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基于NZK三相SCR觸發(fā)器的觸發(fā)控制淺析

摘要：本文主要以武漢輝達工控所生產(chǎn)的三相NZK-3000系列 SCR觸發(fā)器為例，介紹基于單片機的可控硅觸發(fā)器的觸發(fā)部分軟件設(shè)計，淺析移相觸發(fā)和過零觸發(fā)的控制理論。

關(guān)鍵字：觸發(fā)器、可控硅SCR、單片機

一、引言

可控硅（SCR）是目前工業(yè)中使用最為廣泛的大功率變換器件。傳統(tǒng)的觸發(fā)器采用模擬控制電路，無法克服固有缺點。本儀表采用數(shù)字式控制電路，主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定、可靠性高。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，由單片機組成的控制電路優(yōu)勢越來越明顯，除具有數(shù)字式電路相同的優(yōu)點外，更因其移相觸發(fā)角度可通過軟件設(shè)計來完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、控制精度可通過軟件補償、移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點，目前已獲得業(yè)界的廣泛認可。

輝達工控NZK-3000系列三相智能可控硅觸發(fā)器通用性強，輸出脈沖對稱度高，觸發(fā)及抗干擾能力強，接線方便?？蓪崿F(xiàn)單、雙向可控硅的移相控制、定周期過零控制和變周期過零控制。支持全控、半控和整流，支持多種負載接法、支持陰極和陽極觸發(fā)（即強觸發(fā)）、穩(wěn)定觸發(fā)0～3000A可控硅、輸出具有防燒保護功能、自動判別相序，具有缺相保護功能。

二、觸發(fā)控制

可控硅SCR實現(xiàn)交流電調(diào)壓實際是調(diào)功，一般有兩種方案。1是通過控制可控硅的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)功率大小。2是調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)通過可控硅的交流脈沖個數(shù)來進行調(diào)節(jié)。前者又叫移相觸發(fā)控制，后者又叫過零觸發(fā)控制。

移相觸發(fā)：通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，來調(diào)節(jié)控制可控硅的輸出電壓。導(dǎo)通角越大，則輸出電壓越大；

過零觸發(fā)可分為定周期過零和變周期過零。通過調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)可控硅的導(dǎo)通周波數(shù)，來調(diào)節(jié)控制可控硅的輸出功率。由于過零控制是在電壓為零點是導(dǎo)通或關(guān)斷，所以這種控制對電網(wǎng)的污染小。

2.1移相觸發(fā)

移相觸發(fā)的原理如下圖：

移相控制要求以變流電路的自然換相點為基準，經(jīng)過一定的相位延遲后，輸出觸發(fā)信號使可控硅導(dǎo)通。在實際應(yīng)中可控硅的觸發(fā)信號應(yīng)該以同步電壓信號為基準延遲一定的相位角，所以移相控制的主要任務(wù)就是測量同步電壓過零點時刻，并以此點作為單片機計算可控硅觸發(fā)相位角的起始點。

2.1.1同步過零信號的檢測

硬件電路如圖：當(dāng)AB兩相正弦交流電壓不為0，總有一個1N4007導(dǎo)通，此時INT0引腳輸出高電平。當(dāng)正弦交流電壓接近零時，兩個二極管1N4007均截止，當(dāng)A相電壓大于B相時，電路經(jīng)過運放最終使光耦導(dǎo)通使得INT0引腳產(chǎn)生低電平，這個脈沖的下降沿將引起單片機的外部中斷，在中斷服務(wù)子程序中使用定時器累加移相時間，然后發(fā)出可控硅SCR的同步觸發(fā)信號。

2.1.2觸發(fā)相位角的延時

在實際的儀表中，觸發(fā)相位角的延時是根據(jù)輸入的一個標準信號來進行控制的。輸入信號越大，導(dǎo)通角越大，即輸出功率越大。標準信號的采集在此省略。

當(dāng)A 相同步電壓信號（即過零信號）被單片機檢測到，這時, 單片機實現(xiàn)輸出脈沖時序的計算通常有兩種方法。一是: 每相都用一套獨立的同步電壓信號和定時器來完成觸發(fā)脈沖的定時輸出, 此時需要三個同步電壓信號和三個定時器。以A 相為例,單片機在完成同步檢測和相位延遲定位后, 輸出觸發(fā)脈沖，其他相類推。這種方法簡單, 容易編程實現(xiàn), 但需要單片機的資源較多。二是: 用一個同步電壓信號和一個定時器來完成觸發(fā)脈沖的計算, 這在三相電路對稱時是可行的。因為三相完全對稱, 各相彼此差120°, 電路每隔60°需要換流一次, 且換流的時序事先是已知的（需要事先實現(xiàn)自動判相序功能或負載電壓嚴格按照ＡＢＣ相序接）。該方法與第一種方法比較, 所用單片機資源少, 只要一個同步信號, 電路也簡單, 但軟件計算工作量稍大。

