一种可控硅单相调压电路及其控制方法
【专利摘要】一种可控硅单相调压电路及其控制方法,这套电路省了脉冲去变压器、整流桥等环节,直接利用光电耦合器检测交流电双向过零信号,增加了调压电路的稳定性及精确度。另外,调压电路利用有效的硬件电路来检测控制算法所需要的偏差正负信号,偏差正负信号以开关量的形式送入主控制器,省去了模数转换器的转换时间;控制算法采用的是移相触发,直接根据偏差正负信号来决定触发角的移动方向,属于闭环有差控制。调压电路的可控硅触发电路可产生强触发宽脉冲信号,保证可控硅的稳定触发。因此,调压电路及控制方法大大减少了硬件和时间开销;不但增强了控制系统的实时性、精确性和稳定性,还降低了整个电路的成本。
【专利说明】一种可控硅单相调压电路及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制【技术领域】,具体地说,是一种可控硅单相调压电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着我国工业用电量的增长,终端供电线路条件日趋复杂,靠近配电变压器的市电电压普遍偏高,而且电压随供电负荷的变化而波动,尤其是当前大多数情况下,市电电压偏高,会造成用电设备经常处于过载运行状态,能耗增大,运行的可靠性降低,故障率提高,增加了用户的电费支出,设备检修费用也随之提高。
[0003]通过用户侧的调压装置进行电压调节,来适应设备的用电需求是一个比较可行的办法,至少可以使用电设备的电压稳定在标称的额定电压之下,更进一步还可以根据用电设备的特性进一步降低电压,使设备处在更低的能耗之下,达到节能的效果。目前调节电压的方法有1、自耦变压器调压;2、可控硅调压;3、IGBT调压。自耦变压器调压比较容易实现,但其电压是通过切换不同的抽头来实现,响应速度慢。使用IGBT进行高频斩波调压,可以实现完美的正弦波输出,同样具有响应速度高的特点,但其技术较复杂,且成本高,不易实现较大容量的调压。因此,以上三种调压技术中可控硅调压是常用的一种调压方式。
[0004]传统的可控硅触发器采用模拟控制电路,无法克服其固有缺点。数字式控制电路与模拟式相比,主要优点是输出波形稳定和可靠性高,但其缺点是电路比较复杂,移相触发角较大时控制精度不高。而且两种控制电路的过零检测电路中都含有同步变压器,不但增加控制电路的体积和成本,还会造成过零误差。有些文献或专利中将单片机引入到调压电路中,可以部分解决以上问题,但在过零检测电路部分还是要将交流电进行整流后再经光电耦合器才能得到过零信号,电路复杂易出现故障。另外,以可控硅为执行单元的控制系统,尤其是电压控制系统中,控制系统的实时性和控制精度受制于单片机模数转换器的转换速度和检测精度。此外,控制系统的控制算法也造成很大的时间开销。控制系统的性价比无法达到最优。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:对现有单一功能的单元电路进行有机的结合和创新,克服现有技术的缺点,提供一种适用性强,性价比高的可控硅单相调压电路;并提供简便易行,实时性、精确性和稳定性高,成本低的控制方法。
[0006]本发明解决技术问题的方案是:一种可控硅单相调压电路,其特征在于:它包括:主控电路分别与过零检测电路、可控硅触发电路和偏差判断电路电连接,可控硅触发电路与单向可控硅反向并联电路电连接,所述过零检测电路用于检测交流的双向过零信号,所述偏差判断电路是将电压反馈信号与给定信号直接通过比较器进行比较,从而在硬件上得出控制算法所需要的偏差正负信号,所述主控电路直接将偏差正负信号输入到控制算法中,控制算法得出控制量,主控制器根据所述过零信号及控制量得出与电源信号同步的触发脉冲信号,触发脉冲信号经过所述可控硅触发电路触发可控硅导通,所述偏差判断电路得出控制算法所需要的偏差正负信号,所述过零检测电路采用光电耦合器检测电源交流信号的双向过零信号,当电源交流信号的正半波通过时,光电耦合器Ul产生一个正半波的过零信号送给主控制电路,当电源交流信号的负半波通过时,光电耦合器U2产生一个负半波的过零信号送给主控制电路。
