一種可控硅單相調(diào)壓電路及其控制方法
【專利摘要】一種可控硅單相調(diào)壓電路及其控制方法，這套電路省了脈沖去變壓器、整流橋等環(huán)節(jié)，直接利用光電耦合器檢測交流電雙向過零信號，增加了調(diào)壓電路的穩(wěn)定性及精確度。另外，調(diào)壓電路利用有效的硬件電路來檢測控制算法所需要的偏差正負信號，偏差正負信號以開關量的形式送入主控制器，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；控制算法采用的是移相觸發(fā)，直接根據(jù)偏差正負信號來決定觸發(fā)角的移動方向，屬于閉環(huán)有差控制。調(diào)壓電路的可控硅觸發(fā)電路可產(chǎn)生強觸發(fā)寬脈沖信號，保證可控硅的穩(wěn)定觸發(fā)。因此，調(diào)壓電路及控制方法大大減少了硬件和時間開銷；不但增強了控制系統(tǒng)的實時性、精確性和穩(wěn)定性，還降低了整個電路的成本。
【專利說明】一種可控硅單相調(diào)壓電路及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及控制【技術領域】，具體地說，是一種可控硅單相調(diào)壓電路及其控制方法。

【背景技術】
[0002]隨著我國工業(yè)用電量的增長，終端供電線路條件日趨復雜，靠近配電變壓器的市電電壓普遍偏高，而且電壓隨供電負荷的變化而波動，尤其是當前大多數(shù)情況下，市電電壓偏高，會造成用電設備經(jīng)常處于過載運行狀態(tài)，能耗增大，運行的可靠性降低，故障率提高，增加了用戶的電費支出，設備檢修費用也隨之提高。
[0003]通過用戶側(cè)的調(diào)壓裝置進行電壓調(diào)節(jié)，來適應設備的用電需求是一個比較可行的辦法，至少可以使用電設備的電壓穩(wěn)定在標稱的額定電壓之下，更進一步還可以根據(jù)用電設備的特性進一步降低電壓，使設備處在更低的能耗之下，達到節(jié)能的效果。目前調(diào)節(jié)電壓的方法有1、自耦變壓器調(diào)壓；2、可控硅調(diào)壓；3、IGBT調(diào)壓。自耦變壓器調(diào)壓比較容易實現(xiàn)，但其電壓是通過切換不同的抽頭來實現(xiàn)，響應速度慢。使用IGBT進行高頻斬波調(diào)壓，可以實現(xiàn)完美的正弦波輸出，同樣具有響應速度高的特點，但其技術較復雜，且成本高，不易實現(xiàn)較大容量的調(diào)壓。因此，以上三種調(diào)壓技術中可控硅調(diào)壓是常用的一種調(diào)壓方式。
[0004]傳統(tǒng)的可控硅觸發(fā)器采用模擬控制電路，無法克服其固有缺點。數(shù)字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點是電路比較復雜，移相觸發(fā)角較大時控制精度不高。而且兩種控制電路的過零檢測電路中都含有同步變壓器，不但增加控制電路的體積和成本，還會造成過零誤差。有些文獻或?qū)＠袑纹瑱C引入到調(diào)壓電路中，可以部分解決以上問題，但在過零檢測電路部分還是要將交流電進行整流后再經(jīng)光電耦合器才能得到過零信號，電路復雜易出現(xiàn)故障。另外，以可控硅為執(zhí)行單元的控制系統(tǒng)，尤其是電壓控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的實時性和控制精度受制于單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和檢測精度。此外，控制系統(tǒng)的控制算法也造成很大的時間開銷。控制系統(tǒng)的性價比無法達到最優(yōu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:對現(xiàn)有單一功能的單元電路進行有機的結(jié)合和創(chuàng)新，克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種適用性強，性價比高的可控硅單相調(diào)壓電路；并提供簡便易行，實時性、精確性和穩(wěn)定性高，成本低的控制方法。
