（信号与信息处理专业论文）电力电子变流装置多功能触摸控制模块的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 电力电子变流装置多功能触摸控制模块的研究 信号与信息处理 岳清涛( 签名) 垂：杰：客 汉泽西( 签名) 李宏( 签名) 摘要 本文分析了电力电子变流装置的控制和监测现状，设计出一种新型电力电子变流装 置触摸控制模块。其主要包括三部分：一基于c p l d 的数字触发器，它是变流装置控制 的核心技术，具有相序自适应、缺相错相保护、外部故障保护以及宽脉冲和双窄脉冲选 择等功能；二以p l c 为核心的监控单元，完成了对重要部件状态的监测、对电压、电 流实时数值的采集等；三由触摸屏完成的人机交互部分，它具有替代指示灯、按钮、电 位器和电压、电流表的功能，能够减少现场调试的工作量并记录故障状态。 该触摸控制模块已经在某电解电源中得到应用。现场实用效果证明，所研制的触摸 控制模块使操作人员在操作过程中能够直观、方便地获取信息，可靠地执行对整流用电 力电子变流装置的操作，性能稳定，达到了预期的设计目的。 关键词：c p l d 可编程逻辑控制器触摸屏数字触发器 论文类型：应用基础与应用技术研究 英文摘要 s u b j e c t ： r e s e a r c hat o u c hc o n t r o lm o d u l ef o rp o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e rd e v i c e s p e c i a l i t y ： s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e ：y u eq i n g1 陪o ( s i g n a t u r e ) ! 竺竺坠刍! 竺? i n s t r u c t o r ：h a nz e l i h o n a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fp o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e re q u i p m e n tc o n t r o lm e t h o da n d d e t e c t i o nm e t h o d ，an e wk i n dt o u c h i n gc o n t r o lm o d u l ei sd e r i v e d t h ec o n t e n t si n c l u d et h e f o l l o wt h r e ep a r t s f i r s tp a r ti sd i g i t a lt r i g g e rb a s e do nc p l dw h i c hi st h ek e yc o n t r o l l e rf o r p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e re q u i p m e n t i tc a nc o m p l e t ea d a p t i v ep h a s es e q u e n c e ，p h a s e p r o t e c t i o n ，e x t e r n a lf a i l u r ep r o t e c t i o na n db r o a da n dd u a ln a r r o wp u l s ec h o i c e s e c o n do n ei s t h em o n i t o r i n gp a r t 、析t ht h ep l ca ti t sc o r e i tc a nc o m p l e t es u r v e i l l a n c et oi m p o r t a n tu n i t s i a t u s ，v o l t a g ea n dc u r r e n tr e a l t i m ed a t ac o l l e c t e d t h i r do n ei sm a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n a c h i e v e db yt o u c hs c r e e n i ti ss u p p o s e dt or e p l a c et h ef u n c t i o no fi n d i c a t o rl i g h t ，b u t t o n ， r e g u l a t i o nr e s i s t a n c ea n dv o l t a m m e t e ra n di tw i l lm i n i m i z et h ea m o u n to fa d j u s t m e n tw o r ki n t h ef i e l d ，r e c o r d i n ge r r o r t h et o u c hc o