1.1
研究课题的目的和意义
晶闸管类电力电子变流系统是冶金、化工、有色金属加工以及牵引动力行业必不可
少的供电设备。目前国内比较常用的方案为以变压器直接降压、晶闸管整流或交流调压
获得直流或交流，这种对工频整流或调压的方案，在使用中会并联较多的电力电子器件，
系统庞大，其晶闸管的触发与闭环控制多用数块控制板，存在分散性大，安装不太方便，
不便于集成，同时抗干扰性能差，现场调试整定困难等不足。
随着我国电力电子技术的飞速发展，国家把淘汰低效高耗能产业列入了国民经济的
发展战略，要求直流电力电子变流设备的输出电流越来越大，对触发与调节控制性能的
要求越来越高，急需对这类电力电子变流设备的触发与调节控制方法进行改进。
本论文的选题正是针对国内这一急需，基于先进控制器件和微型计算机控制技术，
研究一种晶闸管类电力电子变流系统智能控制模块的优化拓扑结构，以满足数字化触发，
触发脉冲对称性好，对同步信号的适应性好，数字化闭环调节，且闭环调节器参数可通
过面板自带的液晶屏来设定，达到使用方便，现场调试工作量小，运行效果好，调整控
制方便等优良效果。
1.2
智能控制模块国内外现状与发展
晶闸管触发器是晶闸管变流系统装置中的重要组成部分
,
其性能的好坏直接影响变
流装置的控制性能。随着电力电子技术及微电子技术的发展，各种触发器应运而生，目
前国内外得到广泛应用的按照发展进程可以分为三大类：分立式晶闸管触发电路、集成
化晶闸管移相触发电路和数字化晶闸管移相触发电路，其中数字化晶闸管触发电路的核
心处理器又分别包括微机和 CPLD 等高性能器件。
（1）分立式晶闸管触发电路
该种触发电路主要由分立元件组成，种类很多，例如阻容移相桥触发电路、单结晶
体管触发电路、同步信号为正弦波以及同步信号为锯齿波的触发电路。这些电路都有各
自的特点和适用范围，但其基本结构模块可以分为
5 个环节：同步环节、移相环节、脉冲形成环节、脉冲放大与隔离环节、以及脉冲整形和强触发环节。由于环节较多，各种元器件参数分散，同步电压波形容易畸变以及触发脉冲不对称等诸多原因，该触发电路已明显跟不上时代发展，不能满足市场需求
2）集成化晶闸管移相触发电路
针对分立器件构成的晶闸管触发器可靠性差，系统结构及配线复杂，使用起来不方便等各种缺点，一些电力电子强国比如美国、日本等国家研发出各种模拟集成触发器，
这种集成触发器将同步信号、脉冲移相、脉冲形成等触发电路的几个主要环节集成在一
个模块内，外部引出电源、同步信号、控制信号等引脚。使用时加上必要的辅助电路，
即可得到所需触发脉冲。集成化晶闸管触发电路具有体积小、功耗小、性能稳定可靠、
使用方便等优点，目前已得到广泛应用。国产 KC 系列晶闸管触发器已有 10 余种产品，
可适用于各种相控变流技术电路的移相控制。比如：KC01、KC10、KC11 为单脉冲移相触发器，主要用于半波和桥式半控整流电路；KC04、KC09 为双路脉冲触发器，主要用于桥式全控整流电路；KC05、KC06 主要用于交流相位控制；KC41 为六路双脉冲形成器，用于构成三相桥式全控整流电路的双窄脉冲触发电路；KC42 为脉冲列调制形成器，用作脉冲列调制源。上述的这些器件可根据实际要求组合使用，构成各种触发器，现在已形成 KCZ 系列组件，使用更为方便。
这些分立元件及集成触发电路都属于模拟电路，它们的结构比较简单，也较为可靠，
但存在着共同缺点，即采用控制电压和同步电压叠加的移相方法。由于元件参数的分散
性以及同步电压波形易发生畸变等各种原因，会导致各个触发器的移相特性不一致。另
外，此类电路还会受到电网电压的影响，例如，当同步电压不对称度为plusmn;1°时 ，输出
脉冲的不对称度会达到 3~5°，这会导致整流输出谐波电压增大，并使电网电压出现畸
变，三相电压中性点偏移。这种影响对于数字式移相触发电路输出触发脉冲的不对称度
仅为plusmn;1.5°，控制精度可以提高 2~3 倍，因而可使上述影响大为减轻。
（3）数字化晶闸管移相触发电路
近十年来，随着微机的广泛应用，用微机组成的数字触发电路由于简单、可靠、控制灵活、准确而得到广泛应用。国内普遍应用 51 系列单片机组成数字触发电路。微机在完成其他任务的同时，根据所要求的控制角确定产生触发脉冲的时刻，并输出触发信息加到对应的晶闸管控制极，基本工作原理：以交流同步电压过零点作为计时的开始，alpha; 角的大小由 uk来确定，当计数至触发角 alpha; 对应的数值时，微机就发出触发信息，经输出脉冲放大、隔离电路送至对应的晶闸管。对应全控整流电路，要求在每一电源周期产生 6 对触发脉冲，不断循环。此类装置的控制精度高和相位控制更加精确，但是单片机是靠执行指令来完成各种