[0007]所述可控硅触发电路主要由反相器和M0C3083构成。
[0008]所述主控制电路是集成比较器的智能芯片或智能电路。
[0009]一种可控硅单相调压电路的控制方法,其特征是,它包括以下内容:
a.由过零检测电路检测过零信号,给定信号由滑动变阻器设定,反馈的电压检测信号与给定信号在硬件比较器中比较,比较结果为开关量,送入控制算法内,控制算法根据比较结果和初始设定的移相角得出当前移相角,并将移相角转换成0~T/2延时时间,送入主控电路的定时器,主控制电路检测到过零信号后启动定时器开始延时,延时结束后主控制器发出脉冲信号触发可控硅导通,T为电源信号的一个周波占用的时间;
b.当给定信号大于反馈信号,则需要增大电压,因此移相角需要减小一个固定值,即定时器的延时时间需要减小一个固定的值,即步长,当给定信号小于反馈信号,则需要减小电压,因此移相角需要增加一个步长;
c.步长的大小由控制精度和调节时间两个因素决定。
[0010]本发明的可控硅单相调压电路省去了同步变压器、整流桥等环节,直接利用光电耦合器检测交流电双向的过零信号,增加了调压电路的稳定性及精确度;另外,调压电路利用有效的硬件电路来检测控制算法所需要的偏差正负信号,偏差正负信号以开关量的形式送入主控制器,省去了模数转换器的转换时间;控制算法采用的是移相触发,直接根据偏差正负信号来决定触发角的移动方向;调压电路的可控硅触发电路可产生强触发宽脉冲信号,可保证可控硅的稳定触发,且不需要使用脉冲变压器,其适用性强,性价比高。
[0011]本发明的可控硅单相调压电路的控制方法属于闭环有差控制,大大减少了硬件和时间开销,不但增强了控制电路的实时性、精确性和稳定性,还降低了控制电路的成本,虽然输出的电压会在设定值的一定范围内有规律地进行波动,但波动幅度很小,能够满足绝大多数用户的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明一种可控硅单相调压电路原理框图;
图2为实施例1的一种可控娃单相调压电路原理不意图;
图3为本发明一种可控硅单相调压电路的程序流程图;
图4为实施例2的一种可控娃单相调压电路原理不意图。
[0013]图中:10是过零检测电路,20是偏差判断电路,30是单相可控娃反向并联电路,40是主控电路,50是可控娃触发电路,60是电流检测电路,601是电流互感器,602是单相整流桥。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0015]实施例1:参照图1和图2,本发明的一种可控硅单相调压电路,包括主控电路40分别与过零检测电路10、可控硅触发电路50和偏差判断电路20电连接,可控硅触发电路50与单向可控硅反向并联电路30电连接。所述过零检测电路10中的L连接到电源的火线,N连接到电源的零线。当电源的正半波进入时,由L端的电压高于N端的电压,电流从L端流经电阻Rl再经过光电耦合器Ul的I引脚流入2引脚流出,最后流入N端,由此,光电率禹合器Ul内部的发光二极管发光。光电稱合器Ul的发光二极管不发光时,光电稱合器Ul的3引脚与4引脚不导通,电阻R3上没有电流,因此光电耦合器Ul的3引脚上的电平是高电平VCC。本实施例中,VCC是5V电平。光电耦合器Ul的发光二极管发光时,光电耦合器Ul的3引脚与4引脚导通,光电稱合器Ul的3引脚的电平接近于0V,从而在光电稱合器Ul的3引脚上产生一个下降沿信号。在本电路中这个下降沿信号被定义为正过零信号。正过零信号经过电平驱动芯片U3的I引脚进入,驱动后从其2引脚输出给主控制器U4的P3.2引脚。由于此时L端电压大于N端电压,所以L端到电阻R2到光电耦合器U2的2引脚再到光电耦合器U2的I引脚再到N端这条支路是断路。光电耦合器U2内部的发光二极管不发光。所以光电耦合器U2的3引脚的电平始终是高电平,即没有负过零信号进入。
