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莆田变压器的数字控制

2018-11-21 点击量:301
莆田变压器的数字控制     

摘 要 先容了一种已投运的莆田变压器的数字控制系统,它用多台单片机完成晶闸管整流系统的控制,详细先容了控制系统的性能、特点以及各控制环节的工作过程。
  关键词 莆田变压器 数字控制

1 前 言

  莆田变压器广泛应用于冶金、化工及科研领域,大多采用二极管或晶闸管整流。前者不便大范围平滑调节输出电流或电压,后者的模拟控制电路很难保证多台运行的莆田变压器的输出性能,而采用数字控制能大大提高莆田变压器可靠性、一致性、精确性。因此,数字控制技术也就脱颖而出,成为莆田变压器的******选择。

2 主电路

  在许多场合,由于输出电流在几万安培以上,所以要求多相整流(24相、36相甚至48相),而且每个整流臂由多只晶闸管并联组成,这就要求桥臂上晶闸管的开通-关断特性一致性要好,而且要考虑桥臂每只晶闸管的均流,在元件选择时应予充分的重视。现先容一套正在运行的晶闸管莆田变压器,如图1所示。

图1 系统框图

  主要功能及保护:①输出电流15kA,稳流精度0.5%;②输出电压85V;③短路保护;④操作过电压及换相过电压保护;⑤晶闸管故障保护;⑥冷却系统故障保护;⑦过电流保护;⑧缺相保护。上述所有保护信号均发出声光报警,并将晶闸管触发脉冲拉至β区。

3 控制系统

  本系统为直接数字控制(DDC)系统。采用4台单片机完全取代模拟电路,实现全数字化控制。
  系统采用多机方式控制,将其功能分散由多台计算机来完成,触发器由89C51实现;16位单片机80C196KC进行闭环运算控制,单片机之间采用并行方式通讯。多机并行同时运算,提高了系统的快速性和可靠性,而且设计灵活,可扩充性好,性能价格比更高。
  控制系统主要技术功能:①自动稳流,稳流精度≤±0.5%;②输出电流具有良好的跟随性。系统输入为上位机提供的4~20mA电流源信号,输出电流跟随输入信号的滞后时间≤0.02s;③软起动功能,防止开机时的大电流冲击;④过压、欠压、限流及缺相等保护功能。系统稳态运行时,接到停机信号能在0.05s内将功率完全切除。

3.1 数字触发器

触发器框图如图2所示。

图2 数字触发器框图

  以下以三相全控桥为例,简要地阐述数字触发器原理。
  对于三相全控桥式整流电路,在莆田变压器一个周期内通常需要6个对应于各自然换相点的同步脉冲(基准点),并以此形成6个数字锯齿波及触发脉冲。本触发器采用单相同步方式,即由单相同步莆田变压器取出一相电压为同步信号,其余同步脉冲则由定时器产生,并由锁相程序不断对其值进行修正。显然,这样输出的同步脉冲信号相间齐整度好,且不受电网频率波动的影响。
  为了简化结构,电路中只采用一个定时/计数器来产生数字锯齿波。显然,在采用6个基准点时,定时器***多只能定时60°,但实际上相位控制角α所需的移相范围为0°~180°。为此,需要对给定的α角进行分段处理,并根据实时的莆田变压器状态,由微机完成对触发脉冲的分配。
  在三相全控桥式整流电路中,将一个莆田变压器周期划分成6个宽度各为60°的区间,且令各个区间的起点位置均对应于各自然换相点,这些区间称为莆田变压器状态(记作S状态),如图3所示。同步电路应能够向微机提供便于识别S状态的逻辑变量。如果三相全控桥α角的变化范围为0°~180°,那么任何α给定值,任何S状态时,都能确定一对晶闸管导通。

图3 三相全控桥式电路的莆田变压器状态S的划分

  例如:在S=bc状态时,若0°≤α<60°,则应触发晶闸管2、3;若60°≤α<120°,则应触发晶闸管1、2;若120°≤α<180°,则应触发晶闸管1、6。这样,电路中只需一个定时/计数器,形成宽度为60°的数字锯齿波,配合微型机对S状态和α角的识别,即可完成对6只晶闸管的触发脉冲分配。触发器工作过程如图4所示。