n t r o lm o d u l ei sa p p l i e di no n ee c m i ti sp r o v e di nf i e l dt h a to p e r a t o r sc a n a c c e s st h ei n f o r m a t i o ni n t u i t i v e l ya n dc o n v e n i e n t l yb yt o u c hc o n t r o lm o d u l ei no p e r a t i o n o p e r a t o r sc a np e r f o r mo p e r a t i o n sr e l i a b l yt op o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e re q u i p m e n t t h e p e r f o r m a n c eo ft h et o u c hc o n t r o lm o d u l ei ss t a b l ea n di ti st h ee x p e c t e dp u r p o s e k e y w o r d s ：c p l d ，p l c ，t o u c hp a n e l ，d i g i t a lt r i g g e r t h e s i s ：a p p l i e df o u n d a t i o na n da p p l i e dt e c h n o l o g ys t u d i e s i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：曩：刍! 羞 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 【聿谚 醐：产 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选趑 无论是什么样的电力电子变流装置，其总是包含正常运行时输出参数的调节；故障时 保护门槛的设定；稳定输出时闭环调节器参数的现场调节：实际运行时参数的检测、存 贮与显示：故障时的报警、记录等等。传统的做法是在电力电子变流装置的面板上装一 个给定电位器，调节输出的运行参数：控制面板上的电压与电流表实时指示运行参数、 指示灯指示故障等信息；针对不同的负载对象，调试中通过更换主控单元控制板上的阻容 参数以满足系统稳定运行的需要；以调节主控板上的门槛设定电位器来设定故障时的过 电压与过电流保护门槛。这种方案尽管可以满足运行与监控需要，但因控制面板上的指 示灯和电压及电流表过多以及现场调试工作量过大，给使用带来不便，急需改进。本文选 题正是针对国内现广泛应用的电力电子变流装置控制系统之不足，借助新型人机交互设 备、先进的数控器件和微机控制技术，设计一种新型的电力电子变流装置触摸控制模块， 使其作为控制单元，达到现场调试工作量小、运行效果好、控制精度高、调控方便、人机 交互友好等实用效果。 1 2 晶闸管触发器 触发器是晶闸管变流系统的核心控制单元，其可靠性是电力电子装置正常有效工作 的关键。自从1 9 5 7 年晶闸管问世至今，经过5 0 多年的研发，晶闸管性能在不断地提升， 同样晶闸管的触发器也在不断地完善。由分立元件构成的模拟触发器是早期的晶闸管触 发器；随后，由集成电路构成的模拟触发器进入了晶闸管触发器领域，在2 0 世纪7 0 年 代末至8 0 年代初大量替代原有分立式触发器投入使用；微机技术的发展，使单片机技术 应用于数字触发器当中，但并没有终结由集成电路构成的模拟触发器在电力电子设备中 的应用，而是形成两种触发器相互竞争共同发展的局面；近年发展的e d a 技术和可编 程逻辑器件，使以c p l d f p g a ( 复杂可编程逻辑器件现场可编程门阵列) 为核心的数 字触发器具有更好的前景，大大增强数字触发器的功效【l 】。 触发器伴随着新技术理论的应用而不断发展。早期的分立式触发器，触发一个晶闸 管就需用一块控制板。对于触发单相全控桥式晶闸管整流电路，就需要4 块触发板和l 块正电源板、1 块负电源板、l 块保护板、l 块调节板共8 块控制板，由于元件参数的分 散性和零点漂移等因素，触发脉冲的严格对称是很难保证的【2 1 。集成电路的应用使得由 中小规模集成电路构成的k c 、k j 系列模拟触发器虽然在性能方面提高很多，但仍存在 以下不足：一k c 、k j 系列电路必须采用双电源才可工作，且电路功耗较大，影响电路 的稳定性和可靠性；二在运用中集成触发电路数量仍然较多，例如控制三相桥式全控整 流电路就需要3 个k c 0 0 4 ；三是同步信号的获得往往由设定了的恒流源和电容来完成， 这样在同步电压频率变化时，很难达到稳定输出【1 1 。以单片机构成的触发器对以上三点 西安石油大学硕士学位论文 不足有所改善，但单片机实现的触发器动态性能较差，且受到干扰容易丢失触发脉冲使 电路失控，给设计高端设备造成困难。近年来发展的以c p l d f p g a 为核心的晶闸管数字 触发器具有输出脉冲对称度好、响应快、精度高、稳定性好、易调试等优点，克服了传 统触发器的不足，在大功率和高可靠性要求的数控设备上具有明显的优势。 