[0006]本發(fā)明解決技術問題的方案是:一種可控硅單相調(diào)壓電路，其特征在于:它包括:主控電路分別與過零檢測電路、可控硅觸發(fā)電路和偏差判斷電路電連接，可控硅觸發(fā)電路與單向可控硅反向并聯(lián)電路電連接，所述過零檢測電路用于檢測交流的雙向過零信號，所述偏差判斷電路是將電壓反饋信號與給定信號直接通過比較器進行比較，從而在硬件上得出控制算法所需要的偏差正負信號，所述主控電路直接將偏差正負信號輸入到控制算法中，控制算法得出控制量，主控制器根據(jù)所述過零信號及控制量得出與電源信號同步的觸發(fā)脈沖信號，觸發(fā)脈沖信號經(jīng)過所述可控硅觸發(fā)電路觸發(fā)可控硅導通，所述偏差判斷電路得出控制算法所需要的偏差正負信號，所述過零檢測電路采用光電耦合器檢測電源交流信號的雙向過零信號，當電源交流信號的正半波通過時，光電耦合器Ul產(chǎn)生一個正半波的過零信號送給主控制電路，當電源交流信號的負半波通過時，光電耦合器U2產(chǎn)生一個負半波的過零信號送給主控制電路。
[0007]所述可控硅觸發(fā)電路主要由反相器和M0C3083構(gòu)成。
[0008]所述主控制電路是集成比較器的智能芯片或智能電路。
[0009]一種可控硅單相調(diào)壓電路的控制方法，其特征是，它包括以下內(nèi)容:
a.由過零檢測電路檢測過零信號，給定信號由滑動變阻器設定，反饋的電壓檢測信號與給定信號在硬件比較器中比較，比較結(jié)果為開關量，送入控制算法內(nèi)，控制算法根據(jù)比較結(jié)果和初始設定的移相角得出當前移相角，并將移相角轉(zhuǎn)換成0~T/2延時時間，送入主控電路的定時器，主控制電路檢測到過零信號后啟動定時器開始延時，延時結(jié)束后主控制器發(fā)出脈沖信號觸發(fā)可控硅導通，T為電源信號的一個周波占用的時間；
b.當給定信號大于反饋信號，則需要增大電壓，因此移相角需要減小一個固定值，即定時器的延時時間需要減小一個固定的值，即步長，當給定信號小于反饋信號，則需要減小電壓，因此移相角需要增加一個步長；
c.步長的大小由控制精度和調(diào)節(jié)時間兩個因素決定。
[0010]本發(fā)明的可控硅單相調(diào)壓電路省去了同步變壓器、整流橋等環(huán)節(jié)，直接利用光電耦合器檢測交流電雙向的過零信號，增加了調(diào)壓電路的穩(wěn)定性及精確度；另外，調(diào)壓電路利用有效的硬件電路來檢測控制算法所需要的偏差正負信號，偏差正負信號以開關量的形式送入主控制器，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間；控制算法采用的是移相觸發(fā)，直接根據(jù)偏差正負信號來決定觸發(fā)角的移動方向；調(diào)壓電路的可控硅觸發(fā)電路可產(chǎn)生強觸發(fā)寬脈沖信號，可保證可控硅的穩(wěn)定觸發(fā)，且不需要使用脈沖變壓器，其適用性強，性價比高。
[0011]本發(fā)明的可控硅單相調(diào)壓電路的控制方法屬于閉環(huán)有差控制，大大減少了硬件和時間開銷，不但增強了控制電路的實時性、精確性和穩(wěn)定性，還降低了控制電路的成本，雖然輸出的電壓會在設定值的一定范圍內(nèi)有規(guī)律地進行波動，但波動幅度很小，能夠滿足絕大多數(shù)用戶的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明一種可控硅單相調(diào)壓電路原理框圖；
圖2為實施例1的一種可控娃單相調(diào)壓電路原理不意圖；
圖3為本發(fā)明一種可控硅單相調(diào)壓電路的程序流程圖；
圖4為實施例2的一種可控娃單相調(diào)壓電路原理不意圖。
[0013]圖中:10是過零檢測電路,20是偏差判斷電路,30是單相可控娃反向并聯(lián)電路,40是主控電路，50是可控娃觸發(fā)電路，60是電流檢測電路，601是電流互感器，602是單相整流橋。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0015]實施例1:參照圖1和圖2，本發(fā)明的一種可控硅單相調(diào)壓電路，包括主控電路40分別與過零檢測電路10、可控硅觸發(fā)電路50和偏差判斷電路20電連接，可控硅觸發(fā)電路50與單向可控硅反向并聯(lián)電路30電連接。所述過零檢測電路10中的L連接到電源的火線,N連接到電源的零線。當電源的正半波進入時，由L端的電壓高于N端的電壓，電流從L端流經(jīng)電阻Rl再經(jīng)過光電耦合器Ul的I引腳流入2引腳流出，最后流入N端，由此，光電率禹合器Ul內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光。光電稱合器Ul的發(fā)光二極管不發(fā)光時,光電稱合器Ul的3引腳與4引腳不導通，電阻R3上沒有電流，因此光電耦合器Ul的3引腳上的電平是高電平VCC。