專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)控制的大功率交流穩(wěn)流源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用微機(jī)系統(tǒng)控制的大功率交流穩(wěn)流裝置。
工礦企業(yè)、電力部門(mén)的繼電部門(mén)、電加熱熱處理等部門(mén)中的供電系統(tǒng)均需要配有穩(wěn)流裝置。而目前，直流小功率的穩(wěn)流裝置較為普遍，但大功率交流穩(wěn)流裝置不多?，F(xiàn)行的大功率交流穩(wěn)流源大致有以下三種類(lèi)型第一種是由伺服電機(jī)帶動(dòng)自耦調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的裝置。
西德B、B、C公司生產(chǎn)的交流穩(wěn)流裝置就是這種類(lèi)型的典型代表。它由調(diào)壓器、伺服電機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、采樣單元、基準(zhǔn)電壓發(fā)生器，比較器組成。采樣值與基準(zhǔn)值通過(guò)比較器后，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，用于控制伺服電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，從而達(dá)到穩(wěn)流的目的。其缺點(diǎn)是調(diào)整元件為伺服電機(jī)，所以調(diào)整速度與響應(yīng)速度慢，又因?yàn)闄C(jī)械慣性大，極易產(chǎn)生振蕩，故可靠性差。此外，調(diào)壓器有觸點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生火花，容易磨損。
第二種是執(zhí)行元件為磁放大器的交流穩(wěn)流裝置。
日本寺崎公司生產(chǎn)的就是這種交流穩(wěn)流源，它由調(diào)壓器、磁放大器、采樣單元、基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器與電子跟隨器組成。接通電源后，調(diào)壓器上的輸出線圈輸出的電壓由磁放大器調(diào)整后，加到主變壓器的負(fù)載上，經(jīng)采樣單元輸出一個(gè)信號(hào)，比較器將此信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較后輸出一個(gè)誤差信號(hào)，此誤差信號(hào)輸入到電子跟隨器，電子跟隨器再將信號(hào)送到磁放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于磁放大器須工作在接近飽和區(qū)的很小一段范圍內(nèi)，這樣，第一，會(huì)引起高次諧波，使正弦波失真。第二，因?yàn)榇欧糯笃鞴ぷ鲄^(qū)域小，系統(tǒng)須包括有調(diào)壓器，而調(diào)壓器的輸出電壓、磁放大器的線圈匝數(shù)等多個(gè)調(diào)整量，均須調(diào)到最佳工作點(diǎn)，故其調(diào)試?yán)щy，使用不方便。第三，磁系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢，為0.3秒左右。
第三種，是目前國(guó)內(nèi)流行的一種，即用可控硅調(diào)相來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流的交流穩(wěn)流源。它由主變壓器、采樣單元、基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、脈沖源、具有調(diào)整功能的可控硅組成。采樣的數(shù)值與基準(zhǔn)電壓通過(guò)比較器后，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，用于調(diào)整脈沖源的振蕩頻率，從而控制可控硅的導(dǎo)通角，以便調(diào)節(jié)主變壓器的一次線圈與二次線圈上的電壓，最后達(dá)到穩(wěn)流目的。這種類(lèi)型的交流穩(wěn)流源由于正弦波被切去一個(gè)角，因而引起正弦波嚴(yán)重失真，產(chǎn)生高次諧波，干擾電網(wǎng)。
綜上所述，現(xiàn)行的這三種類(lèi)型的交流穩(wěn)流源，不是系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢，調(diào)試?yán)щy，就是正弦波嚴(yán)重失真，或者是存在機(jī)械慣性大，極易產(chǎn)生振蕩。
本發(fā)明的目的，是設(shè)計(jì)一種失真度小，響應(yīng)時(shí)間快，調(diào)試與操作均很方便的由微機(jī)控制的大功率交流穩(wěn)流源，以滿(mǎn)足供電網(wǎng)絡(luò)的需要。
