專利名稱:控制晶閘管中頻電源的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明為控制和調(diào)節(jié)電量的裝置。
目前，晶閘管中頻電源控制系統(tǒng)由晶體管和小規(guī)模集成電路構(gòu)成。這種控制系統(tǒng)雖能完成必需的控制功能，但還存在著不足之處①不能自動(dòng)調(diào)節(jié)中頻電源輸出功率，既不能使電源輸出功率為恒值，也不能使電源輸出功率按某一設(shè)定規(guī)律變化;
②并聯(lián)負(fù)載直流阻抗較低時(shí)，中頻電源起動(dòng)成功率無保證。起動(dòng)成功率有賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。起動(dòng)需要專門的較為復(fù)雜的設(shè)備;
③無自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載諧振電容的能力，因而延緩熔煉時(shí)間，消耗電能較多;
④操作較為復(fù)雜。電源運(yùn)行參數(shù)由常規(guī)儀表顯示，不夠直觀;
⑤控制系統(tǒng)元器件及接插點(diǎn)較多;
⑥控制系統(tǒng)成本較高。
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的任務(wù)是設(shè)計(jì)出一種專用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并用其控制晶閘管中頻電源。由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以具有更強(qiáng)的控制功能，可以具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功率和自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載諧振電容的能力，可以具有很好的起動(dòng)性能，可以采用屏幕顯示運(yùn)行參數(shù)，可以使系統(tǒng)操作更為簡(jiǎn)便，可降低成本，可提高中頻電源的自動(dòng)化程度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
本系統(tǒng)的框圖如圖1所示。它由以二片微處理器為核心的主控板和一塊屏幕顯示控制板構(gòu)成。圖1中虛線框內(nèi)所示的部分為主控板。圖中1、9為微處理器，2、10為固化了程序的EPROM，3、11為計(jì)數(shù)定時(shí)器，4、12為并行輸入/輸出接口，5、6、13為輸出接口，7為輸入接口，8為A/D轉(zhuǎn)換器，14、15、16為功率放大電路板，17為屏幕顯示控制板，101、102、103、104、105、106為電容調(diào)節(jié)控制信號(hào)，107、108、109、110、111、112為整流橋觸發(fā)控制信號(hào)，113、114、115、116為逆變橋觸發(fā)控制信號(hào)，117為預(yù)磁電阻接觸器控制信號(hào)，201為過電壓信號(hào)，202為過電流信號(hào)，203為工作方式設(shè)置信號(hào)，204為設(shè)置功率允許信號(hào)，205為檢測(cè)選擇信號(hào)，206和207為儲(chǔ)備時(shí)間增值信號(hào)，208為逆變跟蹤信號(hào)，209為電源起動(dòng)信號(hào)，210為電源停機(jī)信號(hào)，211為功率設(shè)置信號(hào)，212為直流電流檢測(cè)信號(hào)，213為直流電壓檢測(cè)信號(hào)，214為工頻電源同步信號(hào)。
主控板由兩臺(tái)微型計(jì)算機(jī)組成。由1、2、3、4、5、6、7、8構(gòu)成第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它的功能為三相橋式全控整流橋的觸發(fā)控制、電源的功率調(diào)節(jié)、限壓和限流、負(fù)載諧振電容器的調(diào)節(jié)控制、電源運(yùn)行方式(功率調(diào)節(jié)的手動(dòng)方式或自動(dòng)方式)的確定、過壓和過流信號(hào)的檢測(cè)及保護(hù)控制、接受電源的起動(dòng)和停機(jī)命令以及對(duì)屏幕顯示控制板的編程和刷新。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的工作程序(2K字節(jié))固化于2中。第二臺(tái)計(jì)算機(jī)由9、10、11、12、13構(gòu)成。逆變器的自動(dòng)調(diào)頻、逆變橋引前觸發(fā)角的微調(diào)、逆變橋的觸發(fā)控制和逆變器的起動(dòng)由它來完成。第二臺(tái)計(jì)算機(jī)的程序(0.5K字節(jié))固化在10中。4和12間的聯(lián)絡(luò)線完成兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的通訊，以使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。
控制系統(tǒng)上電后，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)將對(duì)程序和部分硬件進(jìn)行自檢，如正常則在屏幕上顯示“可開機(jī)”，等待起動(dòng)命令。操作員按下起動(dòng)按鈕，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)均執(zhí)行起動(dòng)程序。當(dāng)起動(dòng)完成后，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行正常的運(yùn)行程序。
