船用中高压软启动器晶闸管控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种船用中高压软启动器晶闸管控制方法。

背景技术

受限于目前半导体器件制造水平，晶闸管的耐压等级有限，6kV的中压已基本达到晶闸管的极限；同时，在船舶应用中，船舶电网容量小加之用电设备复杂，使得船舶电网电能质量相对较差；而且船舶舱室内空间狭小，设备如有故障难以维修，若船舶在航行时设备损坏更为棘手。因此，在船舶中高压应用中，可靠性是重中之重，而软启动器的核心是晶闸管，所以能否对晶闸管实施准确无误的控制成为设备能否可靠运行的重要因素。

发明内容

针对中高压软启动稳定性问题，提出了一种船用中高压软启动器晶闸管控制方法，有效提高了软启动器晶闸管控制的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案为：一种船用中高压软启动器晶闸管控制方法，船用电网通过可控晶闸管给三相电机供电，在电机启动阶段控制器设置一个定频率f中断，进入中断后完成晶闸管控制，并设定一个电周期的次数为f÷50Hz；每个中断中采用能抵抗谐波干扰的双dq变换锁相环技术对船舶电网进行相位跟踪，获得晶闸管三相输入相位角度；每个电周期中使用阶跃函数对启动过程中启动电压反馈偏差处理计算触发角，更新一次触发角；相位与触发角比较依据线电压触发逻辑，使用高频PWM脉冲对晶闸管进行触发，并对PWM进行同步校准。

进一步，所述晶闸管三相输入相位角度计算：

双dq变换锁相环技术对船舶电网进行相位跟踪，获得角度为wt，wt范围为0-2π，将0-2π转换为0-360度；

检测Uab从正变负的过零点，从该过零点开始，比较60度内Ubc和Uca的大小，如果Ubc>Uca则为正序，线电压Uab的相位角AngleAB＝wt+90，线电压Ubc的相位角AngleBC＝AngleAB-120，线电压Uca的相位角AngleCA＝AngleBC-120；若AngleAB、AngleBC、AngleCA的计算结果>360度，则计算结果-360，若AngleAB、AngleBC、AngleCA的计算结果<0度，则计算结果+360；

检测Uab从正变负的过零点，从该过零点开始，比较60度内Ubc和Uca的大小，如果Ubc360度，则计算结果-360，若AngleAB、AngleBC、AngleCA的计算结果<0度，则计算结果+360。

进一步，所述触发角计算：

首先使用阶跃函数对给定电压与实际电压的差值进行处理，得到曲线γ,γ＝sgn(给定电压-实际电压)；然后每一电周期对γ进行一次PI计算，得到曲线β，β＝Kp×γ+Ki×Σγ，若β>120，则β＝120，其中Kp、Ki分别为比例系数和积分系数，Kp、Ki默认取值120÷(期望启动时间(秒)×50)；最后用最大触发角150度减去β得到触发角α，α＝150-β。

进一步，所述晶闸管触发逻辑为：

规定每一相中，晶闸管阳极朝向电源、阴极朝向电机的为正管，反之为反管；晶闸管的触发逻辑为：AngleAB、AngleBC、AngleCA依次与触发角α做比较，当α

晶闸管采用双脉冲高频PWM信号进行触发，具体触发方法为：每次进入中断后，首先设置所有晶闸管的PWM占空比为0％，然后按晶闸管触发逻辑判断此时应触发哪个晶闸管，最后设置应触发的晶闸管的PWM占空比为50％；同时，如果使用的控制器具备自动同步各路PWM的功能，应进行同步设置，若无自动同步功能，则应编程使各路PWM保持同步。

进一步，所述中断后完成晶闸管控制，具体步骤如下：

1)进入中断，电压电流采样，包括晶闸管输入电压、输出电压、输出电流，然后进入2)；

2)判断相序检测是否完成，如未完成，则继续进行相序检测，退出本次中断，等待下一次进入中断；如已完成相序检测，则进入3)；

3)对晶闸管输入电压进行锁相，使用双dq变换锁相环法，输出角速度w，w乘以时间t得到角度wt，然后进入4)；

4)依据步骤3)得到的wt，对晶闸管输入电压计算得到输入三相电压Uab、Ubc和Uca的相位，然后进入5)；

5)对进入本中断的次数进行累计加1，然后进入6)；

6)判断进中断次数累加值是否达到一个电周期的次数，一个电周期的次数为f÷50Hz,如果次数已达到，进入步骤7)，如果次数未达到，则进入9)；

7)计算并更新触发角，然后进入8)；

8)将进中断次数累加值清零，然后进入9)；

9)将步骤4)获得的输入三相电压Uab、Ubc和Uca的相位与步骤7)的触发角比较，比较结果依据触发逻辑设置各晶闸管PWM占空比，退出中断。

本发明的有益效果在于：本发明船用中高压软启动器晶闸管控制方法，在船舶电网中，降低较差的电能质量对软启动器控制的影响，使得晶闸管的控制准确无误。

附图说明

图1为本发明船用中高压软启动器晶闸管控制流程图；

图2为本发明输入电压正序判断、锁相环输出及三相线电压角度图；

图3为本发明输入电压负序判断、锁相环输出及三相线电压角度图；

图4为本发明以电压斜坡启动为例的触发角计算图；

图5为本发明软启动器主电路晶闸管原理图；

图6为本发明以触发角100度为例的晶闸管触发脉冲图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种船用中高压软启动器晶闸管控制方法，首先使用能抵抗较强谐波干扰的双dq变换锁相环技术对电能质量较差的船舶电网进行相位跟踪，获得精确的相位角度，接着使用阶跃函数对反馈偏差处理后计算触发角，使晶闸管的触发角单向、稳定移动，并在每个电周期内更新一次触发角，最后依据线电压触发逻辑，使用高频PWM脉冲对晶闸管进行触发，并对PWM进行同步校准。