1 3 变流装置控制单元 1 3 1p l c a p l c 的诞生1 9 6 9 年诞生的p l c ( 可编程逻辑控制器) 是替代之前被广泛使 用的由继电器构成的逻辑控制系统而出现的产品。由于继电器控制柜的控制逻辑是由硬 件连线决定的，所以要改变其控制逻辑就必然改变其硬件连线，这样使开发周期变长。 1 9 6 8 年g e 公司为了适应汽车型号不断更新的趋势，试图研制一种可以减少因汽车型号 变动而重新设计汽车配线上各种继电器控制线路的方法，提出了著名的1 0 条技术招标指 标，美国数字设备公司( d e c ) 中标后，于1 9 6 9 年研制成功世界上第一台p l c 3 l 。 b p l c 的发展 早期的p l c 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，只能完 成简单的逻辑控制及定时计数功能。2 0 世纪7 0 年代出现的微处理器使p l c 增加了运算、 数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。2 0 世纪8 0 年代至 9 0 年代中期是p l c 发展最快的时期，在这一段时期还发展起来一种“软件p l c 4 】”技术， 它吸收了d c s 和p c 的技术性能，使其不仅具有p l c 在功能可靠性、处理速度、故障查 找等方面的特征，而且提供了p c 环境的各种优点，并且随着w i n d o w sc e 等操作系 统的应用解决了早期软p l c 控制组态软件存在的实时性问题。伴随着时代的发展、p l c 仍然能够引领自动化行业的发展，适应各个领域客户的要求。 c d c s 、工业p c 与p l c 的比较2 0 世纪7 0 年代发展的d c s 是由传统应用 仪表领域派生出来的，d c s 与p l c 在产品初期有相当大不同，d c s 对于回路控制更为 关注，而p l c 则对离散的逻辑控制更为重视。当时d c s 使用通用c p u ，而p l c 依靠类 似于a m d 2 9 1 0 的位块处理器处理逻辑，相对而言在系统结构上，d c s 更偏向软件，而 p l c 更像传统的硬件继电器。经过几十年的发展，两者的界限已经不像先前那样清晰。 因为p l c 也在系统中加入了通用型的c p u ，d c s 在多d p u 协同工作方面、冗余方面都 有了长足发展。目前从具体的技术而言，d c s 有基于令牌网络的分布式实时数据库，可 以通过全量通信来保证每个d p u 内的映像数据都是最新的，而p l c 在这块更多的注重 单机工作，就算是联网也假定两台p l c 之间只需要很少量的数据交换，所以采用主从结 构的请求应答方式通信。 工业p c 相对于p l c 来说具有许多优点，例如具有良好的图形终端界面，良好的灵 活性，加强了编程特性、链接性且节省了时间和资金。但是工业p c 不得不面对一个严 重的问题系统崩溃，另外，工业p c 在如何保证指令有序进行方面也存在一定的问 题。近年发展的基于工业p c 的软p l c 控制组态软件，建立在p c 的软硬件平台上，具 有p c 机的优点和p l c 的特性【5 】【6 1 。 2 第一章绪论 1 3 2 触摸屏 监控系统中选用触摸屏作为人机交互的平台。触摸屏技术最早由美国军方于2 0 世纪 7 0 年代用于军事目的。在国内的使用可追溯到2 0 世纪8 0 年代末期，起初市场销量很小， 直到1 9 9 6 年市场才进入一个比较稳定的发展期，目前触摸屏的应用已经非常普遍，之前 触摸屏在工业中只用于辅助设备，未能以一个终端的形式应用。随着触摸屏技术的发展， 新一代触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间和可在一些恶劣工况环境下稳定工 作等优点，使其能够在工控领域大量使用，成为很好的人机交互平刨7 】【2 9 1 1 3 0 】。 1 4 研究内容 借助先进的数控器件和优秀的组态软件，以p l c 为核心监控处理单元，完成一种新 型的电力电子变流装置触摸控制模块的设计，使其在多种电力电子变流装置中作为控制 单元使用，达到使用方便、现场调试工作量小、人机交互界面友好、调试方便、运行效 果好等实用效果。 本文以c p l d 为核心的变流装置触发单元和以p l c 及触摸屏为主的变流装置监控处 理单元作为主要对象，介绍了电力电子变流装置触摸控制模块的设计原理、应用方案及 联合调试结果。在变流装置触发控制单元中分硬件和软件两部分完成对触发控制单元设 计方案的阐述。该触发控制单元的功能包括：相序自适应、宽双窄脉冲两种触发方式可 选、错相检测、缺相检测及对过压、过流、过热、欠压的保护等。在监控单元中分p l c 监控处理部分和触摸屏显示、给定部分。其中p l c 监控处理部分不仅具有传统的数字量、 模拟量采集功能，还具有p i d 功能。触摸屏部分完成了重要部件状态的显示，报警信息 及采集电压和电流值的显示；实现了触摸屏给定控制功能。对触摸控制模块在电解电源 中的应用方案和联合调试的结果也做了分析论述。 