CN116599328A - 晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块、***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶闸管电源均流调节技术，公开了一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块、***和方法。通过实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路上的模拟信号，将采集到的模拟信号转换为对应的数字信号；其中，模拟信号包括电流信号和电压信号；根据转换后的数字信号计算获得每个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值；生成每一个触发角度值对应的触发脉冲；根据每一个触发脉冲对应地调节晶闸管的电流，实现实时在线调节晶闸管电源桥臂均流性能，有效改善和提高离线式均流调节的效率和精度。

Description

晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块、***和方法

技术领域

本发明涉及晶闸管电源均流调节技术，具体而言，涉及一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块、***和方法。

背景技术

随着工业化发展对直流电源的功率需求越来越高，电源输出电流从几十kA到几百kA，为了满足结构简单、大功率输出和高性价比的需求，在大电流整流电源设计中大多采用多个晶闸管并联的结构来满足工业现场对大电流的需要。多个晶闸管并联时，各个并联支路之间的开通时间差异、正向压降的不同、支路阻抗等所产生的分布参数会导致并联的晶闸管支路之间电流分配不均，进而导致在运行过程中部分并联支路的器件长期运行于过高的电流负荷下，而相应的其他并联支路又没有充分利用其器件能力，导致***稳定运行特性受到影响，给设备的长期运行带来不安全性。

影响晶闸管桥臂并联支路均流的各个因素中，支路阻抗起主要作用；从电源结构上很难将多个并联支路设计得完全相同，导致支路阻抗之间存在差异。传统的晶闸管电源桥臂并联均流采取在并联支路中增加电阻片来调节并联支路阻抗的方式，以此改善桥臂多个并联支路的均流性能。这种方式存在的问题一是操作上非常不方便，需要拆卸电源主回路，通过试验来不断地更换，效率低；二是随着时间的变化，电阻片的接触电阻和电阻率变化会导致原有的效果显著降低。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前，多并联桥臂晶闸管均流调节采用手动离线式调节方式，该调解方式效率低且稳定性差。目的在于提供一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块、***和方法，能够实时在线调节晶闸管电源桥臂均流性能，有效改善和提高离线式均流调节的效率和精度。

本发明通过下述技术方案实现：

一方面，提供一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块，包括AD采样单元，用于实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路输出的模拟信号，将采集到的所有模拟信号转换为对应的数字信号，并将转换后的所有数字信号输出给数字处理单元；其中，模拟信号包括电流信号和电压信号；数字处理单元，用于根据接收到的数字信号计算出每一个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值，并将计算得到的所有触发角度值输出给触发脉冲处理单元；触发脉冲处理单元，用于生成每一个触发角度值对应的触发脉冲，并将生成的所有触发脉冲输出给驱动末级板；驱动末级板，用于根据接收到的每一个触发脉冲对应地调节晶闸管的电流，完成晶闸管电源桥臂并联均流。

进一步的，数字处理单元包括瞬时阻抗计算单元，用于根据电流信号和电压信号计算出晶闸管电源桥臂支路上晶闸管的瞬时阻抗值；触发角度计算单元，用于根据计算获得的瞬时阻抗值获取晶闸管电源桥臂支路上晶闸管的触发角度值；循环控制单元，用于根据预设的控制循环周期，控制瞬时阻抗计算单元和触发角度计算单元执行相应的计算处理任务。

进一步的，触发角度计算单元包括电流基准信号生成子单元，用于从采集到的所有电流信号中的挑选出最小的一个，将挑选出的电流信号作为晶闸管电源桥臂并联均流调节的电流基准信号；电压偏差计算子单元，用于根据电流基准信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的电流信号，计算出每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差，根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差获取对应的电压偏差；控制角度值计算子单元，用于根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电压偏差计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值；信号检测子单元，用于判断是否接收到新的用于控制晶闸管的触发角度控制信号；如果接收到新的触发角度信号，则向触发角度值计算子单元发送驱动信号；如果没有接收到新的触发角度信号，则继续等待；触发角度值计算子单元，用于根据接收到的新的触发角度信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值，计算出每一个晶闸管电源桥臂的触发角度值。

进一步的，数字处理单元为DSP处理单元。

另一方面，提供一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的***，包括多个晶闸管电源桥臂支路和上述模块；多个晶闸管电源桥臂支路相互并联，每一个晶闸管电源桥臂支路的信号输出端均连接AD采样单元的信号输入端。

进一步的，晶闸管电源桥臂支路包括晶闸管、霍尔电压传感器和开口式霍尔电流传感器；晶闸管与开口式霍尔电流传感器串联，霍尔电压传感器通过电缆连接在晶闸管的两端，霍尔电压传感器和开口式霍尔电流传感器均通过屏蔽双绞线与AD采样单元连接。

