一种基于三相软件锁相环的晶闸管固定相位触发方法及系统

本发明涉及电气工程领域，具体涉及一种基于三相软件锁相环的晶闸管固定相位触发方法及系统。

背景技术：

1、晶闸管（thyristor），是晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器（简称可控硅），是一种重要的电力电子器件，可用于实现交流电的整流和逆变。

2、电力电子技术课程是大部分高校电气工程及其自动化专业、自动化的专业必修课，其配套实验中至少有两个以上是关于晶闸管整流或逆变电路、交流调压电路控制的相关内容，在每个实验中均需要记录几个指定触发控制角对应的输出电压和电流波形。

3、传统的晶闸管触发方式主要采用移相触发和过零触发。其中，过零触发是指当加入触发信号，晶闸管在交流负载电压为零或接近为零时，晶闸管才导通；当断开触发信号，晶闸管要等到交流负载电压为零或接近为零时，晶闸管才断开。移相触发即通过控制晶闸管的触发控制角来控制晶闸管的导通量，从而改变负载上所加的功率。

4、对于移相触发方式，目前常采用模拟电路实现，其通过电位器给定触发控制角，仅显示电位器给定电压，不显示对应的触发控制角，无法精确指定触发角进行控制，影响学生实验效果。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种基于三相软件锁相环的晶闸管固定相位触发方法及系统，用于提高控制精度。

2、第一方面，本发明的技术方案提供一种基于三相软件锁相环的晶闸管固定相位触发方法，方法基于单片机，单片机内有第一定时器、第二定时器、第三定时器和第四定时器，第二定时器为自由运行定时器，第一定时器、第二定时器、第三定时器和第四定时器采用同样的定时器输入时钟；

3、方法包括：

4、单片机实时采集外界通过按键输入单元输入的受控晶闸管的触发控制角度；

5、方法还包括：

6、第一定时器以为周期进行定时中断，单片机以所述为采样周期，在每一个工频周期内：

7、第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序后，单片机读取第二定时器的计数值保存于变量，并基于三相软件锁相环技术计算预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，之后读取第二定时器的计数值并保存于变量，并基于变量和变量的当前保存值以及最新采集到的触发控制角度计算所述电网电压相位到达下一个工频周期中对应触发时刻需要的第三定时器的计时数量m，之后将第三定时器中比较寄存器的值设置为第三定时器的当前计数值与m之和q；其中，的计算公式为，为单片机的工频周期，n为单片机在每个工频周期内的采样次数；

8、第三定时器在其计数值达到其内比较寄存器的值q后产生中断，此中断过程中，单片机按照预先设置好的受控晶闸管的触发次序，控制第一个受控晶闸管的触发电路产生晶闸管触发脉冲，触发第一个受控晶闸管，并且将第四定时器的比较寄存器的值设置为q1；q1为第四定时器的当前计数值与t0的和，t0代表相邻触发受控晶闸管的触发脉冲之间的时间相隔；

9、第四定时器每次在其计数值达到其比较寄存器的值q1的最新取值后产生中断，直至第四定时器的比较寄存器的值q1的取值不再更新；单片机每次在第四定时器进入中断程序后，按所述触发次序，控制下一个受控晶闸管的触发电路产生晶闸管触发脉冲，触发所述下一个受控晶闸管，之后更新第四定时器的比较寄存器的值q1的取值延后t0，直至完成所有受控晶闸管的触发。

10、进一步地，单片机采用16位以上单片机。

11、进一步地，受控晶闸管所在电路包括但不限于三相全控桥整流电路、三相半波可控整流电路、单相全控桥整流电路、单相全波可控整流电路中的任意一种。

12、进一步地，受控晶闸管所在电路为三相晶闸管电路时，所述m的计算公式为：

13、，

14、式中，为基于三相软件锁相环技术计算出的预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，为最新采集到的触发控制角度，代表单片机在第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序读取到第二定时器的计数值保存于变量以及基于三相软件锁相环技术计算出预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位后再次读取到的第二定时器的计数值，代表第一定时器进入预先设定采样周期对应的中断程序时读取到第二定时器的计数值；为单片机的工频周期，t2为单片机的定时器输入时钟周期。

15、进一步地，受控晶闸管所在电路为三相半波可控整流电路，受控晶闸管的数量为三个。

16、进一步地，在受控晶闸管所在电路为单相晶闸管电路时，上述m的计算公式为：

17、，

18、式中，为基于三相软件锁相环技术计算出的预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，为最新采集到的触发控制角度，代表单片机在第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序读取到第二定时器的计数值保存于变量以及基于三相软件锁相环技术计算出预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位后再次读取到的第二定时器的计数值，代表第一定时器进入预先设定采样周期对应的中断程序时读取到第二定时器的计数值；为单片机的工频周期，t2为单片机的定时器输入时钟周期。