西安石油大学硕士学位论文 第二章触摸控制模块总体设计 2 1 触摸控制模块设计方案 触摸控制模块各部分完成的功能如下：触摸屏实现显示和给定功能；p l c 采集和处 理数据、状态等；c p l d 用于调节控制触发脉冲的宽度、发送的顺序及方式等。以下为 各个功能实现方法的介绍：触发脉冲延迟角的给定，由操作人员在触摸屏上输入数值， 送给p l c 进行处理，之后送到a d 转换器转换成数字信号，送入c p l d 控制触发角的 延迟度数；对设备状态的给定，也是由触摸屏进行给定，经过p l c ，控制继电操作单元 的状态，实现对设备状态的给定；重要部件状态的显示由p l c 和触摸屏完成，p l c 采集 连接到各部件的继电器状态，之后送入触摸屏显示：电压与电流值的显示，由电压与电 流信号采集装置采集电压、电流信号，送给p l c ，运算处理成触摸屏可显示的格式后传 送给触摸屏显示；另外，c p l d 输出的触发脉冲不能直接接到电力电子器件的控制极( 在 此以三相桥式全控整流电路作为控制对象) 必须经过脉冲放大、整形电路处理才能实现 有效触发。触摸控制模块原理框图如图2 1 所示。 图2 - 1 触摸控制模块原理框图 2 2 基于c p l d 的数字触发器控制特点 触发单元是晶闸管电力电子变流装置的核心控制技术，其可靠性是使电力电子装置 能否正常有效工作的关键。为保证晶闸管可靠地工作，对触发电路有以下要求【9 儿m 1 ： ( 1 ) 触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的 相位关系，使每一周波都在同样的相位上触发晶闸管。 ( 2 ) 触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值， 并留有一定的裕量。一般要求触发电压在4 - - - 1 0 v 范围内，触发电流在十几到几百毫安之 间。 4 第二章触摸控制模块总体设计 ( 3 ) 触发脉冲要有足够的宽度和幅度保证晶闸管可靠导通。 ( 4 ) 触发脉冲的相位应能在规定范围移动。 ( 5 ) 对外部故障应有一定的保护功能。 理想晶闸管触发脉冲电流波形如图2 2 所示： 图2 2 理想晶闸管触发脉冲电流波形 f 广脉冲前沿上升时间( 1 “s ) t l f 广强脉冲宽度t l “一脉冲宽度 二一脉冲平顶幅值k 强脉冲幅值 c p l d 作为一种特殊的专用集成电路( a s i c ) ，以其可靠性高、功率小、保密性强 等特点及连续式的内部结构，使c p l d 作为晶闸管触发单元有很好的优势，但其作为晶 闸管触发单元也存在一定的劣势。 2 2 1 基于c p l d 晶闸管触发单元的优势【8 】 c p l d 作为晶闸管触发单元的优势有以下三点： a 可靠性高c p l d 采用了现代先进的编程方法和合理的内部互连结构，可以 保证较高的可靠性。另外，对于运用硬件描述语言实现的设计，其实现方式独立于器件 工艺，避免了具体电路搭接可能造成的不可预知的信号干扰和布线不合理等问题，有利 于提高整个控制系统的性能。 b 设计效率高c p l d 内部的基本结构是一些基本的宏单元或逻辑块，每个芯 片中含有几十到上千个这样的基本单元，芯片的端口资源也相当丰富，用户可用管脚从 几十到几百不等，很容易完成以数字电路方式实现的各种逻辑功能。 c 高集成度和保密性c p l d 设计的一个显著优势在于，它就像一张白纸，设 计者可以定制系统功能，在芯片内实现几乎所有的数字逻辑。这样集成化设计摆脱了引 进分立元件的限制，给系统的可靠性和保密性带来了较高的保障。 2 2 2 基于c p l d 晶闸管触发单元的劣势 c p l d 作为晶闸管触发单元的劣势有以下两点： a 较难把握时序控制能力时序设计是系统性能的一个重要标志，在高层次 设计方法中，对时序控制的抽象也相应提高，因此在设计中较难把握。 b 控制精度不能完全由c p l d 决定在整流用电力电子变流装置中输出整 流电压的大小取决于触发脉冲延迟角0 【的大小，而p l c 输出的i f , 大小是模拟量。这样就 需要a d 转换器将模拟量转换成数字量送入c p l d ，控制脉冲触发的时刻，并且触发器 两安石油大学硕+ 学位论文 所能区分最小的口变化量，取决于所采用的定时计数器对时间的分辨率。 2 3 触发器设计方案 2 2 节提出了触发器可靠触发晶闸管所应具有的一些条件，本节将介绍实现相应功能 的设计方案。 2 3 1 同步电路设计 同步电路在晶闸管控制系统中的作用是为触发器提供晶闸管阳阴极电压同步信息。 在触发晶闸管变流装置时，为了使每一周波重复在相同的相位上触发晶闸管，触发信号 必须与晶闸管阳阴极电压同步，即触发信号与晶闸管阳阴极电压应保持固定的相位关系， 在用c p l d 进行数字式触发控制时，c p l d 向晶闸管发出触发信号的时刻应与晶闸管阳阴 极电压同步，同步信号是触发脉冲形成的时间基准，直接决定了最终输出触发脉冲的相 位，因此，同步电路的好坏将影响到整个晶闸管控制系统性能指标的优劣，具有举足轻 重的作用。 常见的同步电路【l l 】有单相同步电路、带锁相环的单相同步电路和三相同步电路等。 