本發(fā)明是一種裝有微機(jī)系統(tǒng)的大功率交流穩(wěn)流源。除主變壓器外，它包括調(diào)整變壓器、電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)合采樣環(huán)節(jié)、光電耦合采樣器、過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路、可控硅觸發(fā)電路、A/D轉(zhuǎn)換器即模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)。其連接方式是電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)輸出端與主變壓器一次線圈的輸入端連接，復(fù)合采樣環(huán)節(jié)的輸入端與輸出端分別與主變壓器上的負(fù)載輸出端和光電耦合采樣器輸入端連接，光電耦合采樣器的輸出端，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器和微機(jī)反饋控制系統(tǒng)相連，而過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路接在主變壓器的輸入端和電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)之間。電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是這樣的把調(diào)整變壓器的二次線圈分為5組相同的線圈，每組線圈設(shè)有3個(gè)抽頭，5組線圈共有15個(gè)抽頭，每個(gè)抽頭均串接一個(gè)雙向可控硅觸發(fā)電路，共串接15個(gè)。上述的復(fù)合采樣環(huán)節(jié)由電路互感器與采樣電阻器組成，此電路互感器包括兩個(gè)互感器CT1、CT2和一匝或多匝線圈，此一匝或多匝線圈同時(shí)穿過(guò)上述兩個(gè)互感器CT1、CT2。此外，CT1、CT2的二次線圈各自并聯(lián)兩個(gè)串接的采樣電阻R1、R2和R3、R4。上述的光電耦合采樣器由橋式整流器D、光電耦合管BG7、微調(diào)電位器W、限流電阻R與二極管D1組成，它們是這樣連接的橋式整流器D的兩個(gè)輸入端與復(fù)合采樣器的兩個(gè)輸出端相連，而其另外兩個(gè)輸出端的一端通過(guò)串接的微調(diào)電位器W與限流電阻R，與光電耦合管BG7的二極管一端連接，D的另一端出端與BG7的二極管另一端相連，BG7內(nèi)的二極管還反向并聯(lián)一個(gè)二極管D1，BG7中三極管的發(fā)射極與A/D轉(zhuǎn)換器相連。上述的過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管D2、D3兩端，分別與電壓比較器A0的同向端(+)和反向端(-)連接，而A0的輸出端一方面接C1與R5組成的微分電路輸入端，另一方面和反向器A1的輸入端相連，A1的輸出端又與由C2和R6組成的另一個(gè)微分電路輸入端連接，上述兩個(gè)微分電路輸出端又分別與整形器A2和A3相連，而A2與A3均和與非門(mén)A4的輸入端連接。A4的輸出端又和反向器A5輸入端相連，A5的輸出端與光電耦合管BG8的二極管一端連接，BG8的三極管集電極與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)的中斷信號(hào)輸入端相連。上述的電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的15個(gè)雙向可控硅觸發(fā)電路單元分別串接在調(diào)壓器二次線圈上5組相同線圈的15個(gè)抽頭中，即每一組線圈包括3個(gè)單元，這15個(gè)單元的電路結(jié)構(gòu)完全相同，具體地說(shuō)，每一單元均包括一個(gè)光電耦合管，一個(gè)觸發(fā)三極管、一個(gè)雙向可控硅;光電耦合管中的三極管的發(fā)射極與單元電路中的觸發(fā)三極管的基極連接，而觸發(fā)三極管的集電極又與雙向可控硅的輸入端相連，各個(gè)單元中的觸發(fā)三極管的集電極均與正10V電源連接，整個(gè)電路的每一單元均觸發(fā)一個(gè)雙向可控硅。此外，每組線圈的3個(gè)單元各自的光電耦合管的二極管的一端，分別與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)中的并行輸出口PIO的相應(yīng)的反向器的輸出端相連。上述的微機(jī)反饋控制系統(tǒng)由中央處理機(jī)CPU、只讀存儲(chǔ)器EPROM、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、并行輸出口PIO組成，而此中央處理機(jī)CPU分別和上述的EPROM、RAM、以及PIO連接。
本發(fā)明的原理結(jié)合

圖1加以說(shuō)明。