功能，不论多高的工作时钟频率或多么好的指令时序，其排队式串行指令执行方式使得工作速度和效率大打折扣。动态性能较差，存在相位抖动，且受到干扰后容易丢失触发脉冲使电路失控给主电路造成不良后果。
4）CPLD 实现的数字触发器
复杂可编程逻辑器件( CPLD) 的出现，改变了数字电路的设计方法、增强了设计的灵活性和规模性。由于 CPLD 器件输入引脚的箝位电平和输出引脚的原始电平可预先设定，开机后立即就能达到预定电平，状态明确。各逻辑宏单元或逻辑块的输入信号仅需几纳秒至几十纳秒就反映到输出端，信号传输效率很高，适合高速采样等场合，从而出现了基于 CPLD 的数字触发电路，将控制逻辑、同步逻辑、计数比较、系统保护、双窄脉冲及高频触发脉冲形成等单元全部集成在一个 CPLD 芯片上，来实现晶闸管的数字控制
由 CPLD 构成的数字控制器，产生的触发脉冲稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，还可实现相序自适应，缺相保护。但在信息处理、逻辑分析、决策判断等智能方面比不上单片机，很难完成像 PID 调节这样的控制，也难以实现数据的实时显示和参数的可视调整。晶闸管类电力电子变流设备是当今国内外装机容量较大的电力电子变流设备，也是我国每年生产电力电子变流设备中装机总功率容量最多的设备。晶闸管移相触发器集成电路的设计是晶闸管的控制技术核心之一，晶闸管的移相触发器电路已从 20 世纪 80 年代之前的分立器件模拟期，经过 20 世纪 80 年代的模拟数字集成混合期，至今已完成了大规模集成电路化和向全数字化转变。随着社会发展和电力电子技术的日益更新，变流系统智能控模块必然会向着高性能化、智能化、数字化方向发展。
晶闸管变流系统是当今社会在工业中使用非常广泛的电源系统。其主要特点主要体
现在以下几点；
（1）使用环境恶劣。晶闸管类电力电子变流控制系统多应用在炼化厂、锅炉厂或变
电所，这些场所不仅具有较多灰尘和腐蚀性气体，更可怕的是还具有大电流、高电压和
强磁场等极其恶劣的环境，对电子设备来说影响十分严重。
（2）对触发电路的要求非常严格。众所周知，晶闸管类电力电子变流系统控制板不
仅对控制精度要求非常高，而且触发脉冲还要有很好的实时性和对称度以及很强的稳定
性和可靠性。
（3）调试困难。近年代晶闸管类电力电子变流系统大多使用太多模拟式硬件电路，
电子元器件繁多复杂，集成度低，波形对称度差，最终给调试带来很大困难。
（4）抗干扰能力差。正是由于使用环境比较恶劣，电子元器件使用繁多，所以元器
件易老化、抗干扰能力差。
本智能控制模块的控制对象是晶闸管类电力电子变流系统装置，而目前国内工业上使用最多的大电流晶闸管类电力电子变流装置主要有两种基本拓扑结构：一是以三相桥式为基本单元的连接方式；二是以双反星形为基本单元的连接方式。具体选择哪种连接方式一般是按直流电压的高低来决定的，当需求直流电压高于 200V 时选用以三相桥式为基本单元的接线方式，当需求直流电压低于 200V 时选用以双反星形为基本单元的接线方式，根据功率大小可以将基本单元按照同相逆并联的方式连接起来。同相逆并联方式是利用相同相位但极性相反的两组变流装置并联，这样通过导体产生的磁感应会相互抵消，减少了母排的互感，最终减少了母排的交流阻抗以及电磁场的干扰，得到安全正确的变流效果和提高设备运行效率的目的。下面简要介绍构成同相逆并联的三相桥式和双反星形这两种基本电路拓扑结构。
三相桥式全控整流
三相桥式全控整流电路主电路结构如图 2-1 所示。6 个晶闸管接成三相桥，其中 3个晶闸管共阴极连接，另 3 个晶闸管共阳极连接。电路中必须有 1 个共阳极组中的晶闸管和 1 个共阴极组中的晶闸管同时导通才能形成电流通路。由于两个导通的晶闸管连接是两个不同的相电压，所以负载电压是由线电压组成，在分析电路的工作过程中，也应该以线电压作为背景。晶闸管的触发导通顺序是 VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1。桥式电路也存在着“自然换相点”，即为线电压的交点，如果相电压有效值为 U，则线电压 6 sinabU Ut ，则自然换相点在 pi;/3、2pi;/3、pi;、4pi;/3、5pi;/3、2pi; 处