单相同步电路的优点是电路简单，硬件少，但由于存在定时累计误差，加之电源频率可 能波动，所以不对称度比较大( 4 1 。左右) ；带锁相环的单相同步电路可使同步脉冲的 不对称度不再受电源频率波动的影响，但当电网另外两相中的某一相缺相时，同步电路 依然工作，不能实现缺相判别，要进行缺相保护时，还需加缺相判别及外部故障保护电 路；三相同步电路具有不存在定时累计误差，不受电源频率波动影响，不对称度小等优 点。但是，采用三相同步变压器提供同步信号，必须使同步变压器的绕组接法与整流变 压器或电压互感器相匹配( 同步变压器在低压场合从整流变压器初级取信号，高压场合 从高压电压互感器二次侧取信号) ，导致同步变压器接法复杂、现场调试麻烦。 通过对以上常见同步电路的优缺点分析，可以看出如果不需要同步变压器与整流变 压器或高压电压互感器对相序，而采用同步变压器取样得到的同步信号利用光耦合器隔 离，直接获得电网三相电压的过零点，经过处理后即可送给c p l d 处理，这样不仅能省 去很多麻烦，还能直接反映出电网电压的变化，所产生的触发脉冲的不对称度也会得到 改善。所以使用电阻、电容、光耦合器及与门电路组成同步信号检测电路的优点是显而 易见的。 2 3 2 脉冲功放电路选择【1 2 】 由c p l d 输出的触发脉冲，因被触发的晶闸管电路结构不同或因同一主电路中多个 晶闸管阴极彼此电位有很大的差别，所以不能将c p l d 输出的触发脉冲直接接到电力电 子设备中各晶闸管的门阴极。另外，晶闸管的可靠触发需要一定的功率，必须对c p l d 输出的触发脉冲采取功率放大、电位隔离及脉冲整形措施，才能保证加到晶闸管门阴极 的脉冲满足触发需要，可靠触发晶闸管。 脉冲功率放大电路有采用分立器件构成的对单个脉冲单端放大和采用集成电路封装 的晶体管或m o s f e t 阵列构成的对多个脉冲同时单端放大的两种。由于需要对多个脉冲 6 第二章触摸控制模块总体设计 进行功率放大，而分立器件构成的功率放大电路，开关时间及外围参数分散，会造成输 入、输出脉冲时延不同，所以在此采用集成电路封装的晶体管或m o s f e t 阵列进行功率 放大。设计中采用u l n 2 0 0 3 芯片和外部电路进行功率放大，u l n 2 0 0 3 芯片逻辑结构如 图2 3 所示。 图2 - 3u l n 2 0 0 3 的逻辑结构图 2 3 3 移相范围要求【1 3 】 移相范围指当用户移相控制电压从零至最大变化时，输出触发脉冲相对于同步信号 相位的变化量。移相范围随主电路结构的不同而有所不同，对单相可控整流电路来说， 电阻性负载要求的移相范围为0 。1 8 0 。；对三相桥式全控整流电路来说，电阻性负载 要求的移相范围为0 。一1 2 0 。，而电感性负载要求的移相范围为0 。9 0 。 2 3 4 宽度幅度保证 触发脉冲常采用宽脉冲或双窄脉冲，为保证触发的可靠性，合理的单宽脉冲宽度应 大于6 0 0 而小于1 2 0 0 ，双窄脉冲每个脉冲的宽度应大于1 8 0 而小于3 0 0 。一般若负载为阻 性负载，则脉冲的宽度可以减小，而对感性负载、反电动势负载或容性负载，则脉冲的 宽度要宽点，并尽可能使用宽脉冲。在设计中对脉冲宽度的调节是通过计数器来完成的。 具体实现方法是：同步电路输出的电压信号蝴、地、u 。送入c p l d ，经脉冲分离得到基 准信号a l 、a 2 、b l 、t u 、c l 、c 2 ，当它们中任意信号到来时利用计数器对时钟脉冲进行计数， 在达到口要求的触发脉冲延时角的时，计数器停止计数，此时为触发脉冲的起始时刻， 达到脉冲宽度要求后，产生脉冲的下降沿，这样就保证了触发脉冲的宽度。 满足宽度要求的触发脉冲经过功率放大电路及脉冲整形电路处理后，使脉冲的幅度 达到晶闸管要求，可靠触发晶闸管导通。 2 3 5 外部故障保护【1 2 】 外部故障保护目的是保护电力电子器件、电路、设备安全可靠运行。在触发器中设 计了对过流、过压、过热三方面的保护。过流现象是电力电子电路中经常发生的故障也 是器件损坏的最主要原因，因此，过流保护应首先考虑。过流产生的类型可分为过载和 短路两种情况，其中危害最大的是短路过流。过流保护常采用的措施有快速熔断器、直 7 西安石油人学硕士学位论文 流快速开关、过流继电器和电子保护型电路等，在触发器中设计的过流保护属于电子保 护型电路。对过压保护的设计是基于电力电子器件对电压非常敏感的原因设定的，因为 一旦外加电压超过器件允许的最大额定值，器件将立即损坏，所以要对过压有所保护。 过压产生的原因也分两类，且l j j l - 因过压和内因过压。外因过压主要由雷击和对系统的操 作引起的，内因过压主要由电力电子装置内部的器件开关过程所引起的。过压保护采取 的措施为：选型时选用有足够耐压值的器件，应用时使用电子保护电路对器件进行保护。 器件过热也是电力电子电路中容易出现的故障之一，由于器件在工作过程中具有导通和 关断损耗，本身就是发热源，当器件结温升高时，其安全工作区将缩小，如果器件开关 轨迹不变，将有可能超出安全工作区而损坏，所以需要相应的散热设施和温度监测措施 对器件进行保护。常用过热保护措施有加散热装置、结温降额使用和监测工作温度等。 