通過(guò)負(fù)載輸出的電流，經(jīng)復(fù)合采樣環(huán)節(jié)與光電耦合采樣器后變?yōu)橹绷髅}動(dòng)電流，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由微機(jī)讀出，此微機(jī)再與設(shè)定數(shù)字量比較，其誤差經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)生一個(gè)合適的輸出電壓值，再由微機(jī)并行輸出口PIO輸出一個(gè)“控制字”，這樣，電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的雙向可控硅被觸發(fā)，使電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)輸出一個(gè)相應(yīng)電壓。過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路位于主變壓器輸入端與電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)輸出端之間，是為了輸出過(guò)零信號(hào)。
當(dāng)負(fù)載輸出電流大于設(shè)定值時(shí)，輸出電壓要減少;反之輸出電壓就要增加，從而起到穩(wěn)流作用。顯然這是一個(gè)由微機(jī)控制的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1、正弦波失真度小。正弦波失真度的大小，主要取決于雙向可控硅死區(qū)電壓的大小，本發(fā)明的雙向可控硅死區(qū)電壓僅為0.7V左右，此電壓占輸出電壓的比例是很小的，故正弦波失真度在0.8%以下。
2、響應(yīng)時(shí)間快。由于采用微機(jī)控制，而其電子開(kāi)關(guān)速度快，所以整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間小于40ms，在預(yù)置情況下，小于10ms，如果安裝可關(guān)斷雙向可控硅，響應(yīng)時(shí)間可小于10ms。
3、功率因數(shù)接近1。本發(fā)明的調(diào)整與輸出部分是純變壓器，功率因數(shù)接近1?？蓭ё栊?、熱性、容性負(fù)載。設(shè)備效率高，可達(dá)80%～90%。
4、不存在機(jī)械慣性。只要數(shù)據(jù)處理合適，不會(huì)產(chǎn)生自激。
5、由于裝有微機(jī)，使系統(tǒng)智能化。
圖1為本發(fā)明的方框結(jié)構(gòu)圖。
圖2為電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
由此圖看出調(diào)整變壓器的一次線圈接220V交流電源，其二次線圈，即電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)，分為5組相同的線圈，每組線圈有3個(gè)抽頭，每個(gè)抽頭均串接一個(gè)雙向可控硅觸發(fā)電路。五組線圈的3個(gè)抽頭之間的電位差相應(yīng)為1V+1V、3V+3V、9V+9V、27V+27V、81V+81V，其相應(yīng)的接點(diǎn)分別為a1、b1、c1、a3、b3、c3、a9、b9、c9、a27、b27、c27、a81、b81、c81、根據(jù)需要，使上述15個(gè)接點(diǎn)部分通或斷，或者全部通或斷，可使輸出電壓從0～240V可調(diào)。
圖3為復(fù)合采樣環(huán)節(jié)電路圖。
兩個(gè)互感器CT1、CT2分別并聯(lián)兩個(gè)串接的采樣電阻R1、R2與R3、R4。當(dāng)只使用CT1采樣，且只接通R1時(shí)，其輸出電流復(fù)蓋范圍為150A～200A，接通R1與R2時(shí)，電流復(fù)蓋范圍為100A～200A。當(dāng)只使用CT2進(jìn)行采樣時(shí)，只接通R3的電流采樣復(fù)蓋范圍為50A～100A，接通R3與R4時(shí)，電流采樣為2A～100A。
當(dāng)兩個(gè)互感器CT1、CT2均使用時(shí)，并使4個(gè)采樣電阻R1、R2、R3、R4均接通，其電流采樣復(fù)蓋范圍為2A～200A。
使一匝線圈穿過(guò)CT1、CT2時(shí)，CT1、CT2均采用200/5;兩匝線圈穿過(guò)CT1、CT2時(shí)，其均采用100/5。R1、R2、R3、R4的電阻值分別為2Ω、5Ω、2Ω、5Ω。
圖4為光電耦合采樣器的電路圖。
其中D為整流器，W為微調(diào)電位器，R為限流電阻，BG7為光電耦合管，D1為與BG7中二極管相并聯(lián)的二極管。
由復(fù)合采樣器輸出端輸出的交流信號(hào)經(jīng)整流器D整流后，通過(guò)微調(diào)電位器W與限流電阻R加到光電耦合管BG7的兩端，然后由其內(nèi)的三極管發(fā)射極向A/D轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)采樣值。光電藕合管BG7的作用是為了隔離該電路與微機(jī)的電聯(lián)系，提高抗干擾能力。此外，由于從電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓最小變化單位為1V，因而電流最小的變化單位為1A，這樣，采用微調(diào)電位器W，可以使輸出量變化范圍連續(xù)，以便更好地滿(mǎn)足供電網(wǎng)絡(luò)的需要。光電耦合管BG7并聯(lián)一個(gè)二極管D1是為了起到保護(hù)作用。