图1所示为晶闸管控制流程图。控制器设置一个(一般设为10kHz，可依据处理器的运算能力进行调整)定频率中断，进入中断后完成晶闸管控制，具体控制流程为：

Step1：进入中断，电压电流采样，包括晶闸管输入电压、输出电压、输出电流，然后进入Step2；

Step2：判断相序检测是否完成，如未完成，则继续进行相序检测，退出本次中断，等待下一次进入中断；如已完成相序检测，则进入Step3；

Step3：对晶闸管输入电压进行锁相，使用双dq变换锁相环法，输出角速度w，w乘以时间t得到角度wt，然后进入Step4；

Step4：依据步骤Step3得到的wt，对晶闸管输入电压计算得到输入三相电压Uab、Ubc和Uca的相位，然后进入Step5；

Step5：对进入本中断的次数进行累计加1，然后进入Step6；

Step6：判断进中断次数累加值是否达到一个电周期的次数，例如设置10kHz的中断频率，则一个电周期的次数为10kHz÷50Hz＝200次。如果次数已达到，进入step7，如果次数未达到，则进入step9；

Step7：计算并更新触发角，然后进入Step8；

Step8：将进中断次数累加值清零，然后进入step9；

Step9：将步骤Step4获得的输入三相电压Uab、Ubc和Uca的相位与步骤Step7的触发角比较，比较结果依据触发逻辑设置各晶闸管PWM占空比，退出中断。

图2所示为输入电压正序判断、锁相环输出及三相线电压角度图。当设备主电路三相电源接通后，采集三相线电压输入Uab、Ubc和Uca。检测Uab从正变负的过零点，从该过零点开始，比较60度内Ubc和Uca的大小，如果Ubc>Uca则为正序。相序检测结束后，在下一次重新上电前不再进行相序检测。相序检测结束后，使用双dq变换锁相环技术对三相线电压进行相位追踪，得到wt，wt范围为0-2π，为方便使用，将0-2π转换为0-360度。线电压Uab的相位角AngleAB＝wt+90，线电压Ubc的相位角AngleBC＝AngleAB-120，线电压Uca的相位角AngleCA＝AngleBC-120。若AngleAB、AngleBC、AngleCA的计算结果>360度，则计算结果-360，若AngleAB、AngleBC、AngleCA的计算结果<0度，则计算结果+360。

图3所示为输入电压负序判断、锁相环输出及三相线电压角度图。当设备主电路三相电源接通后，采集三相线电压输入Uab、Ubc和Uca。检测Uab从正变负的过零点，从该过零点开始，比较60度内Ubc和Uca的大小，如果Ubc360度，则计算结果-360，若AngleAB、AngleBC、AngleCA的计算结果<0度，则计算结果+360。

图4所示为以电压斜坡启动为例的触发角计算图。在中高压、船舶应用中，启动平稳、可靠性比启动速度更为重要，因此为避免启动初期的过流和启动后期电压增速过缓，且避免触发角前后往复移动造成电机震荡，采取的措施为：首先使用阶跃函数对给定电压与实际电压的差值进行处理，得到曲线γ,γ＝sgn(给定电压-实际电压)；然后每一电周期对γ进行一次PI计算(PI计算输入偏差阶跃曲线γ，输出移相角度β)，得到曲线β，β＝Kp×γ+Ki×Σγ，若β>120，则β＝120，其中Kp、Ki分别为比例系数和积分系数，Kp、Ki默认取值120÷(期望启动时间(秒)×50)，若要加快启动，可适当增大Kp、Ki，若要启动更平稳些，可适当减小Kp、Ki；最后用最大触发角150度减去β得到触发角α，α＝150-β。

图5为软启动器主电路晶闸管原理图。为方便描述，规定每一相中，晶闸管阳极朝向电源、阴极朝向电机的为正管，反之为反管。晶闸管的触发逻辑为：AngleAB、AngleBC、AngleCA依次与触发角α做比较，当α

图6为以触发角100度为例，按照以上晶闸管触发逻辑和触发方法，绘制的触发脉冲示意图。

使用能抵抗较强谐波干扰的双dq变换锁相环技术代替过零点计时法，对电能质量较差的船舶电网进行相位跟踪，以获得精确的相位角度，为准确触发晶闸管提供必要条件；

触发角计算过程中使用阶跃函数，使晶闸管的触发角单向移动，并每个电周期更新一次触发角，实现启动过程前期平稳、中后期不缓慢，且避免触发角前后往复移动造成电机震荡；

直接使用线电压角度进行触发逻辑判断，避免线电压转相电压造成的精度损失，且使用高频PWM脉冲对晶闸管进行触发，并对PWM进行同步校准，确保晶闸管控制过程最后的触发步骤的可靠、准确。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。