宋冬冬，馬玉泉，林紅舉

(河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島，066000)

電力調(diào)整器作為電源功率控制設(shè)備，主要用于工業(yè)電加熱控制，包括集單相調(diào)壓/調(diào)功于一體的調(diào)整器、采用數(shù)字化中央處理器和鎖相環(huán)同步電路，斷電緩關(guān)斷，周波控制或PWM調(diào)功方式的調(diào)整器和過流報警、散熱器超熱報警等保護功能的調(diào)整器，運用模糊PID控制技術(shù)實現(xiàn)了電阻性負(fù)載及電機、變壓器等電感性負(fù)載的平穩(wěn)軟啟動以及調(diào)功調(diào)壓。目前國內(nèi)外大多數(shù)電力調(diào)整器無法適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的集群控制要求，不能對全局溫度進行最優(yōu)控制，其控制參數(shù)、工藝參數(shù)均無法集中設(shè)置和管理，控制精度以及電能損耗也不能滿足要求。另外，功率因數(shù)偏低、出現(xiàn)高次諧波，并且對于溫度以及功率的控制上還不太穩(wěn)定［1］等原因也日益影響了現(xiàn)代生產(chǎn)。需要設(shè)計一款高效、智能的電力調(diào)整器，能夠最大限度地滿足快速發(fā)展的現(xiàn)代生產(chǎn)需要。

1 電力調(diào)整器的工作原理

1．1 可控硅調(diào)整器的工作原理

可控硅調(diào)整器的基本原理是通過控制信號輸入，去控制串在主回路中的可控硅模塊，改變主回路中電壓的導(dǎo)通與關(guān)斷，精確控制電壓、電流和功率，由此達到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的，從而實現(xiàn)精密控溫，并且憑借其先進的數(shù)字控制算法，優(yōu)化了電能使用效率，對節(jié)約電能起了重要作用。

1．2 智能電力調(diào)整器工作原理

智能電力調(diào)整器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通訊群控、過載和短路保護、功率輸出均勻分配以及設(shè)備的軟啟動和軟關(guān)斷功能［2］。

整個系統(tǒng)包括微處理器及與其相連的通訊接口、輸入、輸出設(shè)備。通訊接口包括串行通訊接口;輸入設(shè)備包括輸入端口上連接的用于與智能儀表連接的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于接收包括負(fù)載電流過載或短路等狀況信號處理電路、用于檢測負(fù)載電流信號過零點的相位同步電路以及工作模式選擇開關(guān)及其電路;輸出設(shè)備包括通過光電隔離的晶閘管功率驅(qū)動電路;功率分配算法包括功率均勻分配算法以及設(shè)備啟動和停止時軟啟動與軟關(guān)斷算法［3］。

1．2．1 聯(lián)網(wǎng)通訊群控功能 設(shè)備使用可控硅作為電力控制元件，除接收4～20 mA普通儀表所需的電流信號外，還可以接收來自工控機的控制信號，通過各個設(shè)備不同的地址，使工控機識別不同的電力調(diào)整器，以實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)條件下的群控功能［4，5］。聯(lián)網(wǎng)通訊群控系統(tǒng)的每個終端設(shè)備有相應(yīng)的地址模塊，通過地址模塊可以設(shè)置及獲取終端地址，在系統(tǒng)啟動時將終端地址讀入微處理器內(nèi)存的某個單元以備將來使用。地址長度為8位，理論上可達到群控256臺終端的能力。

圖1 智能電力調(diào)整器系統(tǒng)工作原理

1．2．2 過載和短路保護功能 設(shè)備的檢測與控制單元包含:(1)微電子電流檢測和保護裝置;(2)基于單片機的主控制與通訊模板。通過微電子電流檢測和保護裝置實時檢測加熱設(shè)備的電流信號，當(dāng)發(fā)生過載或短路時，該裝置在工頻信號的一個波頭內(nèi)(10 ms)封鎖可控硅的控制信號，關(guān)斷可控硅，以免可控硅過熱損壞;同時，通過通訊接口向工控機發(fā)送報警信號。待設(shè)備短路故障排除后，通過控制單元的復(fù)位鍵，恢復(fù)控制功能。過載和短路保護原理如圖2所示，電流檢測輸出信號經(jīng)過濾波放大電路將信號放大，然后輸入比較器與給定值進行比較后輸出DLBH(電流保護)信號至控制板DLBH接線端［6］。