[0016]当电源的负半波进入时,N端的电压高于L端,电流从N端流经电阻R2流入光电耦合器U2的2引脚,再从光电耦合U2的I引脚流入L端,因此,光电耦合器U2内部的发光二极管发光,光电耦合器U2的3引脚和4引脚导通,光电耦合器U2的3引脚的电平从高电平5V变为低电平接近0V,从而产生一个下降沿信号。在本电路中这个下降沿信号被定义为负过零信号。负过零信号进入电平驱动芯片U3的3引脚,驱动后从其4引脚输出给主控制器U4的P3.3引脚。由于此时N端电压大于L端电压,所以N端到光电耦合器Ul的2引脚到其I引脚到电阻Rl到L端这段支路不导通,因此光电耦合器Ul内部的发光二极管不发光,光电耦合器Ul的3引脚始终保持高平,即没有正过零信号进入。
[0017]在本实施例1中,所述光电耦合器Ul和U2选用TLP521,所述电平驱动芯片U3是74LS244,所述主控制电路40为主控制器U4,主控制器U4采用AT89S2051,主控制器U4的程序流程图如图3所示,软件程序为本领域相关技术人员所熟悉的技术,可根据电力电子技术,自动控制技术,计算机技术等相关技术编制。
[0018]所述偏差判断电路20的+和-用于接入电压反馈信号,再经过电容Cl滤波加在电阻R6和滑动变阻器RPl两端,适当调整滑动变阻器RP1,在滑动变阻器RPl的3引脚按比例获取反馈的电压信号,再经电容C2滤波后从电容C2的正极送入主控制器U4的Pl.1引脚。用户通过设置滑动变阻器RP2的3引脚和2引脚之间的电阻值来给出给定信号,在滑动变阻器RP2两端加上5V电压VCC,则将给定信号变为电压信号从滑动变阻器RP2的3引脚输出,送入主控制器U4的Pl.0引脚。
[0019]所述双向可硅触发电路50用于向单相可控硅反向并联电路30提供触发信号,双向可硅触发电路50的Al,Kl,A2,K2分别与单相可控硅反向并联电路30的Al,Kl,A2,K2相连接,主控制器U4使用其Pl.6引脚和Pl.7引脚发出宽脉冲触发信号,分别进入电平驱动芯片U3的5引脚和10引脚进行驱动,再分别从电平驱动芯片U3的6引脚和9引脚输出,经过电阻R7和电阻RlO的限流,再通过隔离芯片U5和U6内部的发光二极管与VCC连接。当Pl.6和Pl.7为低电平时,VCC到Pl.7和VCC到Pl.6这两条支路导通,隔离芯片U5和U6内部的发光二极管发光,隔离芯片U5和U6内部的双向二极管导通,电阻R8和电阻Rll被短路,Al到Kl以及A2到K2的等效电阻减少,电流增加,则单相可控硅反向并联电路导通。当Pl.6和Pl.7为高电平时,VCC到Pl.7和VCC到Pl.6这两条支路截止,隔离芯片U5和U6内部的发光二极管不发光,隔离芯片U5和U6内部的双向二极管截止,电阻R8和电阻Rll有电流通过,Al到Kl以及A2到K2的等效电阻增加,电流减少,则单相可控硅反向并联电路30截止。因此,控制主控制器U4的Pl.6和Pl.7上输出脉冲的脉宽就可以控制单相可控硅反向并联电路30导通和截止时间,从而控制单相可控硅反向并联电路30的输出电压,输出电压再通过电压反馈的+和-端口反馈给偏差判断电路20的+和-ο所述U5和U6 是 M0C3083。