19、进一步地，第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序后，单片机读取第二定时器的计数值保存于变量，并基于三相软件锁相环技术计算预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，之后读取第二定时器的计数值并保存于变量，并基于变量和变量的当前保存值以及最新采集到的触发控制角度计算所述电网电压相位到达下一个工频周期中对应触发时刻需要的第三定时器的计时数量m，之后将第三定时器中比较寄存器的值设置为第三定时器的当前计数值与m之和q，包括：

20、第一定时器每一次进入中断程序后，单片机分别采样受控晶闸管所在电路的三相交流电源电压，并读取第一定时器进入中断程序时第二定时器的当前计数值作为对应采样周期的采样时刻保存于变量，并对采样得到的每一个三相交流电源电压，基于三相软件锁相环技术，计算对应采样时刻的电网电压相位，其中，单片机在第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序读取到第二定时器的计数值保存于变量以及基于三相软件锁相环技术计算出预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位后，再次读取第二定时器的计数值并保存于变量，并基于变量和变量的最新保存值以及最新采集到的触发控制角度计算所述电网电压相位到达下一个工频周期中对应触发时刻需要的第三定时器的计时数量m，之后将第三定时器中比较寄存器的值设置为第三定时器的当前计数值与m之和q；其中，电网电压相位为基于三相软件锁相环技术计算出的预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，k代表第k+1个采样周期，代表基于三相软件锁相环技术计算的第k+1个采样周期下的采样时刻对应的电网电压相位，k=0,1,2,...,n-1；

21、对采样得到的每一个三相交流电源电压，基于三相软件锁相环技术，计算对应采样时刻的电网电压相位，包括：

22、步骤1、实时对采样得到的每一个三相交流电源电压进行模数转换，对应得到每一个三相交流电源电压对应的三相交流电压数字信号、、；、、为第k+1个采样周期采样得到的三相交流电源电压的a、b、c三相电压模数转换后的三相交流电压；

23、步骤2、对所述三相交流电压数字信号、、进行三相-两相变换，得到两相静止坐标系下的两相交流电压信号、，其中为方向上的电压，为β方向上的电压；

24、步骤3、对两相交流电压信号、进行静止两相-旋转坐标正交变换，得到旋转坐标系下的两相直流电压信号：

25、，

26、其中、为静止两相-旋转坐标正交变换后，d轴与q轴上的电压，，代表第k+1个采样周期下的采样时刻对应的电网电压相位，代表第k个采样周期下的采样时刻对应的电网电压相位，k=0,1,2,...,n-1，代表单片机的采样周期，ω为电网参考角频率；

27、步骤4、令所述两相直流电压信号、中的任意一个坐标轴的直流信号输入pi调节器的输入，通过pi调节器计算输出电网参考角频率ω，形成闭合负反馈环路，实现三相软件锁相环锁相功能，输出当前采样时刻对应的电网电压相位， k=0,1,2,...,n-1。

28、第二方面，本发明还提供一种基于三相软件锁相环的晶闸管固定相位触发系统，系统包括单片机、受控晶闸管以及受控晶闸管所在电路，每个受控晶闸管配设一个触发电路；单片机内有第一定时器、第二定时器、第三定时器和第四定时器，第二定时器为自由运行定时器，第一定时器、第二定时器、第三定时器和第四定时器采用同样的定时器输入时钟；第一定时器以为周期进行定时中断，单片机以所述为采样周期，其中，的计算公式为，为单片机的工频周期，n为单片机在每个工频周期内的采样次数；单片机包括：

29、第一单元，用于实时采集外界通过按键输入单元输入的受控晶闸管的触发控制角度；

30、第二单元，用于在每一个工频周期内，第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序后，单片机读取第二定时器的计数值保存于变量，并基于三相软件锁相环技术计算预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，之后读取第二定时器的计数值并保存于变量，并基于变量和变量的当前保存值以及最新采集到的触发控制角度计算所述电网电压相位到达下一个工频周期中对应触发时刻需要的第三定时器的计时数量m，之后将第三定时器中比较寄存器的值设置为第三定时器的当前计数值与m之和q；