圖2 過載和短路保護原理

1．2．3 功率輸出均勻分配功能 使用了功率輸出均勻分配的功能，從而避免了加熱設(shè)備的突然啟動和關(guān)斷對電網(wǎng)的干擾，延長了加熱元件的使用壽命，也可以提高控制精度。其常用的做法是將某一功率輸出百分比(比如15%)的有功輸出寫入表格，待進行控制使用時只需查表即可［7］。該設(shè)計中的智能電力調(diào)整器的功率輸出均勻分配算法集中體現(xiàn)了一個控制周期內(nèi)的所有周波數(shù)(Nm)、要輸出的周波數(shù)(有功輸出)(A)、已經(jīng)輸出的周波數(shù)(包括有功輸出和無功輸出的總和)(counter)以及已經(jīng)輸出的有功整波數(shù)(i)之間的依存關(guān)系。該依存關(guān)系可用函數(shù)f(Nm，A，counter，i)來表示［8］。函數(shù)滿足關(guān)系 f(Nm，A，counter，i)時觸發(fā)晶閘管;函數(shù)滿足關(guān)系 f(Nm，A，counter，i)時關(guān)斷晶閘管。整個算法的程序流程如圖3所示。

1．2．4 設(shè)備的軟啟動和軟關(guān)斷功能 為解決電力加熱設(shè)備啟動和關(guān)斷時表面負(fù)荷大，容易損壞加熱元件的問題，智能電力調(diào)整器在設(shè)備啟動和停止時，設(shè)計了軟啟動/軟關(guān)斷功能，通過在啟動時緩慢增加電流和停止時緩慢減少電流，減輕加熱元件的表面負(fù)荷，延長加熱元件的使用壽命［9］。

2 智能電力調(diào)整器的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件電路由終端地址電路、過零檢測、智能儀表溫度信號檢測、上位機溫度采樣、可控硅觸發(fā)電路、串行通訊電路及過載保護電路等組成，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。以89C4051單片機為核心，在單片機上電后將終端地址讀至內(nèi)存單元;數(shù)據(jù)采集由智能儀表4～20 mA電流信號經(jīng)補償放大后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊;調(diào)功部分由光控可控硅、驅(qū)動可控硅及雙向交流可控硅控制電阻爐加熱。

圖3 功率輸出均勻分配算法流程

圖4 智能電力調(diào)整器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2．1 溫度采樣電路

2．1．1 下位機采樣 測溫儀表輸出信號通常為4～20 mA電流，該電流信號經(jīng)運放電路放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再送入單片機，單片機將依據(jù)此數(shù)字量判斷溫度所處的區(qū)間而后采取相應(yīng)的措施。此處模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇8位精度的轉(zhuǎn)換芯片，如圖5所示。

圖5 溫度信號檢測電路原理

2．1．2 上位機采樣 采用鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度傳感器，其測量溫度范圍適中，線性度好，價格適宜，具有很強的抗腐蝕性和抗氧化性，熱電勢輸出較大，方便測量用的放大器的選配。

2．2 終端地址電路

采用8位表示一個終端地址，理論上可表示256臺終端。硬件采用8位的撥碼開關(guān)表示地址，用74LS244數(shù)據(jù)輸入緩沖器讀入撥碼開關(guān)的值，即終端地址。74LS244有2組4位的數(shù)據(jù)通道，分別用1G，2G來選通，均為低電平信號。

2．3 過零檢測電路

過零檢測電路的目的是捕獲三相交流電的某一相通過零點的時刻，通過執(zhí)行功率輸出均勻分配算法以便決定本周波是有功輸出還是無功輸出。電源經(jīng)47 kΩ電阻衰減后，作為雙向光耦的輸入，雙向光耦的輸出經(jīng)反向器翻轉(zhuǎn)后在交流電的過零點輸出窄脈沖信號，輸入到單片機的INT0管腳，作為控制輸出的同步信號。每當(dāng)三相中有一個過零點，將會觸發(fā)單片機的INT0中斷，從而調(diào)用功率輸出均勻分配算法以便決定本周波是有功輸出還是無功輸出。

2．4 過載和過流保護

電流檢測輸出信號經(jīng)過濾波放大電路將信號放大，然后輸入比較器與給定值進行比較后輸出DLBH(電流保護)信號至控制板DLBH接線端。設(shè)備工作正常時，DLBH信號輸出為0 V，當(dāng)檢測到電流過大或短路時，DLBH信號輸出為12 V。