其工作过程如下：在 omega;t=pi;/3 alpha; 时给 VT1发出触发脉冲，假如此时电路已进入稳定的工作状态，则按照晶闸管的触发导通顺序，在此之前电路中 VT5、VT6已被触发导通，VT6的导通使得 VT1承受电源线电压 uab，且此时 uab gt;0，使 VT1具备触发导通条件，给VT1一定强度的触发脉冲后则其转入导通状态。VT1的导通又使 a 相电压直接与 VT5阴极相连使其承受反向电压 uca，VT5受到反压而关断即 VT1、VT5完成换相工作。换相后电路中 VT1、VT6处于导通状态，负载电压 ud=uab，这一状态持续时间约 3.33ms 即 pi;/3。在 omega;t=2pi;/3 alpha; 时触发 VT2，此时 VT2正承受正向电压 ucb（在 omega;t=2pi;/3 时刻后 ucb gt;0），具备触发导通条件，VT2得到触发脉冲后即转入导通状态，VT2的导通使 VT6承受反向电压 ucd 而关断此后电路中 VT1、VT2处于导通状态，负载电压 ud = uac。再经过 pi;/3，到omega;t=pi; alpha; 时发 VT3VT3和 VT1换相，电路中 VT3、VT2处于导通状态，负载电压 ud=ubc。按照以上规律每间隔 pi;/3 电路换相一次，在一个电源周期中共换相 6 次，晶闸管的导通编号和次序为：1,6→1,2→2,3→3,4→4,5→5,6，负载电压分别为 uab、uac、ubc、uba、uca、ucb。在纯电阻负载的情况下，alpha;=30°时的负载电压波形如图 2-2 所示。
根据图 2-2 可以求出 alpha;lt;60°时负载电压与控制角 alpha; 的关系为：
当带纯电阻负载且 alpha;gt;60°时，负载电压与控制角 alpha; 的关系为：
双反星形可控整流电路如图 2-3 所示，整流变压器的二次侧每相有两个匝数相同极性相反的绕组，分别接成两组三相半波电路，即 a、b、c 一组，arsquo;、brsquo;、crsquo;另一组[28]，中间连接的平波电抗器是双反星整流电路六相半波整流的主要区别，也是理解和掌握双反星电路原理的关键。正是由于平波电抗器的存在，两组三相半波才能同时工作
其工作过程如下：每一个晶闸管导通 120°，触发导通顺序和三相桥式全控整流相 同，即 VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，当控制角 alpha;=0°时得到如图 2-4 所示电压和电流波形。
通过对三相桥式和双反星形两种电路工作原理的分析可以得出：自然换相点都是相电压的交点，对触发脉冲的次序、相位以及最大移相范围的要求基本相同，为研究智能控制模块的通用性提供了理论上的可能性。
晶闸管类变流系统的特点和工作原理决定了智能控制模块必须达到一定的要求，才能让电力电子变流装置安全、可靠、有序的工作。具体要求主要体现在触发脉冲、相序自适应、控制角分辨率以及相关保护等几个方面。
晶闸管从截止状态转换到导通状态必须同时具备两个条件，第一：阳极和阴极间加有正向电压，第二：门极有功率足够的正向触发脉冲。对触发脉冲要求有以下几点[24]：
（1）触发脉冲应有足够大的功率。由于晶闸管元件门极参数分散性及其触发电压、电流随温度变化的特性，为使晶闸管可靠触发，触发电压和电流必须大于晶闸管产品参数表中所提供的门极触发电压值和触发电流值，即必须保证具有足够大的触发功率，但不允许超过门极的电压、电流和功率定额，以避免损坏晶闸管的门极。
（2）触发脉冲应有足够的宽度，且前沿要陡。为使被触发的晶闸管能保持在导通状态，晶闸管的阳极电流必须在触发脉冲消失前达到或超过擎住电流，因此要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄，特别是当负载为感性负载时，由于其中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲。对感性和反电动势负载的变流应采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的启动、带平衡电抗器的双反星形电路的触发脉冲应宽于 30°，三相全控桥式电路应采用宽于 60°的单脉冲或相隔 60°的双窄脉冲。
（3）触发脉冲必须与晶闸管的阳阴极电压同步，并有足够的移相范围。为使晶闸管在每个周
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