本系統(tǒng)可使中頻電源工作于“手動(dòng)”或“自動(dòng)”這二種運(yùn)行方式。當(dāng)電源工作于“自動(dòng)”運(yùn)行方式時(shí)，在輸出電壓和輸出電流允許范圍內(nèi)，不管負(fù)載實(shí)際阻抗和三相交流電源電壓如何變化，中頻電源均能按預(yù)置的“設(shè)定功率”輸出恒定功率。當(dāng)負(fù)載阻抗過低或過高時(shí)，系統(tǒng)用調(diào)節(jié)電容器來改變負(fù)載阻抗，使中頻電源在負(fù)載變化較大時(shí)仍能輸出恒定功率。
當(dāng)中頻電源工作于“手動(dòng)”方式時(shí)，則按目前中頻電源所采用的常規(guī)方式運(yùn)行。
逆變觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入自激工作狀態(tài)后，采用恒儲(chǔ)備時(shí)間原則的觸發(fā)工作制。逆變觸發(fā)引前時(shí)間考慮了由簡(jiǎn)單運(yùn)算而得的逆變橋?qū)崟r(shí)換流時(shí)間。考慮到逆變晶閘管關(guān)斷時(shí)間定額的差異，設(shè)置了兩只儲(chǔ)備時(shí)間增值微調(diào)開關(guān)(+4微秒，+8微秒)。
系統(tǒng)每隔20毫秒對(duì)電流和直流電壓測(cè)量一次，并計(jì)算出中頻電壓值，將電流和電壓限止在一定范圍內(nèi)。
本系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)中頻電壓瞬時(shí)值和直流電流值進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)它們到達(dá)保護(hù)閥值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)程序。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)把整流移相控制角拉至150°，使整流橋進(jìn)入有源逆變工作狀態(tài)。與此同時(shí)，第二臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)四只逆變晶閘管同時(shí)發(fā)出為期10毫秒左右的脈沖列。
整機(jī)接受停機(jī)命令時(shí)，系統(tǒng)也進(jìn)入保護(hù)程序。
①本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)中頻電源輸出功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)圖2為整流橋觸發(fā)脈沖的安排。圖中uac為同步電壓，usc為同步脈沖。ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、ug6為晶閘管觸發(fā)脈沖。
本系統(tǒng)利用電源同步發(fā)生器每工頻周期發(fā)出的同步脈沖，啟動(dòng)3的“0”通道，它按2倍于計(jì)算機(jī)時(shí)鐘頻率的16分頻數(shù)發(fā)出脈沖列，以此作為3的“1”通道的計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)“1”通道的時(shí)間常數(shù)值時(shí)，“1”通道向第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU申請(qǐng)中斷，在中斷服務(wù)程序中通過輸出接口向整流橋發(fā)出第一對(duì)觸發(fā)脈沖。往后的五對(duì)脈沖則由3的“2”通道按工頻60°計(jì)時(shí)申請(qǐng)中斷，在中斷服務(wù)程序中發(fā)出相應(yīng)的整流觸發(fā)脈沖。
3的“1”通道的時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)于整流橋的移相控制角α。改變3的“1”通道的時(shí)間常數(shù)可以改變整流橋的輸出電壓。換句話講，不同的時(shí)間常數(shù)可以使中頻電源有不同的輸出功率。調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率，實(shí)際上就是調(diào)節(jié)3的“1”通道的時(shí)間常數(shù)。
移相控制角的調(diào)節(jié)精度可根據(jù)中頻電源的要求來決定。
在中頻電源運(yùn)行中，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)每2個(gè)工頻周期對(duì)3的“1”通道的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行一次修正。如果電源輸出功率偏離設(shè)定的輸出功率，則程序進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)，以修正時(shí)間常數(shù)，使電源輸出功率等于設(shè)定輸出功率，實(shí)現(xiàn)了電源功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