2．5 可控硅觸發(fā)電路

可控硅觸發(fā)電路如圖6所示。當(dāng)VCCB信號為+5 V，A-CRTL輸出有功控制信號(即有功輸出，ACTRL此時為0 V)時，光電雙向可控硅導(dǎo)通，為可控硅TR1提供觸發(fā)信號。此處TR1為初級可控硅，用來控制控制板外部的大功率可控硅工作，從而實現(xiàn)對大功率電器調(diào)功的目的。

3 智能電力調(diào)整器系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1 單片機軟件設(shè)計

下位機中單片機的主要功能是開關(guān)量輸入輸出和485通訊，它的具體任務(wù)包括485通訊、開關(guān)量輸入輸出、功率輸出均勻分配以及設(shè)備的軟啟動和軟關(guān)斷。主程序如圖7所示。

圖6 可控硅觸發(fā)電路

圖7 單片機主程序流程

3．2 下位機通訊軟件設(shè)計

通訊內(nèi)容可以是命令或是控制數(shù)字量。數(shù)字量一般緊跟在命令之后，通常是命令執(zhí)行時需要的操作數(shù)。命令分為兩大類:一類是開關(guān)機等命令;一類是依據(jù)工控機溫度采樣后根據(jù)PID控制算法計算出的實際的有功功率與輸入功率的百分比，也即控制電阻爐加熱的程度，范圍從0% ～100%［10，11］。

3．3 功率輸出均勻分配軟件設(shè)計

采用有功功率輸出與輸入功率百分比為15%，控制周期內(nèi)波形數(shù)為100個，則將15個待輸出的周波均勻地填入表格，輸出信號以“0”和“1”標(biāo)記。該算法的執(zhí)行流程如下:

(1)根據(jù)控制精度要求，設(shè)定控制周期［12］;

(2)接受上位機或智能儀表的調(diào)功功率要求，設(shè)定每個控制周期內(nèi)的供電整波個數(shù)A;

(3)從每個控制周期的起始周波起算，依次計算每個周波的依賴函數(shù)f(Nm，A，counter，i)的值，若該值大于0，則在下一個周波觸發(fā)晶閘管，給負(fù)載供電，i值加1，若該值等于或小于0，則關(guān)斷晶閘管。Nm減1，counter加1，如此循環(huán)重復(fù)直至該控制周期結(jié)束(Nm等于0);

(4)根據(jù)同步脈沖，監(jiān)測該控制周期是否結(jié)束，若結(jié)束，則轉(zhuǎn)到步驟(2)執(zhí)行，開始新的一個調(diào)功控制周期。

3．4 軟啟動軟關(guān)斷軟件設(shè)計

智能電力調(diào)功器在設(shè)備啟動和停止時，設(shè)計了軟啟動/軟關(guān)斷功能，解決了電力加熱設(shè)備啟動和關(guān)斷時表面負(fù)荷大，容易損壞加熱元件的問題，通過在啟動時緩慢增加電流和停止時緩慢減少電流，減輕加熱元件的表面負(fù)荷，延長加熱元件的使用壽命［13］。

4 實驗分析

通過實驗可以驗證設(shè)計的可行性。下面僅以過零檢測以及可控硅開關(guān)功能為例，給出了實驗結(jié)論及分析。

4．1 觸發(fā)電路實驗結(jié)果

使用示波器(雙蹤)測試可控硅的波形，用其中一個探頭測量電壓，另一個測量電流波形，就可以觀察到可控硅是否在過零點時刻導(dǎo)通，也會觀察到導(dǎo)通時刻的電流沖擊。因為三相電路是用2個開關(guān)控制，用示波器(雙蹤)的一個探頭測量電壓，另一個測量電流，所以可以看到可控硅運行的完整效果(圖8)。

4．2 過零檢測電路實驗結(jié)果

過零檢測輸出波形與輸入波形如圖9所示，其中脈沖波形為過零檢測輸出波形。從圖中可以看出，在輸入信號在過零點的時候，都會有一個下降的脈沖，這樣就能保證單片機捕獲到輸入信號的每個過零點。

圖8 晶閘管A相電壓、C相電流圖

圖9 過零檢測電路輸入與輸出波形圖

5 結(jié) 論

根據(jù)實驗室條件下對保護測試的結(jié)果，分析了誤差來源并制定了相應(yīng)的處理措施，試驗結(jié)果表明樣機滿足了當(dāng)初設(shè)計的要求。

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