2 4 触发器性能指标【1 4 】 2 4 1 控制精度 通过分析基于c p l d 的数字触发器劣势可知，c p l d 的控制精度分辨率( 分辨 率又称角字当量，它是指进行移相控制的数字量信号改变一个字，所对应的晶闸管触发 脉冲延迟角口的变化量。用字母盯代表触发装置的分辨率，它的单位是度) 不是完全由 c p l d 自身决定，而是与a d 转换器的选择和外部时钟的选择都有关系。分辨率盯的大 小与系统的控制精度密切相关，盯越小，控制信号改变一个字所引起整流电压的变化就 越小，系统的控制精度也就越高，所以分辨率是触发器的一个重要指标。 a 分辨率之一触发器从a d 获得的给定触发脉冲延迟角口，它的分辨率 由触发脉冲延迟角口的变化范围与a d 输入口的字长决定，即 破化范围( 电角度) 盯l2 1 - ( 2 - 1 ) 式2 1 中，n 为a d 输入口的字长。若触发脉冲延迟角口的变化范围为o o 1 8 0 0 ，选用一 片字长为l o 位的a d 芯片，则盯l - 1 8 0 0 2 1 0 = 0 1 7 5 8 0 。 b 分辨率之二触发器对触发脉冲延迟角口定时的分辨率0 2 ，也就是触发器所 能区分最小的口变化量。这取决于所采用的定时计数器对时间的分辨率。本文采用时钟 频率为2 0 4 8 m h z ，定时采用2 0 分频，最小定时时间单位= 2 0 2 0 4 8 m h z = 9 7 6 5 6 p s ，则 a 2 = 9 7 6 5 6 p s x l 8 0 。1 0 m s = 0 1 7 5 7 0 ，比较盯l 和0 2 的值可以看出所采用定时计数器能够分 辨a d 变化一个字所引起的口角度的变化。0 2 越小，触发器对晶闸管变流器的输出控制 越精确。 2 4 2 脉冲不对称度 在晶闸管类电力电子变流装置中，各晶闸管之间有严格的相位关系，触发器发出的 触发脉冲除了要满足相位要求外，还要保证相位间的对称性。如三相桥式全控整流电路 各个顺序导通的晶闸管之间的相位间隔为6 0 0 ，但是由于电源电压不对称，电源频率可 能波动等原因，各相晶闸管的触发脉冲延迟角会出现差异，这个差异将使各相输出电压 8 第二章触摸控制模块总体设计 不对称。不对称的程度还与触发装置的所取同步信号的方式有关，不对称度就是用来说 明在稳态运行情况下各相触发脉冲延迟角口之间差异的大小。 不对称度可以用稳态运行情况下各相中最大的触发脉冲延迟角与最小的触发脉冲延 迟角之差a c t 来表示，因此加在晶闸管门阴极的触发脉冲的实际间隔为6 0 0 4 - a a 。a c t 也 是触发装置的一个重要指标，因为触发脉冲延迟角的不对称性将在输出电压中出现低频 谐波成分，这个谐波成分对于变流器的运行是不利的，所以应该尽量避免。 2 4 3 响应时间 触发器的响应时间指的是从给定信号的给出到触发器响应这段时间。模拟器件构成 的触发器响应速度是a s 级，几乎可以忽略不计。然而，数字触发器获得给定信号后要进 行同步信号的相位判别、确定过零信号脉冲是上升还是下降过程产生、经过必要的逻辑 和算术运算控制触发角口、输出触发信号以及其它一些控制操作，这些工作都要占用一 定的时间，如果这部分时间过长将会影响系统的正常工作。决定响应时间的主要因素有： a d 采样时间间隔、触发脉冲形成的方式等，另外处理好内部的时序关系也可减少部分 响应时间。响应时间越短，整个系统的动态性能指标才会越高。因此，一般要求触发器 的响应时间越短越好。 2 5 变流装置监控系统设计方案 监控单元采用p l c 作为采集与运算设备，触摸屏作为人机交互平台，其中p l c 包 括c p u 、数字量i o 、模拟量i o 等模块，分别实现运算、对继电操作单元状态的采集 及对电压、电流模拟量的采集等【l7 1 。p l c 把继电操作单元状态的采集结果及电压、电流 值送入触摸屏进行显示，另外触摸屏还可以进行给定，替代了传统的按钮和电位器功能。 p l c 实现的运算功能包括p i d 调节器运算、电压、电流转换成触摸屏可显示格式的运算、 及触摸屏直接数字量给定转换成模拟量输出的运算等；数字量i o 的状态采集包括快速 熔断器状态、桥臂温度状态、水处理器状态、桥臂是否过流、变压器状态等；模拟量i o 实现对电压、电流实时数值的采集。触摸屏界面的设计包括给定界面、状态界面、报警 界面及电压、电流实时曲线显示界面等。 9 西安石油大学硕士学位论文 第三章基于c p l d 的晶闸管数字触发器设计 由前面所提出的基于c p l d 数字触发器设计方案，可知在本章中将重点完成以下几 个部分的具体设计：首先在硬件部分要完成同步电路的设计、a d 转换电路、保护、驱 动电路、供电电路的设计，并对为数字触发器提供时钟的晶振进行合理选择。其次在软 件部分要实现故障保护功能、相序检测、触发角控制功能和宽双窄脉冲的选择功能。基 于c p l d 数字触发器原理框图如图3 1 所示。 图3 1 基于c p l d 数字触发器原理框图 3 1 硬件设计 3 1 1 同步电路 目前，所采用的同步电路通常是将输入的正弦波信号正半周或负半周转化为方波或 锯齿波输出到处理模块( 处理模块为集成电路的多用锯齿波，处理模块为数字电路的多 用方波【lo 】) ，然后处理模块输出触发脉冲给驱动电路，经脉冲放大、整形输出到可控器 件的触发极。这种方法对于输入电压较高时，如2 2 0 v 以上，获得的同步信号比较准确。 