进一步的，晶闸管电源桥臂支路还包括快速熔断器，快速熔断器串联在晶闸管和开口式霍尔电流传感器之间。

再一方面，提供一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的方法，包括以下步骤：

实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路上的模拟信号，将采集到的模拟信号转换为对应的数字信号；其中，模拟信号包括电流信号和电压信号；

根据转换后的数字信号计算获得每个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值；

根据接收到的数字信号计算获得每个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值；

根据接收到的每一个触发脉冲对应地调节晶闸管的电流，完成晶闸管电源桥臂并联均流。

进一步的，获取触发角度值的方法为：S1：计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路的瞬时阻抗值；S2：从采集到的所有电流信号中的挑选出最小的一个，将挑选出的电流信号作为晶闸管电源桥臂并联均流调节的电流基准信号；S3：根据电流基准信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的电流信号，计算出每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差，根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差获取对应的电压偏差；S4：根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电压偏差计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值；S5：判断是否接收到新的用于控制晶闸管的触发角度控制信号；如果接收到新的触发角度信号，则执行S6；如果没有接收到新的触发角度信号，则继续等待；S6：根据接收到的新的触发角度信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值，计算出每一个晶闸管电源桥臂的触发角度值。

进一步的，S1中，瞬时阻抗值的计算公式为；其中，/>表示瞬时阻抗，/>表示电压信号，/>表示电流信号，n表示晶闸管电源桥臂支路的数量；

S4中，控制角度值的计算公式为；其中，/>表示控制角度，U _d 表示三相晶闸管桥式变流器直流输出电压，U ₂ 表示三相晶闸管桥式变流器交流输入电压。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：根据每个晶闸管电源桥臂支路的阻抗不同，通过电压、电流与阻抗的关系，计算出桥臂均流情况下的每个并联晶闸管支路对应的触发角度；最终实现晶闸管电源桥臂均流性能的实时调节，有效改善和提高离线式均流调节的效率和精度。相较于手动离线式调节方式，本发明提供的实时在线调节方式可以在电源运行中根据实际运行状态，实时在线调节桥臂均流，既提高了效率，也实现了均流的实时调整，避免了电源停机以及电源主回路参数变化时给均流调节带来的困难。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的晶闸管电源桥臂并联均流实时调节***的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的晶闸管电源桥臂并联均流实时调节方法的整体流程示意图；

图3为本发明实施例2提供的获取触发角度值的方法流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-AD采样单元，2-数字处理单元，3-触发脉冲处理单元，4-驱动末级板，5-晶闸管电源桥臂支路，51-晶闸管，52-霍尔电压传感器，53-开口式霍尔电流传感器，54-快速熔断器。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

针对目前多并联桥臂晶闸管均流调节采用手动离线式调节方式存在效率低且稳定性差的问题，本实施例提供一种如图1所示的晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的***，该***分为晶闸管电源桥臂并联均流实时调节模块部分和晶闸管电流桥臂部分。晶闸管电源桥臂并联均流实时调节模块由AD采样单元1、数字处理单元2、触发脉冲处理单元3和驱动末级板4组成，晶闸管电流桥臂由多个并联的晶闸管电源桥臂支路5组成。

首先，AD采样单元1实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路5输出的电流信号和电压信号，将采集到的所有电流信号和电压信号量化编码后输出给数字处理单元2。然后，数字处理单元2根据接收到的电流信号和电压信号计算出每一个晶闸管电源桥臂支路5上晶闸管51对应的瞬时阻抗值，并根据每一个晶闸管电源桥臂支路5上电流、电压和瞬时阻抗之间的关系，推导出每一个晶闸管电源桥臂支路5上晶闸管51对应的的触发角度值，并最终将该值输出给触发脉冲处理单元3。接下来，触发脉冲处理单元3根据每一个晶闸管电源桥臂支路5的触发角度值生成对应的触发脉冲，并将生成的所有触发脉冲输出给驱动末级板4。最后，驱动末级板4将输入的触发脉冲信号进行功率放大后输出给对应的晶闸管51的驱动级，实现晶闸管电源桥臂并联均流调节。