整流器D采用硅橋1A/50V，二極管D1為2CZ81，BG7采用TLL117，W采用47Ω的，R阻值為1kΩ，RE為2kΩ。
圖5為過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路的電路圖。
兩個(gè)二極管D2、D3反向并聯(lián)一起后，可使D2、D3兩端電壓降始終保持在0.7V左右，這是為了在D2、D3上的功率消耗很小。由D2、D3兩端輸出的電壓，經(jīng)過(guò)比較器Ao比較，并經(jīng)過(guò)反向器A，分別輸出正、負(fù)兩個(gè)電信號(hào)，再分別由C1與R5和C2與R6組成的兩個(gè)微分電路微分后，得到兩個(gè)正、負(fù)脈沖，經(jīng)過(guò)兩個(gè)整形器A2、A3整形后，由與非門(mén)A4將此兩個(gè)正、負(fù)脈沖合在一起，然后再經(jīng)過(guò)反向器A5，通過(guò)光電耦合管BG8向微機(jī)輸入一個(gè)中斷脈沖信號(hào)。BG8的作用是將該電路與微機(jī)隔離掉電的聯(lián)系。
D2、D3均采用2CZ59，比較器Ao是LM331，反向器A6與A6均為74LS04，A1、A3均采用74LS14，A4為74LSOO，BG8為T(mén)IL117，C1、C2均為0.01μF，R6與R6均為20kΩ，R7、R8、R9分別為330Ω、10kΩ、30kΩ。
圖6為電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)第1組線圈的雙向可控硅觸發(fā)電路的電路圖。
由此圖看出，微機(jī)中并行輸出口PIO相應(yīng)的3個(gè)反向器A1、B1、C1分別與3個(gè)雙向可控硅觸發(fā)單元電路中相應(yīng)的3個(gè)光電耦合管BG1、BG2、BG3中的二極管的一端連接。以第1個(gè)單元為例。
反向器A1如輸出零電平，光電耦合管BG1中二極管導(dǎo)通，其內(nèi)的三極管也導(dǎo)通，而觸發(fā)三極管BG4亦導(dǎo)通，這樣，BG4中集電極通過(guò)觸點(diǎn)g1給雙向可控硅T1、T2一個(gè)脈沖信號(hào)，使此單元導(dǎo)通。其它兩個(gè)單元工作原理和此單元一樣。另外4組線圈的12個(gè)單元電路結(jié)構(gòu)與工作原理與第1組亦完全相同。微機(jī)并行輸出口PIO有另外12個(gè)反向器與之相對(duì)應(yīng)。上述的雙向可控硅也可采用可關(guān)斷的雙向可控硅。
每個(gè)觸發(fā)三極管的集電極均接在10V電源上。反向器A1、B1、C1均采用74LS04，BG1、BG2、BG3均為T(mén)IL117，雙向可控硅T1與T2，T3與T4、T5與T6均為3CTS，觸發(fā)三極管BG4、BG5、BG6均為3DG12，R10、R11、R12均為330Ω，R13、R14、R15均為1kΩ，R16為51Ω，C為470μF，整流器D為硅橋1A/50V，g1、g2、g3為雙向可控硅的觸點(diǎn)。
圖7為A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)系統(tǒng)的方框結(jié)構(gòu)圖。
由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量給中央處理機(jī)CPU，CPU與設(shè)定值比較，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，由并行輸出口PIO通過(guò)相應(yīng)的反向器輸出控制字，來(lái)控制雙向可控硅的導(dǎo)通與否。
控制程序固化在只讀存儲(chǔ)器EPROM中，隨機(jī)數(shù)存儲(chǔ)在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM中。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)控制的大功率交流穩(wěn)流源，其特征在于，它由調(diào)整變壓器、電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)合采樣環(huán)節(jié)、光電耦合采樣器、過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路、可控硅觸發(fā)電路、主變壓器、A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)組成，上述各部件連接情況是電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)的輸出端與主變壓器一次線圈的輸入端連接，而主變壓器的負(fù)載輸出端則與復(fù)合采樣環(huán)節(jié)輸入端相連。