，以快速調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓；如果誤差值小于設(shè)定值，模糊調(diào)節(jié)器直接輸出晶閘管觸發(fā)控制角α ；通過晶閘管觸發(fā)控制角α的調(diào)整，維持整流電路輸出直流電壓的穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化較大時(shí)，觸發(fā)裝置根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則自動切換控制參數(shù)讀取SCI接收寄存器數(shù)據(jù)，并根據(jù)MODBUS協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果是讀命令，則將直流電壓電流值、交流電壓電流值、晶閘管控制角值和故障信息狀態(tài)寫入到指定寄存器，根據(jù)MODBUS協(xié)議生成應(yīng)答數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流寫入到SCI發(fā)送寄存器；如果是寫命令，則根據(jù)指定的地址和數(shù)據(jù)數(shù)量，對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行賦值，根據(jù)MODBUS協(xié)議生成應(yīng)答數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流寫入到SCI發(fā)送寄存器；如果接收到系統(tǒng)運(yùn)行控制命令，則檢查系統(tǒng)是否有故障，如果有故障，則系統(tǒng)停止運(yùn)行、系統(tǒng)停止標(biāo)志位置位；如果沒有故障，則繼續(xù)檢查是否有脈沖封鎖命令；如果有脈沖封鎖命令，則封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖、脈沖封鎖標(biāo)志位置位；如果沒有脈沖封鎖命令，則系統(tǒng)開始運(yùn)行，并將系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位置位；然后打開中斷，退出中斷子程序；如果沒有接收到系統(tǒng)運(yùn)行控制命令，則檢查是否有系統(tǒng)停止命令；如果接收到系統(tǒng)停止命令，則系統(tǒng)停止運(yùn)行、系統(tǒng)停止標(biāo)志位置位，然后打開中斷，退出中斷子程序；如果沒有接收到系統(tǒng)停止命令，則檢查是否有脈沖封鎖命令；如果接收到脈沖封鎖命令，則封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖、脈沖封鎖標(biāo)志位置位，然后打開中斷，退出中斷子程序；當(dāng)產(chǎn)生捕獲中斷時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行操作如果是CAPl發(fā)生中斷，則判斷捕獲邊沿的極性，如果是上升沿則將CAPlEd賦值 Rising,如果是下降沿則將CAPlEd賦值!filing，然后將EPWMl定時(shí)器和EPWM4定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器清零、比較寄存器賦值，并計(jì)算同步信號寬度；如果不是CAPl中斷，則判斷是否是 CAP2發(fā)生中斷；如果是CAP2發(fā)生中斷，則判斷捕獲邊沿的極性，如果是上升沿則將CAP2Ed賦值 Rising,如果是下降沿則將CAP2Ed賦值!filing，然后將EPWM2定時(shí)器和EPWM5定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器清零、比較寄存器賦值，并計(jì)算同步信號寬度；如果不是CAP2中斷，則判斷是否是 CAP3發(fā)生中斷；如果是CAP3發(fā)生中斷，則判斷捕獲邊沿的極性，如果是上升沿則將CAP3Ed賦值 Rising,如果是下降沿則將CAP3Ed賦值!filing，然后將EPWM3定時(shí)器和EPWM6定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器清零、比較寄存器賦值，并計(jì)算同步信號寬度；如果同步信號寬度計(jì)算值與理論值之差大于設(shè)定值，則需要重新計(jì)算30°電角度和晶閘管觸發(fā)脈沖的寬度；最后，打開中斷，并對狀態(tài)位進(jìn)行清除，退出中斷程序； 當(dāng)發(fā)生EPWM定時(shí)器中斷時(shí)，按以下步驟進(jìn)行操作如果是EPWMl定時(shí)器發(fā)生中斷，則判別CAPlEd的是否為Rising，如果是則輸出第一晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第十、十一、十二晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第一晶閘管的120°寬脈沖；如果不是，則輸出第七晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第四、第五、第六晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第七晶閘管的120°寬脈沖；然后打開中斷，退出中斷程序； 如果不是EPWMl中斷，則判別是否是EPWM2定時(shí)器發(fā)生中斷；如果是EPWM2定時(shí)器發(fā)生中斷，則判別CAP2Ed的是否為Rising，如果是則輸出第五晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第二、第三、第四晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第五晶閘管的120°寬脈沖；如果不是，則輸出第十一晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第八、第九、第十晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第十一晶閘管的120°寬脈沖；然后打開中斷，退出中斷程序；如果不是EPWM2中斷，則判別是否是EPWM3定時(shí)器發(fā)生中斷；如果是EPWM3定時(shí)器發(fā)生中斷，則判別CAP3Ed的是否為Rising，如果是則輸出第九晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第六、第七、第八晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第九晶閘管的120°寬脈沖；如果不是，則輸出第三晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第十二、第一、第二晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第三晶閘管的120°寬脈沖；然后打開中斷，退出中斷程序；如果不是EPWM3中斷，則判別是否是EPWM4定時(shí)器發(fā)生中斷；如果是EPWM4定時(shí)器發(fā)生中斷，則判別CAPlEd的是否為Rising，如果是則輸出晶閘管 2的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第一、第十一、第十二晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第二晶閘管的120°寬脈沖；如果不是，則輸出第八晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第五、第六、第七晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第八晶閘管的120°寬脈沖；然后打開中斷，退出中斷程序； 如果不是EPWM4中斷，則判別是否是EPWM5定時(shí)器發(fā)生中斷；如果是EPWM5定時(shí)器發(fā)生中斷，則判別CAP2Ed的是否為Rising，如果是則輸出第六晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第三、第四、第五晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第六晶閘管的120°寬脈沖；如果不是，則輸出第十二晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第九、第十、第十一晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第十二晶閘管的120°寬脈沖；然后打開中斷，退出中斷程序；如果不是EPWM5中斷，則判別是否是EPWM6定時(shí)器發(fā)生中斷；如果是EPWM6定時(shí)器發(fā)生中斷，則判別CAP3Ed的是否為Rising，如果是則輸出第十晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第七、第八、第九晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第十晶閘管的120°寬脈沖；如果不是，則輸出第四晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時(shí)輸出第一、第二、第三晶閘管的觸發(fā)脈沖，或者直接輸出第四晶閘管的120°寬脈沖；然后打開中斷，退出中斷程序。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種船用大功率串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流器觸發(fā)裝置及方法。由DSP芯片TMS320F2808完成三相電源同步信號采集，晶閘管門極驅(qū)動信號產(chǎn)生，模糊控制算法實(shí)現(xiàn)，直流側(cè)電壓電流反饋信號采集，基于MODBUS協(xié)議的RS485通信，交流側(cè)電壓電流信號采集和變壓器、熔斷器、斷路器、水冷設(shè)備故障信號采集等功能。解決了串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流設(shè)備的晶閘管觸發(fā)問題。減少了整流電路中的并聯(lián)電阻，提高了整流設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明不僅適用于串聯(lián)型十二脈波晶閘管整流設(shè)備中晶閘管電路的觸發(fā)，還適用于串聯(lián)型二十四脈波、三十六脈波晶閘管整流設(shè)備中晶閘管電路的觸發(fā)，以及并聯(lián)型十二脈波、二十四脈波、三十六脈波晶閘管整流設(shè)備中晶閘管電路的觸發(fā)。
文檔編號H02M1/06GK102195456SQ201110135170
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者蘭海, 劉宏達(dá), 李軍, 羅耀華 申請人:哈爾濱工程大學(xué)