本實施例中，VCC是5V電平。光電耦合器Ul的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電耦合器Ul的3引腳與4引腳導通,光電稱合器Ul的3引腳的電平接近于0V,從而在光電稱合器Ul的3引腳上產(chǎn)生一個下降沿信號。在本電路中這個下降沿信號被定義為正過零信號。正過零信號經(jīng)過電平驅(qū)動芯片U3的I引腳進入，驅(qū)動后從其2引腳輸出給主控制器U4的P3.2引腳。由于此時L端電壓大于N端電壓，所以L端到電阻R2到光電耦合器U2的2引腳再到光電耦合器U2的I引腳再到N端這條支路是斷路。光電耦合器U2內(nèi)部的發(fā)光二極管不發(fā)光。所以光電耦合器U2的3引腳的電平始終是高電平，即沒有負過零信號進入。
[0016]當電源的負半波進入時，N端的電壓高于L端，電流從N端流經(jīng)電阻R2流入光電耦合器U2的2引腳，再從光電耦合U2的I引腳流入L端，因此，光電耦合器U2內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，光電耦合器U2的3引腳和4引腳導通，光電耦合器U2的3引腳的電平從高電平5V變?yōu)榈碗娖浇咏?V，從而產(chǎn)生一個下降沿信號。在本電路中這個下降沿信號被定義為負過零信號。負過零信號進入電平驅(qū)動芯片U3的3引腳，驅(qū)動后從其4引腳輸出給主控制器U4的P3.3引腳。由于此時N端電壓大于L端電壓，所以N端到光電耦合器Ul的2引腳到其I引腳到電阻Rl到L端這段支路不導通，因此光電耦合器Ul內(nèi)部的發(fā)光二極管不發(fā)光，光電耦合器Ul的3引腳始終保持高平，即沒有正過零信號進入。
[0017]在本實施例1中，所述光電耦合器Ul和U2選用TLP521，所述電平驅(qū)動芯片U3是74LS244，所述主控制電路40為主控制器U4，主控制器U4采用AT89S2051，主控制器U4的程序流程圖如圖3所示，軟件程序為本領域相關技術人員所熟悉的技術，可根據(jù)電力電子技術，自動控制技術，計算機技術等相關技術編制。
[0018]所述偏差判斷電路20的+和-用于接入電壓反饋信號，再經(jīng)過電容Cl濾波加在電阻R6和滑動變阻器RPl兩端，適當調(diào)整滑動變阻器RP1，在滑動變阻器RPl的3引腳按比例獲取反饋的電壓信號，再經(jīng)電容C2濾波后從電容C2的正極送入主控制器U4的Pl.1引腳。用戶通過設置滑動變阻器RP2的3引腳和2引腳之間的電阻值來給出給定信號，在滑動變阻器RP2兩端加上5V電壓VCC，則將給定信號變?yōu)殡妷盒盘枏幕瑒幼冏杵鱎P2的3引腳輸出，送入主控制器U4的Pl.0引腳。
[0019]所述雙向可硅觸發(fā)電路50用于向單相可控硅反向并聯(lián)電路30提供觸發(fā)信號，雙向可硅觸發(fā)電路50的Al，Kl，A2，K2分別與單相可控硅反向并聯(lián)電路30的Al，Kl，A2，K2相連接，主控制器U4使用其Pl.6引腳和Pl.7引腳發(fā)出寬脈沖觸發(fā)信號，分別進入電平驅(qū)動芯片U3的5引腳和10引腳進行驅(qū)動，再分別從電平驅(qū)動芯片U3的6引腳和9引腳輸出，經(jīng)過電阻R7和電阻RlO的限流，再通過隔離芯片U5和U6內(nèi)部的發(fā)光二極管與VCC連接。當Pl.6和Pl.7為低電平時，VCC到Pl.7和VCC到Pl.6這兩條支路導通，隔離芯片U5和U6內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，隔離芯片U5和U6內(nèi)部的雙向二極管導通，電阻R8和電阻Rll被短路，Al到Kl以及A2到K2的等效電阻減少，電流增加，則單相可控硅反向并聯(lián)電路導通。當Pl.6和Pl.7為高電平時，VCC到Pl.7和VCC到Pl.6這兩條支路截止，隔離芯片U5和U6內(nèi)部的發(fā)光二極管不發(fā)光，隔離芯片U5和U6內(nèi)部的雙向二極管截止，電阻R8和電阻Rll有電流通過，Al到Kl以及A2到K2的等效電阻增加，電流減少，則單相可控硅反向并聯(lián)電路30截止。因此，控制主控制器U4的Pl.6和Pl.7上輸出脈沖的脈寬就可以控制單相可控硅反向并聯(lián)電路30導通和截止時間，從而控制單相可控硅反向并聯(lián)電路30的輸出電壓，輸出電壓再通過電壓反饋的+和-端口反饋給偏差判斷電路20的+和-ο所述U5和U6 是 M0C3083。