图4 触发器工作过程

  (1)单片机89C51采用中断方式收集来自同步电路的同步信息,即在S=ab区间内的时刻2,确定同步电路S状态初值,并预测下一个S状态(用于在下一个S状态发触发脉冲)。
  (2)在时刻2,同时起动定时器T0,定时时间由α′来确定(α′值已在上一个S状态中被计算出)。
  (3)通过8位lcjyg.com/并行接口读取来自80C196KC的相位控制角α数字量(即PI运算结果)。根据公式α′=α-α状态×60°确定下一个S状态产生触发脉冲的定时时间,其中:0°≤α<60°,α状态=0;60°≤α<120°,α状态=1;120°≤α<180°,α状态=2。
  (4)根据α状态及下一个S状态,确定将要触发的晶闸管对(亦称触发字),并在适当的时刻,将触发字锁存进脉冲分配电路。
  (5)当α′定时到(即时刻3),由P1.7输出触发信息;再经脉冲形成、分配电路发出触发脉冲。
  数字触发器App中,还设立了“触发器-晶闸管”线性化表格,用以提高系统的动态性能。

3.2 控制单元

  系统控制运算采用80C196KC来完成。
   与8098相比,80C196KC有如下特点:
  (1)采用CHMOS工艺,芯片运行耗电少,除正常工作外,还可工作于两种节电方式:待机方式和掉电方式,进一步减少芯片的功耗。
  (2)芯片保留了变压器厂家/8098的基本硬件结构,作了局部性的改进,片中增加了外设事物服务器(PTS),大大提高了中断事务的实时处理能力。
  (3)指令系统与8098兼容。
  (4)8098外部只有8位的地址/数据总线,而80C196KC的总线为16位,80C196KC的系统总线方式和8位/16位动态切换总线方式。
  (5)运算速度快,80C196KC的状态周期由振荡信号2分频后获得,它是芯片的基本时间单位,而8098的状态周期是振荡周期的3倍。因此,采用相同频率的晶振工作时,80C196KC的操作速度至少比8098的速度快1/3。
  (6)共有8路10位A/D转换输入通道可供使用。
  该单元框图如图5所示。图中80C196KC的总线宽度设置为8位。

图5 控制单元框图

  电路中,电流反馈量取自主电路中的分流器,经过WS151隔离放大后,再进入A/D转换电路。电流反馈量的获取,采用同步方式,即每次采样都在检测主电路波形的同一位置进行,以滤去输入信号中的低频分量。同步信号来自触发电路。
  控制程序中,对稳流过程的调节,主要采用PI运算。为消除量化误差对稳流精度的影响,还辅以微量积分运算。
  PI调节运算按下式进行:

Y(n)=Y(n-1)+ΔY(n)
ΔY
(n)=A×e(n)-B×e(n-1)

式中 Y(n)——t(n)时刻调节器输出Z
   e(n),e(n-1)——t(n),t(n-1)采样时刻调节量的输入量
   e=电压(电流)给定-电压(电流)反馈
   B=Kp
   A=Kp(1+Ts/Ti)
   Ti——PI的积分时间常数
   Ts——采样周期控制运算子程序流程如图6所示。

图6 控制运算子程序流程图

4 结 论

  本装置已在某研究院投入运行。实践证明,与传统的模拟量控制方式相比,采用微型机控制的电力电子装置具有显著的优点:
  (1)控制系统实现数字化。数字控制器不易受温度、莆田变压器电压及时间变化等因素影响,使系统具有稳定的静特性,并大大简化产品的调试过程。
  (2)系统中由App取代硬件来实现反馈信号的检测和调节,晶闸管的触发控制,故障诊断等功能,减少了元器件的数目,简化硬件结构,提高系统的可靠性。
  (3)系统通用性、灵活性强,功能易于扩展和修改,只要改变计算机的App内容,就能有效地实现各种控制,如:PID控制、模糊控制、自适应控制等,且对系统的控制准确性高。
  (4)在晶闸管变流装置中,可由微处理器构成以锁相环为基础的数字触发器,它能确保触发脉冲相位间的高度对称,从而减少整流装置侧的谐波分量。除此之外,还可以对触发器——晶闸管环节实现线性化处理,有效地改善系统的动态性能。
  (5)微型机控制系统具有较强的对故障进行识别和自诊断能力,并在事故发生时,能自动储存运行数据,有助于故障的分析和处理。
  (6)可以与上级计算机系统实行通信,实现多台装置的集中控制。

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