實際儀表的設(shè)計采用第二種方法, 該方法實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的延遲要比第一種算法復(fù)雜, 具體實現(xiàn)方法如下: 由于只用一個同步信號, 所有可控硅的觸發(fā)脈沖延遲都以它為基準。為了保證觸發(fā)脈沖延遲相位的精度, 用一個定時器測量同步電壓信號的周期, 并由此計算出60°和120°電角度所對應(yīng)的時間。由于三相電路的觸發(fā)電路, 必須每隔60°換流一次, 也就是說, 每隔60°時間必然要輸出一次觸發(fā)脈沖信號, 因此第一個基準觸發(fā)脈沖信號必須調(diào)整到小于60°才能保證觸發(fā)脈沖不遺漏。以A 相同步電壓信號為基準, 當(dāng)單片機檢測到A 相同步電壓信號由0 到1 的正跳變時, 啟動定時器工作, 當(dāng)定時器溢出時, 輸出第一個觸發(fā)脈沖信號, 以后每隔60°定時時間輸出一次觸發(fā)脈沖, 直到單片機再次檢測到A 相同步信號的正跳變時, 又重復(fù)上述過程。值得注意的, 從單片機檢測到同步電壓正跳變到輸出第一個觸發(fā)脈沖信號的時間必須調(diào)整到小于60°電角度時間, 否則會造成觸發(fā)脈沖的遺漏。當(dāng)移相延遲的觸發(fā)角α小于60°, 此時以A 相同步信號為基準、并按延遲角時間定時實現(xiàn)的第一個脈沖輸出應(yīng)該是A 相VT1 可控硅的觸發(fā)信號,因而延遲時間無需調(diào)整。之后, 每隔60°時間依次輸出VT2 、VT3 、VT4 、VT5 可控硅的觸發(fā)信號。當(dāng)移相延遲角α大于60°而小于120°時, 為保證觸發(fā)脈沖不遺漏, 應(yīng)將延遲角的定時時間調(diào)整在60°電角度時間之內(nèi), 即減去一個60°電角度時間。相應(yīng)地, 輸出觸發(fā)脈沖的時序也要進行調(diào)整, 此時第一個輸出觸發(fā)脈沖信號應(yīng)該是B 相 VT6 可控硅的觸發(fā)信號。之后每隔60°時間依次輸出VT1 、VT2 、VT3 、VT4 、VT5 可控硅的觸發(fā)信號。當(dāng)移相延遲角α大于120°時, 要將延遲角的定時時間調(diào)整在60°電角度時間之內(nèi), 則需減去一個120°電角度時間, 此時第一個輸出觸發(fā)脈沖信號應(yīng)該是C 相VT5 可控硅的觸發(fā)信號, 之后, 每隔60°時間依次輸出VT6 、VT1 、VT2 、VT3 、VT4 可控硅的觸發(fā)信號,根據(jù)前面的分析, 由單片機產(chǎn)生所需的可控硅移相觸發(fā)脈沖, 必須包括同步電壓檢測環(huán)節(jié)、移相延遲角定時環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時序分配環(huán)節(jié)等部分,它與模擬電路實現(xiàn)的方法是類似的。

分析上圖電路的工作原理可知：為了確保電路的正常工作，需要保證在任意時刻共陰極組（VT1、VT3、VT5）與共陽極組（VT4、VT6、VT2）中分別有一個可控硅同時導(dǎo)通，方可形成導(dǎo)電回路。導(dǎo)通的順序為：VT1和VT6、VT1和VT2、VT3和VT2、VT3和VT4、VT5和VT4、VT5和VT6，依此類推；為此，一般可采用兩種方法：一種是使脈沖寬度大于60度（一般取80度到100度），稱為寬脈沖觸發(fā)。另一種方法是在觸發(fā)某個可控硅的同時，給序號緊前的一個可控硅補發(fā)脈沖，用兩個窄脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60度，脈沖寬度一般為20度到30度，稱為雙脈沖觸發(fā)。雙脈沖觸發(fā)電路要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖然可以少輸出一半脈沖，但為了不使脈沖變壓器飽和，需將鐵心體積做的較大一些，繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)致漏感增大，脈沖前沿不夠陡，對于可控硅的串聯(lián)使用不利。雖然可以用去磁繞組改善這種情況，但又使觸發(fā)電路復(fù)雜化。故此處用的是雙脈沖觸發(fā)方式。

在實際的儀表中，單片機資源是這樣分配的:外部中斷0作為同步過零信號檢測，定時器1計數(shù)控制移相大小，兩個PCA計算器一個用于控制三相觸發(fā)的限幅，另一個用于控制三相觸發(fā)的脈沖寬度。

2.2過零觸發(fā)

過零觸發(fā)的原理如下圖

變周期過零觸發(fā)：通過調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)可控硅的導(dǎo)通周波數(shù)，來調(diào)節(jié)控制可控硅的輸出功率。變周期過零觸發(fā)的關(guān)鍵是：盡可能地使導(dǎo)通的周波分布均勻。在多番嘗試后，最終，NZK觸發(fā)器變周期過零觸發(fā)的輸出處理采用查表法。例如：

1.00%：

{ 1,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,

0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,

0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 }

表示100個周期中，導(dǎo)通1個周波；

6%≈6.25%：

{ 1,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0 }

表示100個周期中，導(dǎo)通6個周波；

18≈18.18%

{ 1,0,0,0,0,0,1,0,0,0, 0 }

表示100個周期中，導(dǎo)通18個周波；

50.0%

{ 1,0 }

表示100個周期中，導(dǎo)通50個周波；

實際的儀表中還涉及到很多其它的方面，比如同步過零信號檢測與實際電路的延時問題、三相電相序的檢測問題，它們都會影響到觸發(fā)效果。儀表中同時也還具有其它一些功能，例如觸發(fā)脈沖的寬度可調(diào)、導(dǎo)通角的上下限可調(diào)等功能。

總結(jié)：

本文主要以武漢輝達工控所生產(chǎn)的三相NZK-3000系列 SCR觸發(fā)器為例，講述了利用單片機來實現(xiàn)可控硅觸發(fā)脈沖的方法。描述了移相觸發(fā)和過零觸發(fā)的基本原理以及通過單片機來實現(xiàn)的具體方法。在實際儀表的正常使用中，該方法證實可行。

參考文獻：

[1] 精達儀表選型手冊 2009

[2] 可控硅觸發(fā)基本原理

輝達工控NZK-3000系列三相智能可控硅觸發(fā)器產(chǎn)品介紹

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