若输入电压较低时，如5 0 v 以下，获得的同步信号的偏离就会较大。这主要是由于此种 同步电路在电压较低时出现的非线性特征所决定【h 】。 本文所采用的同步电路原理如图3 2 所示，一相同步电路由四个电阻、两个光耦合 器和一个与门构成。获取的两路方波信号经与门电路相与后得到两个过零脉冲信号。在 理想状态下，蝴的电压值为“0 ”，但由于光耦合器存在导通时间和关断时间，使与门输 出的信号产生如图3 3 中蚝的波形。在设计中使用的光耦合器型号为p c 8 1 7 ，它的导通 时间和关断时间分别为1 8 9 s 1 7 l 。在工频情况下一个电角度约为5 5 5 6 9 s ，即这个脉冲宽 度不到一个电角度。另外，之所以选择导通时间和关断时间均为1 8 9 s 的p c 8 1 7 还与所 选择的a d 转换器和晶振有关。在设计中选择的是十位a d 芯片- t l c l 5 4 9 和频率 为2 0 4 8 m h z 的晶振，a d 的0 t 角分辨率约为0 1 7 6 0 ，即在工频情况下约为9 7 8 9 s ，晶 i o 第三章基于c p l d 的晶闸管数宁触发器设计 振经2 0 分频后的分辨率约为9 7 6 9 s ，这样就能保证c p l d 能够识别这两个过零脉冲信号。 n a n c 图3 - 2 同步电路原理图口町 ( a ) a 相同步电路图( b ) b 相同步电路图( c ) c 相同步电路图 结合图3 2 和图3 3 介绍同步电路的工作过程。由图3 2 ( a ) 可知，光耦合器v l c l 和v l c 2 分别与相应的电阻尺l 、足3 及r 2 、忍构成正负半周的方波获取电路，取自零线和 a 相的同步电压信号n 、a 分别通过尺l 、r 2 与两光耦合器v l c l 、v l c 2 的输入端相连， 在输出端得到两个同步电压信号u v l c l 和d v l c y 2 ，如图3 3 所示。d v l c i 和u v l c 2 输送到与 门得到信号甜。并将其送入c p l d 作为输出触发脉冲的基准信号。由图3 3 可知同步电路 在一个工频周期中得到两个基准信号m t l 和a ) t 2 ，对于图3 - 4 中a 相来说，要求脉冲信号 t o t l 作为触发晶闸管v t l 的基准信号，脉冲信号c o t e 作为触发晶闸管v t 4 的基准信号。然 而c p l d 在一个工频周期中将得到两个基准信号，使其无法判断到来的基准信号是f l 还是a ) t 2 ，必须将基准信号国f l 和t o t e 从地中分离出来。设计的方案是：将输入到c p l d 的阮信号首先作一个3 0 0 的延时，使脉冲信号刚好落在自然换相点上，同时引入电压信 西安石油大学硕士学位论文 号u v l c l ( 光耦合器v l c l 输出的电压信号) ，用地的延时信号和u v l c l 相与，结果为l 时得到基准信号t o t l 即为触发晶闸管v t i 的基准信号a l ；z v l c i 信号取反，同样与“。的延 时信号相与，结果为l 时得到基准信号t o t 2 即为触发晶闸管v t 4 的基准信号a 2 ，这样 就可以把基准信号t o t l 和c o t 2 从勉中分离出来。同理分离出触发v t 3 、v t 6 、v t 5 、v t 2 的基准信号b l 、b 2 、c l 、c 2 。 b c 、厂厂 t n a 0 心 7 ， ko 0 ， 卜 t l g t 、 l o w a 食1 绷r1 “2rl 、 图3 - 3 同步电路a 相的输入输出波形阍 t 7 t 17 t 3v t 5 fz r一 fz a b fz r 一 fz 负 载 v t 4v t 6 耵2 图3 - 4 三相桥式全控整流电路原理图 3 1 2a d 转换电路 由于输出整流电压的大小取决于触发脉冲延迟角口的大小，口不同提供给负载的电 压大小就不同，而p l c 输出的口大小是模拟量，所以需要采用a d 转换器将模拟量转换 成数字量，送入c p l d 处理，控制脉冲触发时刻。 本文在考虑转换精度和设计要求的基础上，采用1 0 位a d 芯片t l c l 5 4 9 ，它是美 国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近功能的模数转换器。t l c l 5 4 9 采用 两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选 ( c s ) 、输入输出时钟w oc l o c k ) 和数据输出( d a t ao u t ) 。t l c l 5 4 9 引脚排列如图 3 5 所示。由于t l c l 5 4 9 采用c m o s 工艺，内部具有自动采样保持、按比例量程校准转 换范围、抗噪声干扰功能；另外，开关电容的设计使在满刻度时总误差最大仅为 士l l s b ( 4 8 m v ) 。在工频环境中，t l c l 5 4 9 的口角分辨率约为0 1 7 6 。即约等于9 7 8 9 s 。 