以下对数字处理单元2的组成及其工作原理，以及单个晶闸管电源桥臂支路5的结果进行详细说明。

1、数字处理单元

数字处理单元2包括瞬时阻抗计算单元、触发角度计算单元和循环控制单元。

（1）瞬时阻抗计算单元

瞬时阻抗计算单元用于根据电流信号和电压信号计算出晶闸管电源桥臂支路5上晶闸管51的瞬时阻抗值。

（2）触发角度计算单元

触发角度计算单元用于根据计算获得的瞬时阻抗值获取晶闸管电源桥臂支路5上晶闸管51的触发角度值。

具体而言，触发角度计算单元包括电流基准信号生成子单元、电压偏差计算子单元、控制角度值计算子单元、信号检测子单元和触发角度值计算子单元。其中，电流基准信号生成子单元用于从采集到的所有电流信号中的挑选出最小的一个，将挑选出的电流信号作为晶闸管电源桥臂并联均流调节的电流基准信号；电压偏差计算子单元用于根据电流基准信号和每一个晶闸管电源桥臂支路5的电流信号，计算出每一个晶闸管电源桥臂支路5的电流偏差，根据每一个晶闸管电源桥臂支路5的电流偏差获取对应的电压偏差；控制角度值计算子单元用于根据每一个晶闸管电源桥臂支路5的电压偏差计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路5的控制角度值；信号检测子单元用于判断是否接收到新的用于控制晶闸管51的触发角度控制信号；如果接收到新的触发角度信号，则向触发角度值计算子单元发送驱动信号；如果没有接收到新的触发角度信号，则继续等待；触发角度值计算子单元用于根据接收到的新的触发角度信号和每一个晶闸管电源桥臂支路5的控制角度值，计算出每一个晶闸管电源桥臂的触发角度值。

（3）循环控制单元

循环控制单元用于根据预设的控制循环周期，控制瞬时阻抗计算单元和触发角度计算单元执行相应的计算处理任务。本实施例中，预设的控制循环周期为200us。

2、晶闸管电源桥臂支路

晶闸管电源桥臂支路5由晶闸管51、霍尔电压传感器52、开口式霍尔电流传感器53和快速熔断器54组成。其中，霍尔电压传感器52用于实时测量晶闸管51和快速熔断器54的端电压，开口式霍尔电流传感器53用于实时测量晶闸管51和快速熔断器54的电流，霍尔电流传感器和开口式霍尔电流传感器53将测量的电流信号和电压信号通过屏蔽双绞线输出给AD采样单元1。

综上所示，本实施例提供的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的***，根据每个并联支路的阻抗不同，通过电压、电流与阻抗的关系，计算出桥臂均流情况下的每个并联晶闸管支路对应的触发角；最终实现晶闸管电源桥臂均流性能的实时调节，有效改善和提高离线式均流调节的效率和精度。需说明的是，数据处理单元可选用DPS处理器，但不局限于DSP处理器。

实施例2

本实施例提供一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的方法，该方法基于实施例1的***，其整体实时流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：***上电，晶闸管电源桥臂并联均流实时调节模块启动执行。

步骤2：判断***是否可以运行，如果***处于正常运行状态，则执行步骤3；如果***处于测试运行状态或***调试状态，则***不投入工作，继续等待。

步骤3：通过AD采样单元以20kHz的采样率实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路输出的电压信号和电流信号，将采集到的所有电流信号和电压信号量化编码后输出给数字处理单元。

步骤4：通过数字处理单元根据接收到的电流信号和电压信号，计算获得每个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值。

步骤5：根据每个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管的触发角度值，生成对应的触发脉冲。

步骤6：根据每一个触发脉冲对应地调节晶闸管的电流，完成晶闸管电源桥臂并联均流。

如图3所示，步骤4中，获取触发角度值的方法为：

S1：根据每个晶闸管电源桥臂支路的电流信号和电压信号，计算获得对应的瞬时阻抗值。瞬时阻抗值的计算公式为（1）；其中，Z_n表示瞬时阻抗，U_n表示电压信号，I_n表示电流信号，n表示晶闸管电源桥臂支路的数量，n=1,2,…,n’。

S2：从采集到的电流信号，中挑选出最小的一个min{I_n}，将挑选出的电流信号min{I_n}作为晶闸管电源桥臂并联均流调节的电流基准信号。

S3：分别用电流基准信号与每一个晶闸管电源桥臂支路的电流信号做差，计算得到每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差/>，将每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差/>代入公式（1）中，计算得到每一个晶闸管电源桥臂支路对应的电压偏差/>。

S4：将每一个晶闸管电源桥臂支路的电压偏差代入公式/>（2），计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值，U _d 表示三相晶闸管桥式变流器直流输出电压，U ₂ 表示三相晶闸管桥式变流器交流输入电压。

控制角度值的计算公式为（2），需说明的是，公式（2）由三相晶闸管桥式变流器交直流关系可推导得出。

S5：判断是否接收到新的用于控制晶闸管的触发角度控制信号；如果接收到新的触发角度信号，则执行S6；如果没有接收到新的触发角度信号，则继续等待。

S6：根据接收到的新的触发角度信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值，计算出每一个晶闸管电源桥臂的触发角度值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块，其特征在于，包括

AD采样单元（1），用于实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路输出的模拟信号，将采集到的所有模拟信号转换为对应的数字信号，并将转换后的所有数字信号输出给数字处理单元（2）；其中，模拟信号包括电流信号和电压信号；