復(fù)合采樣環(huán)節(jié)的輸出端又與光電耦合采樣器輸入端相連，光電耦合采樣器的輸出端通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)連接，而過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路則接在主變壓器的輸入端與電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)輸出端之間，所述的電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)是把調(diào)整變壓器的二次線圈分為5組線圈，每組線圈有3個(gè)抽頭，共15個(gè)抽頭，每個(gè)抽頭均串接一個(gè)雙向可控硅觸發(fā)電路，所述的復(fù)合采樣環(huán)節(jié)包括電路互感器與采樣電阻器，所述的電路互感器是一匝或多匝線圈同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)互感器CT1、CT2，CT1、CT2的二次線圈分別并聯(lián)兩個(gè)串接電阻R1、R2與R3、R4所述的光電耦合采樣器包括橋式整流器D、光電耦合管BG7、微調(diào)電位器W、限流電阻R與二極管D，橋式整流器D的兩個(gè)輸入端與220V交流電源相連，其兩個(gè)輸出端的一端通過(guò)串接的微調(diào)電位器W與電阻R，和光電耦合管BG7中二極管一端連接，另一端與BG7中二極管另一端相連，此二極管還反向并聯(lián)一個(gè)二極管D1，光電耦合管中三極管的發(fā)射極與A/D轉(zhuǎn)換器相連，所述的過(guò)零檢測(cè)及觸發(fā)電路的兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管D2、D3兩端，分別與電壓比較器Ao的同向端(+)和反向端(-)連接，而Ao的輸出端一方面接C1與R5組成的微分電路輸入端，另一方面與反向器A6的輸入端相連，而A6的輸出端再與C2和R6組成的另一個(gè)微分電路輸入端連接，上述兩個(gè)微分電路各接一個(gè)整形器A2、A3，而A2、A3均和與非門(mén)A4的輸入端相連，A4的輸出端又與反向器A5輸入端連接，而A5的輸出端與光電耦合管BG8中二極管一端相連，BG8中的三極管集電極與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)的中斷信號(hào)輸入端連接，所述的可控硅觸發(fā)電路共5組15個(gè)單元，每一組有3個(gè)單元，15個(gè)單元電路結(jié)構(gòu)完全相同，每一單元均包括一個(gè)光電耦合管、一個(gè)觸發(fā)三極管、一個(gè)雙向可控硅，每組3個(gè)單元各自的光電耦合管的二極管的一端，分別與微機(jī)反饋控制系統(tǒng)并行輸出器PIO相應(yīng)的反向器的輸出端相連，每一單元中各部件的連接均相同，即光電耦合管中三極管的發(fā)射極與觸發(fā)三極管的基極連接，而觸發(fā)三極管的集電極又與雙向可控硅的輸入端相連，整個(gè)電路的每一個(gè)三極管的集電極均與正10V電源相連，此外，整個(gè)電路的每一單元均觸發(fā)一個(gè)雙向可控硅，所述的微機(jī)反饋控制系統(tǒng)包括中央處理機(jī)CPU、只讀存儲(chǔ)器EPROM、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、并行輸出口PIO、CPU分別與PIO、EPROM、RAM相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)控制的大功率交流穩(wěn)流源，其特征在于所述的可控硅觸發(fā)電路中的雙向可控硅或者采用可關(guān)斷雙向可控硅。
全文摘要
屬于一種微機(jī)控制的大功率交流穩(wěn)流裝置。主變壓器負(fù)載上輸出的電流經(jīng)復(fù)合采樣環(huán)節(jié)與光電耦合采樣器，變?yōu)橹绷髅}動(dòng)電流，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，輸入微機(jī)進(jìn)行處理，并由并行輸出口輸出一個(gè)“控制字”，去觸發(fā)電壓分節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的雙向可控硅，并使其輸出一個(gè)相應(yīng)電壓。當(dāng)輸出電流大于或小于設(shè)定值時(shí)，輸出的電壓就要減少或增加，從而達(dá)到穩(wěn)流作用。本發(fā)明失真度小，系統(tǒng)效率高達(dá)80％～90％，無(wú)機(jī)械慣性，響應(yīng)時(shí)間快，操作方便。
文檔編號(hào)G05F1/20GK1040445SQ88104968
公開(kāi)日1990年3月14日 申請(qǐng)日期1988年8月16日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月16日
發(fā)明者沈祖冀 申請(qǐng)人:天津師范專(zhuān)科學(xué)校