[0020]觸發(fā)電路電壓控制方法是:a.由過零檢測電路10檢測過零信號，給定信號由滑動變阻器RP2設定，反饋的電壓檢測信號與給定信號在主控制電路40的比較器中比較，比較結(jié)果為開關量，通過主控制電路40的寄存器送入控制算法內(nèi)，控制算法根據(jù)比較結(jié)果得出移相角，并將移相角轉(zhuǎn)換成0~T/2延時時間，送入主控制電路40的內(nèi)部定時器，主控制電路40檢測到過零信號后啟動定時器開始延時，延時結(jié)束后主控制器發(fā)出脈沖信號觸發(fā)可控硅導通，T為電源信號的一個周波占用的時間。在本實施例中，T為20ms，即電源信號是工頻交流電；
b.當給定信號大于反饋信號，則需要增大電壓，因此移相角需要減小一個固定值，即定時器的延時時間需要減小一個固定的值，即步長，當給定信號小于反饋信號，則需要減小電壓，因此移相角需要增加一個步長；
c.步長的大小由控制精度和調(diào)節(jié)時間兩個因素決定。
[0021]實施例2:參照圖4，實施例2的一種可控硅單相調(diào)壓電路調(diào)壓電路與實施例1基本相同，其不同之處為:在可控硅30所在的火線L和偏差判斷電路20之間加裝一套電流檢測電路60，電流互感器601采集火線上L的交流電流信號，所得到的交流電流信號，再經(jīng)過整流橋602變成直流電流信號。直流電流信號經(jīng)過電阻Rl變成負電壓信號，并經(jīng)電容C濾波送入由LM358及Rl、R2組成的反相放大器進行反相放大后，通過電壓反饋的+和-連接到偏差判斷電路20的電壓反饋的+和-上。
[0022]盡管通過以上實施例對本發(fā)明進行了揭示，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，在不偏離本發(fā)明構(gòu)思的條件下，對以上各構(gòu)件所做的變形、替換等均將落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可控硅單相調(diào)壓電路，其特征在于:它包括:主控電路分別與過零檢測電路、可控硅觸發(fā)電路和偏差判斷電路電連接，可控硅觸發(fā)電路與單向可控硅反向并聯(lián)電路電連接，所述過零檢測電路用于檢測交流的雙向過零信號，所述偏差判斷電路是將電壓反饋信號與給定信號直接通過比較器進行比較，從而在硬件上得出控制算法所需要的偏差正負信號，所述主控電路直接將偏差正負信號輸入到控制算法中，控制算法得出控制量，主控制器根據(jù)所述過零信號及控制量得出與電源信號同步的觸發(fā)脈沖信號，觸發(fā)脈沖信號經(jīng)過所述可控硅觸發(fā)電路觸發(fā)可控硅導通，所述偏差判斷電路得出控制算法所需要的偏差正負信號，所述過零檢測電路采用光電耦合器檢測電源交流信號的雙向過零信號，當電源交流信號的正半波通過時，光電耦合器Ul產(chǎn)生一個正半波的過零信號送給主控制電路，當電源交流信號的負半波通過時，光電耦合器U2產(chǎn)生一個負半波的過零信號送給主控制電路。
2.如權(quán)利要求1一種可控硅單相調(diào)壓電路，其特征在于:所述可控硅觸發(fā)電路主要由反相器和M0C3083構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1一種可控硅單相調(diào)壓電路，其特征在于:所述主控制電路是集成比較器的智能芯片或智能電路。
4.一種可控硅單相調(diào)壓電路的控制方法，其特征是，它包括以下內(nèi)容: a.由過零檢測電路檢測過零信號，給定信號由滑動變阻器設定，反饋的電壓檢測信號與給定信號在硬件比較器中比較，比較結(jié)果為開關量，送入控制算法內(nèi)，控制算法根據(jù)比較結(jié)果和初始設定的移相角得出當前移相角，并將移相角轉(zhuǎn)換成0~T/2延時時間，送入主控電路的定時器，主控制電路檢測到過零信號后啟動定時器開始延時，延時結(jié)束后主控制器發(fā)出脈沖信號觸發(fā)可控硅導通，T為電源信號的一個周波占用的時間； b.當給定信號大于反饋信號，則需要增大電壓，因此移相角需要減小一個固定值，即定時器的延時時間需要減小一個固定的值，即步長，當給定信號小于反饋信號，則需要減小電壓，因此移相角需要增加一個步長； c.步長的大小由控制精度和調(diào)節(jié)時間兩個因素決定。
【文檔編號】G05F1/56GK104503529SQ201410831164
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】周振雄, 孫繼元, 曲永印, 苑廣軍, 郭麗 申請人:北華大學