[0020]触发电路电压控制方法是:a.由过零检测电路10检测过零信号,给定信号由滑动变阻器RP2设定,反馈的电压检测信号与给定信号在主控制电路40的比较器中比较,比较结果为开关量,通过主控制电路40的寄存器送入控制算法内,控制算法根据比较结果得出移相角,并将移相角转换成0~T/2延时时间,送入主控制电路40的内部定时器,主控制电路40检测到过零信号后启动定时器开始延时,延时结束后主控制器发出脉冲信号触发可控硅导通,T为电源信号的一个周波占用的时间。在本实施例中,T为20ms,即电源信号是工频交流电;
b.当给定信号大于反馈信号,则需要增大电压,因此移相角需要减小一个固定值,即定时器的延时时间需要减小一个固定的值,即步长,当给定信号小于反馈信号,则需要减小电压,因此移相角需要增加一个步长;
c.步长的大小由控制精度和调节时间两个因素决定。
[0021]实施例2:参照图4,实施例2的一种可控硅单相调压电路调压电路与实施例1基本相同,其不同之处为:在可控硅30所在的火线L和偏差判断电路20之间加装一套电流检测电路60,电流互感器601采集火线上L的交流电流信号,所得到的交流电流信号,再经过整流桥602变成直流电流信号。直流电流信号经过电阻Rl变成负电压信号,并经电容C滤波送入由LM358及Rl、R2组成的反相放大器进行反相放大后,通过电压反馈的+和-连接到偏差判断电路20的电压反馈的+和-上。
[0022]尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示,但本发明的保护范围并不局限于此,在不偏离本发明构思的条件下,对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种可控硅单相调压电路,其特征在于:它包括:主控电路分别与过零检测电路、可控硅触发电路和偏差判断电路电连接,可控硅触发电路与单向可控硅反向并联电路电连接,所述过零检测电路用于检测交流的双向过零信号,所述偏差判断电路是将电压反馈信号与给定信号直接通过比较器进行比较,从而在硬件上得出控制算法所需要的偏差正负信号,所述主控电路直接将偏差正负信号输入到控制算法中,控制算法得出控制量,主控制器根据所述过零信号及控制量得出与电源信号同步的触发脉冲信号,触发脉冲信号经过所述可控硅触发电路触发可控硅导通,所述偏差判断电路得出控制算法所需要的偏差正负信号,所述过零检测电路采用光电耦合器检测电源交流信号的双向过零信号,当电源交流信号的正半波通过时,光电耦合器Ul产生一个正半波的过零信号送给主控制电路,当电源交流信号的负半波通过时,光电耦合器U2产生一个负半波的过零信号送给主控制电路。
2.如权利要求1一种可控硅单相调压电路,其特征在于:所述可控硅触发电路主要由反相器和M0C3083构成。
3.如权利要求1一种可控硅单相调压电路,其特征在于:所述主控制电路是集成比较器的智能芯片或智能电路。
4.一种可控硅单相调压电路的控制方法,其特征是,它包括以下内容: a.由过零检测电路检测过零信号,给定信号由滑动变阻器设定,反馈的电压检测信号与给定信号在硬件比较器中比较,比较结果为开关量,送入控制算法内,控制算法根据比较结果和初始设定的移相角得出当前移相角,并将移相角转换成0~T/2延时时间,送入主控电路的定时器,主控制电路检测到过零信号后启动定时器开始延时,延时结束后主控制器发出脉冲信号触发可控硅导通,T为电源信号的一个周波占用的时间; b.当给定信号大于反馈信号,则需要增大电压,因此移相角需要减小一个固定值,即定时器的延时时间需要减小一个固定的值,即步长,当给定信号小于反馈信号,则需要减小电压,因此移相角需要增加一个步长; c.步长的大小由控制精度和调节时间两个因素决定。
【文档编号】G05F1/56GK104503529SQ201410831164
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】周振雄, 孙继元, 曲永印, 苑广军, 郭丽 申请人:北华大学