数字处理单元（2），用于根据接收到的数字信号计算出每一个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值，并将计算得到的所有触发角度值输出给触发脉冲处理单元（3）；

触发脉冲处理单元（3），用于生成每一个触发角度值对应的触发脉冲，并将生成的所有触发脉冲输出给驱动末级板（4）；

驱动末级板（4），用于根据接收到的每一个触发脉冲对应地调节晶闸管的电流，完成晶闸管电源桥臂并联均流调节。

2.根据权利要求1所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块，其特征在于，数字处理单元（2）包括

瞬时阻抗计算单元，用于根据电流信号和电压信号计算出晶闸管电源桥臂支路上晶闸管的瞬时阻抗值；

触发角度计算单元，用于根据计算获得的瞬时阻抗值获取晶闸管电源桥臂支路上晶闸管的触发角度值；

循环控制单元，用于根据预设的控制循环周期，控制瞬时阻抗计算单元和触发角度计算单元执行相应的计算处理任务。

3.根据权利要求2所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块，其特征在于，触发角度计算单元包括

电流基准信号生成子单元，用于从采集到的所有电流信号中的挑选出最小的一个，将挑选出的电流信号作为晶闸管电源桥臂并联均流调节的电流基准信号；

电压偏差计算子单元，用于根据电流基准信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的电流信号，计算出每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差，根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差获取对应的电压偏差；

控制角度值计算子单元，用于根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电压偏差计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值；

信号检测子单元，用于判断是否接收到新的用于控制晶闸管的触发角度控制信号；如果接收到新的触发角度信号，则向触发角度值计算子单元发送驱动信号；如果没有接收到新的触发角度信号，则继续等待；

触发角度值计算子单元，用于根据接收到的新的触发角度信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值，计算出每一个晶闸管电源桥臂的触发角度值。

4.根据权利要求1-3中任一所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的模块，其特征在于，数字处理单元（2）为DSP处理单元。

5.一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的***，其特征在于，包括多个晶闸管电源桥臂支路（5）和如权利要求1或2所述的模块；多个晶闸管电源桥臂支路（5）相互并联，每一个晶闸管电源桥臂支路（5）的信号输出端均连接AD采样单元（1）的信号输入端。

6.根据权利要求5所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的***，其特征在于，晶闸管电源桥臂支路（5）包括晶闸管（51）、霍尔电压传感器（52）和开口式霍尔电流传感器（53）；晶闸管（51）与开口式霍尔电流传感器（53）串联，霍尔电压传感器（52）通过电缆连接在晶闸管（51）的两端，霍尔电压传感器（52）和开口式霍尔电流传感器（53）均通过屏蔽双绞线与AD采样单元（1）连接。

7.根据权利要求6所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的***，其特征在于，晶闸管电源桥臂支路（5）还包括快速熔断器（54），快速熔断器（54）串联在晶闸管（51）和开口式霍尔电流传感器（53）之间。

8.一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时采集每一个晶闸管电源桥臂支路上的模拟信号，将采集到的模拟信号转换为对应的数字信号；其中，模拟信号包括电流信号和电压信号；

根据转换后的数字信号计算获得每个晶闸管电源桥臂支路上晶闸管对应的触发角度值；

生成每一个触发角度值对应的触发脉冲；

根据每一个触发脉冲对应地调节晶闸管的电流，完成晶闸管电源桥臂并联均流调节。

9.根据权利要求8所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的方法，其特征在于，获取触发角度值的方法为：

S1：根据每个晶闸管电源桥臂支路的电流信号和电压信号，计算获得对应的瞬时阻抗值；

S2：从采集到的所有电流信号中的挑选出最小的一个，将挑选出的电流信号作为晶闸管电源桥臂并联均流调节的电流基准信号；

S3：根据电流基准信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的电流信号，计算出每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差，根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电流偏差获取对应的电压偏差；

S4：根据每一个晶闸管电源桥臂支路的电压偏差计算获得每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值；

S5：判断是否接收到新的用于控制晶闸管的触发角度控制信号；如果接收到新的触发角度信号，则执行S6；如果没有接收到新的触发角度信号，则继续等待；

S6：根据接收到的新的触发角度信号和每一个晶闸管电源桥臂支路的控制角度值，计算出每一个晶闸管电源桥臂的触发角度值。

10.根据权利要求9所述的一种晶闸管电源桥臂并联均流实时调节的方法，其特征在于，

S1中，瞬时阻抗值的计算公式为；其中，/>表示瞬时阻抗，/>表示电压信号，/>表示电流信号，n表示晶闸管电源桥臂支路的数量；

S4中，控制角度值的计算公式为；其中，/>表示控制角度，U _d 表示三相晶闸管桥式变流器直流输出电压，U ₂ 表示三相晶闸管桥式变流器交流输入电压。