31、第三单元，用于控制第三定时器在其计数值达到其内比较寄存器的值q后产生中断；

32、第四单元，用于在第三单元产生中断的过程中，按照预先设置好的受控晶闸管的触发次序，控制第一个受控晶闸管的触发电路产生晶闸管触发脉冲，触发第一个受控晶闸管，并且将第四定时器的比较寄存器的值设置为q1；q1为第四定时器的当前计数值与t0的和，t0代表相邻触发受控晶闸管的触发脉冲之间的时间相隔；

33、第五单元，用于控制第四定时器每次在其计数值达到其比较寄存器的值q1的最新取值后产生中断，直至第四定时器的比较寄存器的值q1的取值不再更新；

34、第六单元，用于每次在第四定时器进入中断程序后，按所述触发次序，控制下一个受控晶闸管的触发电路产生晶闸管触发脉冲，触发所述下一个受控晶闸管，之后更新第四定时器的比较寄存器的值q1的取值延后t0，直至完成所有受控晶闸管的触发。

35、进一步地，系统还包括按键输入单元；

36、按键输入单元包括数字键盘和显示模块；

37、数字键盘与单片机相连，用于输入受控晶闸管的触发控制角度；

38、显示模块与单片机相连，用于显示数字键盘输入的触发控制角度。

39、进一步地，第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序后，单片机读取第二定时器的计数值保存于变量，并基于三相软件锁相环技术计算预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，之后读取第二定时器的计数值并保存于变量，并基于变量和变量的当前保存值以及最新采集到的触发控制角度计算所述电网电压相位到达下一个工频周期中对应触发时刻需要的第三定时器的计时数量m，之后将第三定时器中比较寄存器的值设置为第三定时器的当前计数值与m之和q，包括：

40、第一定时器每一次进入中断程序后，单片机分别采样受控晶闸管所在电路的三相交流电源电压，并读取第一定时器进入中断程序时第二定时器的当前计数值作为对应采样周期的采样时刻保存于变量，并对采样得到的每一个三相交流电源电压，基于三相软件锁相环技术，计算对应采样时刻的电网电压相位，其中，单片机在第一定时器进入到预先设定采样周期对应的中断程序读取到第二定时器的计数值保存于变量以及基于三相软件锁相环技术计算出预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位后，再次读取第二定时器的计数值并保存于变量，并基于变量和变量的最新保存值以及最新采集到的触发控制角度计算所述电网电压相位到达下一个工频周期中对应触发时刻需要的第三定时器的计时数量m，之后将第三定时器中比较寄存器的值设置为第三定时器的当前计数值与m之和q；其中，电网电压相位为基于三相软件锁相环技术计算出的预先设定采样周期下的采样时刻所对应的电网电压相位，k代表第k+1个采样周期，代表基于三相软件锁相环技术计算的第k+1个采样周期下的采样时刻对应的电网电压相位，k=0,1,2,...,n-1；

41、对采样得到的每一个三相交流电源电压，基于三相软件锁相环技术，计算对应采样时刻的电网电压相位，包括：

42、步骤1、实时对采样得到的每一个三相交流电源电压进行模数转换，对应得到每一个三相交流电源电压对应的三相交流电压数字信号、、；、、为第k+1个采样周期采样得到的三相交流电源电压的a、b、c三相电压模数转换后的三相交流电压；

43、步骤2、对所述三相交流电压数字信号、、进行三相-两相变换，得到两相静止坐标系下的两相交流电压信号、，其中为方向上的电压，为β方向上的电压；

44、步骤3、对两相交流电压信号、进行静止两相-旋转坐标正交变换，得到旋转坐标系下的两相直流电压信号：

45、，

46、其中、为静止两相-旋转坐标正交变换后，d轴与q轴上的电压，，代表第k+1个采样周期下的采样时刻对应的电网电压相位，代表第k个采样周期下的采样时刻对应的电网电压相位，k=0,1,2,...,n-1，代表单片机的采样周期，ω为电网参考角频率；

47、步骤4、令所述两相直流电压信号、中的任意一个坐标轴的直流信号输入pi调节器的输入，通过pi调节器计算输出电网参考角频率ω，形成闭合负反馈环路，实现三相软件锁相环锁相功能，输出当前采样时刻对应的电网电压相位， k=0,1,2,...,n-1。

48、本发明提供相对于现有技术，具有以下有益效果：

49、本发明支持通过按键输入受控晶闸管的触发控制角度，避免了现有技术通过电位器给定触发控制角，有助于学生精确指定触发角，继而一定程度上有助于提高学生实验效果。

50、本发明有助于使用同一套硬件，仅通过更改软件，即实现不同晶闸管控制电路（比如三相全控晶闸管桥式电路、三相半波可控整流电路、单相全控桥式整流电路等）的晶闸管触发实验方案。

51、本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。