1 2 第三章基于c p l d 的晶闸管数字触发器设计 r e f + a n a l o gi n r e f - g n d f f c c i oc l o c k d a 丁a o u t c s 图3 - 5t l c l 5 4 9 引脚图 t l c l 5 4 9 功能结构图如图3 - 6 所示，图中各引脚连接方式为：引脚l 接5 v 参考电 压；引脚3 与引脚4 连接并接地：引脚2 连接p l c 的给定触发角输出口；由c p l d 输给 引脚5 片选信号和引脚7 时钟信号；数据输出口6 连接到c p l d 。片选的控制和它们之 间的数据交换程序用v h d l 编写。 一。位模数转换i 器i 拟 采样和保持 输入、输出时钟 悭 数据 l o 位数据选择l 输出 和驱动t s 选 图3 6t l c l 5 4 9 功能结构图 t l c l 5 4 9 的工作过程可分为3 个阶段：模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。图 3 7 所示为t l c l 5 4 9 的时序图，在第3 个i oc l o c k 下降沿，输入模拟量开始采样，采 样持续7 个i oc l o c k 周期，采样值在第l o 个i oc l o c k 下降沿锁存。 ? s 、一 g o 上。同同同同同同同同同同铀几 c l o c k j 卜_ 一采样周期b 叫 船求窆泛d 压d 压玖鲻堡皇垩戡 轨f 撇融棵础帮飘化 初始化 w o 煳 图3 - 7t l c l5 4 9 时序图 当c s 由低电平变为高电平时，i 0c l o c k 禁止且a d 转换结果的三态串行输出 d a t ao u t 处于高阻状态；当串行接口将c s 拉至有效时，即c s 由高电平变为低电平时， 西复位内部时钟，控制并使能d a t ao u t 和i 0c l o c k ，允许i oc l o c k 工作并使 西安石油大学硕士学位论文 d a t ao u t 脱离高阻状态，串行接口把输入输出时钟序列供给i oc l o c k 并接收前次 的转换结果。d a t ao u t 输出数据的顺序为：前次转换结果数字量对应的最高位( m s b ) 被首先输出，下一个i oc l o c k 的下降沿驱动d a t ao u t 输出上一次转换结果数字量 对应的次高位，第9 个i oc l o c k 的下降沿将按次序驱动d a t ao u t 输出前次转换结 果数字量的最低位( l s b ) ，第1 0 个i oc l o c k 的下降沿，d a t ao u t 输出一个低电 平，以便串行接口传输超过1 0 个时钟周期；i oc l o c k 从c p l d 串行接口接收长度在 1 0 1 6 个时钟周期的输入序列。 c s 的下降沿，前次转换的m s b 出现在d a t ao u t 端，1 0 位数字量通过d a t ao u t 发送到c p l d 串行接口，传输最少需要l o 个时钟脉冲，如果i oc l o c k 传送大于l o 个时钟周期，那么在第l o 个时钟的下降沿，内部逻辑把d a t ao u t 拉至低电平以确保 其余位清零。在正常转换周期内，即规定的时间内c s 端由高电平至低电平的跳变可以终 止该周期，器件返回初始状态( 输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果) 。由于可能 破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止c s 拉至低电平。 3 1 3 故障保护电路 保护电路的设计目的是对整流用电力电子变流装置具有一定的保护能力和使触发 器对晶闸管进行可靠触发，为此设计了快速停止电路、过压、过流、过热和欠压保护电 路。下面对具体的保护电路进行分析。 a 快速停止电路快速停止电路如图3 _ 8 所示：在紧急情况下，快速停止电路 可以快速的封锁触发脉冲。 。 图3 - 8 快速停止电路例 f a s ts t o p 是引自p l c 的快速停止信号，高电平为2 4 v ，低电平为o v 。当f a s ts t o p 为低电平时l m 3 3 9 输出低电平，使晶体管v t l 截至，面雨面f 输出为高电平，显示 i n h i b i t 状态的发光二极管v l i 导通发光；当f a s ts t o p 为高电平时l m 3 3 9 输出高电平， 使晶体管i 导通，面雨面f 输出为低电平，发光二极管v l l 截止不发光。下丽作 为c p l d 的禁止信号，低电平有效，封锁输出脉冲。 b 过压、过流保护电路过压保护电路如图3 - 9 所示。o v 接电压信号， 面丽i 丽接图3 8 中面丽面雨的信号端，玩为过压信号，低电平封锁输出脉冲。当 丽面。丽为低电平时，无论比较器输出为高电平还是低电平，乩信号端输出都为低电平。 当币雨面亍为高电平时，如果o v 信号端输入信号小于保护电路的门槛电压，比较器输 1 4 第三章基于c p l d 的晶闸管数字触发器设计 出高电平，晶体管v t 2 导通，矾信号端输出高电平，允许c p l d 发送脉冲；如果o v 信 号端输入信号大于保护电路的门槛电压，比较器输出低电平，晶体管v