②本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)負(fù)載槽路諧振電容的自動(dòng)調(diào)節(jié)在熔煉性負(fù)載中，為達(dá)到最短的熔煉時(shí)間，一般要求電源能輸出最大功率。但是，中頻電源的輸出電壓和輸出電流是有定額值的。以100KW中頻電源為例，一般來講，其直流電流定額為250A，直流電壓定額為500V。換句話講，當(dāng)負(fù)載直流阻抗為2Ω時(shí)，電源可輸出125KW功率，此時(shí)的直流電流和直流電壓正處于定額值。當(dāng)負(fù)載直流阻抗小于2Ω時(shí)，由于直流電流定額值的限止，電源輸出功率將小于125KW。當(dāng)負(fù)載直流阻抗大于2Ω時(shí)，由于直流電壓定額的限止，電源輸出功率也將小于125KW。這說明，如果能將負(fù)載直流阻抗保持在2Ω，則電源可輸出最大功率。在實(shí)際的負(fù)載中，負(fù)載直流電阻不可能正好是2Ω。為此，本系統(tǒng)設(shè)置了六只可以換接的電容器，以期在負(fù)載變化時(shí)，改變負(fù)載的運(yùn)行阻抗值，使電源輸出盡可能大的功率。
電容器的切換由計(jì)算機(jī)經(jīng)過運(yùn)算來決策并執(zhí)行，其過程如圖5所示。21為計(jì)算額定等效直流電阻RdH，22為計(jì)算直流等效電阻實(shí)際值Rd，23為投接一臺(tái)電容器，24為減少一臺(tái)電容器。
框圖中，N為目前運(yùn)行中的電容器臺(tái)數(shù)。f為目前運(yùn)行的中頻頻率。fmin為允許最低中頻頻率。fmax為允許最高中頻頻率。
③本發(fā)明的停機(jī)及保護(hù)過程本系統(tǒng)具有過電流保護(hù)和中頻過電壓保護(hù)。當(dāng)直流電流或中頻電壓瞬時(shí)值達(dá)到保護(hù)動(dòng)作閥值時(shí)，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)和第二臺(tái)計(jì)算機(jī)均進(jìn)入保護(hù)程序。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)立即將整流控制角拉到150°，以使整流橋處于有源逆變工作狀態(tài)，將電源中的電磁能量迅速釋放掉。為保障逆變晶閘管的安全，在保護(hù)動(dòng)作時(shí)，第二臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)四只逆變晶閘管發(fā)出為時(shí)10毫秒左右的脈沖列，以使過流時(shí)的電流由逆變橋的兩側(cè)共同負(fù)擔(dān)。在過壓時(shí)，這一脈沖列使槽路電容兩端電壓迅速下降，最后電容電壓為零，免除了逆變晶閘管因承受過高的反向電壓而造成損壞的可能。
整流橋處于有源逆變工作狀態(tài)時(shí)間為工頻的一個(gè)周期。
保護(hù)程序結(jié)束后，屏幕顯示故障信息。
正常的停機(jī)過程與保護(hù)過程是相同的，只是屏幕上顯示“停機(jī)”。計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過程中，經(jīng)常查詢停機(jī)按鈕，當(dāng)停機(jī)按鈕按下后，系統(tǒng)中的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)使整流橋進(jìn)入有源逆變工作狀態(tài)，第二臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)逆變橋發(fā)出脈沖列，歷時(shí)10毫秒。
④中頻電源的計(jì)算機(jī)控制他激起動(dòng)法本系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)控制他激起動(dòng)法起動(dòng)中頻電源。
圖3為逆變電路，電路中的R0為預(yù)充磁電阻，J為接觸器，該接觸器由主控板的第二臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。T7、T8、T9、T10為晶閘管，LK為換流電感，CH、LH、RH為負(fù)載槽路。
在起動(dòng)之前，J合上。起動(dòng)一開始，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)使整流橋以較小的整流控制角觸發(fā)導(dǎo)通一個(gè)工頻周期，使濾波電感Ld貯存一定的磁能。在第二個(gè)工頻周期，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)使整流橋的整流控制角變到70°左右。逆變橋的起動(dòng)時(shí)刻就選擇在直流電壓ud下降的過程中，在t0時(shí)刻第二臺(tái)計(jì)算機(jī)觸發(fā)T7和T10，同時(shí)斷開J。在階躍電流作用下，槽路電容電壓uc和槽路電感電流iL將從零開始增大，如圖4所示。由電路理論可知，uc經(jīng)過π/2ωd時(shí)刻將達(dá)到峰值。在uc到達(dá)峰值前的t1時(shí)刻，觸發(fā)T8和T9，逆變橋?qū)Q流，槽路將反向充電。在t2時(shí)刻，再一次觸發(fā)T7和T10，槽路電容再一次正向充電。此時(shí)，槽路已具有較多能量，第二臺(tái)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤程序，逆變橋經(jīng)過2～3個(gè)中頻周期進(jìn)入自激狀態(tài)。
這種起動(dòng)法，逆變橋處于他激狀態(tài)的時(shí)間只有一個(gè)中頻周期，因此不需嚴(yán)格地選擇他激頻率。另外，起動(dòng)過程是在ud下降過程中完成的，防止了過電壓或過電流的產(chǎn)生。因此，這種起動(dòng)法保證了起動(dòng)的成功。這種起動(dòng)法不需專門的起動(dòng)設(shè)備。
圖4描述了起動(dòng)過程中直流電壓ud、直流電流id、槽路電容電壓uc和晶閘管觸發(fā)脈沖ug7、ug8、ug9、ug10的波形。
⑤本發(fā)明的逆變橋頻率跟蹤本系統(tǒng)采用恒儲(chǔ)備時(shí)間方案。觸發(fā)引前時(shí)間用以下方法獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)得中頻的前半個(gè)周期時(shí)間tn-1，然后計(jì)算出換流時(shí)間tr＝ (Id)/(di/dt) ，則可算出本半周期觸發(fā)時(shí)間t′n＝tn-1-(tr+tβ)。式中tβ為晶閘管關(guān)斷時(shí)間。
本發(fā)明有如下附圖圖1為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖。
圖2為整流橋觸發(fā)脈沖的安排。
圖3為逆變橋電路圖。
圖4為起動(dòng)波形圖。
圖5為自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載諧振電容器的過程的框圖。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下①實(shí)現(xiàn)了中頻電源輸出功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，為中頻電源的順序控制和自動(dòng)化程序的進(jìn)一步提高創(chuàng)造了條件。
②計(jì)算機(jī)控制他激起動(dòng)法保證了起動(dòng)的成功(試驗(yàn)中成功率為100%)，起動(dòng)迅速，可頻繁起動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，不需專門的起動(dòng)設(shè)備。
③實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載諧振電容，可以節(jié)約電能。
④所有運(yùn)行參數(shù)在屏幕上用文字和數(shù)字顯示。
⑤操作簡(jiǎn)單易掌握。
⑥采用集成電路，故接插點(diǎn)少，故障率低。
⑦成本較低。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法如下按圖1的框圖，可以給出一個(gè)實(shí)施例，其中1、9為Z-80CPU，2、10為固化了程序的EPROM，3、11為Z-80CTC，4、12為Z-80PIO，5、6、13為74LS273，7為74LS244，8為ADC0809。如果將它們和其他電路板聯(lián)結(jié)起來，便可實(shí)現(xiàn)晶閘管中頻電源的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
對(duì)各種不同容量的2500赫茲以下的中頻電源，本控制系統(tǒng)只需對(duì)采樣系統(tǒng)及軟件進(jìn)行少量調(diào)整便可適用。本系統(tǒng)所需的軟件，對(duì)程序員來講不存在編制的困難。
權(quán)利要求
1.一種以微處理器為核心的全數(shù)字化電路構(gòu)成的晶閘管中頻電源控制系統(tǒng)，包括二片微處理器[1、9]、EPROM(2、10]、計(jì)數(shù)定時(shí)器[3、11]、并行輸入/輸出接口[4、12]、輸出接口[5、6、13]、輸入接口[7]和A/D轉(zhuǎn)換器[8]，其特征在于由[1、2、3、4、5、6、7、8]構(gòu)成第一臺(tái)計(jì)算機(jī)，由[9、10、11、12、13]構(gòu)成第二臺(tái)計(jì)算機(jī)。
2.按權(quán)利要求
1所述的晶閘管中頻電源控制系統(tǒng)，其特征在于采用計(jì)算機(jī)控制他激起動(dòng)法起動(dòng)中頻電源。
3.按權(quán)利要求
1所述的晶閘管中頻電源的控制系統(tǒng)，其特征在于用計(jì)算機(jī)來形成整流觸發(fā)脈沖和調(diào)節(jié)中頻電源輸出功率。
4.按權(quán)利要求
1所述的晶閘管中頻電源的控制系統(tǒng)，其特征在于用計(jì)算機(jī)來自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載諧振電容器容量。
5.按權(quán)利要求
1所述的晶閘管中頻電源的控制系統(tǒng)，其特征在于保護(hù)動(dòng)作或停機(jī)時(shí)，在整流橋處于有源逆變工作狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)對(duì)四只逆變橋晶閘管送出為時(shí)10毫秒左右的脈沖列。
專利摘要
“控制晶閘管中頻電源的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是一種控制和調(diào)節(jié)電量的裝置。它由以微處理器為核心的數(shù)字電路構(gòu)成。本系統(tǒng)除具備必需的功能外，還具有自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率和自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載諧振電容的能力。本系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)控制他激起動(dòng)法，保證了中頻電源起動(dòng)的成功，并使起動(dòng)迅速、方便。本系統(tǒng)用屏幕顯示運(yùn)行參數(shù)和經(jīng)運(yùn)算后得到的數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H02M5/00GK85101943SQ85101943
公開日1986年9月3日 申請(qǐng)日期1985年4月1日
發(fā)明者顧逸新, 蔣黔麟 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan