一种智能电力调功器及其功率均匀分配方法

专利名称：一种智能电力调功器及其功率均匀分配方法
技术领域：
本发明涉及一种网络型电力控制设备，尤其是一种用于机械、化工、热处理等行业 电加热设备温度控制的智能电力调功器及其功率均勻分配方法。
背景技术：
在使用电力作为加热设备能源进行温度控制的各种设备中，最常用的是利用晶闸 管作为电力控制器件的调功器或调功装置。电力调功的形式是多样的，目前常用的方式有(1)时间比例触发控制这种方式 虽然触发电路相对简单，但控制精度低，温度超调大，另外也是一些生产工艺所不允许的； (2)基准电压比较的移相触发控制这种方式虽然控制精度较第一种有所提高，但其应用场 所却大大受限，特别是大功率的加热系统一般是不采用这种触发控制方式的，原因是导通 角在正弦波形士90°附近时，一方面会产生极 大的浪涌电流，这种浪涌电流不但对加热设 备的安全造成危害，同时会产生很大的电磁噪声，另一方面所产生的严重的波形畸变会对 电力系统和其他的用电设备造成严重的干扰，影响设备的稳定运行；(3)周波控制这种方 式将控制信号转换为控制周期内通过的波形数并进行均勻分配，具有精度高，无高频干扰， 不会对电网产生污染等优点，但缺点是需要列表计算和分配输出波形，计算量大。上述控制方式中，电力调功器与控制器之间大部分是一对一的控制方式，不能进 行大规模生产下的集群控制，需要的控制器多且造价高，不易实现集中信息的管理。目前采 用PLC控制多台电力调功器的方式，虽然解决了集群控制问题，但由于普通PLC自身计算功 能有限，控制精度低，集中数据管理仍很困难。随着计算机控制技术的发展，基于工控机的 网络型控制系统已经普遍应用于电力加热的温控系统中，但目前具备网络通讯功能的电力 调功器还较少。针对上述情况，中国专利号01256969. 0公开了名称为“一种应用于加热设备的温 度控制系统的晶闸管调功器”的电力调功器，以微处理器为中心控制部件，外部连接输入设 备和输出设备，输入设备包括信号采集电路，报警采集电路，信号分析电路，输出设备包括 晶闸管触发电路、各种报警信号触发电路，其特征在于微处理器还联结有由串行通讯模块、 光电耦合器、非门、电阻构成的在微处理器控制下实现通讯数据发送与接收的通讯端口。该 通讯方式虽然线路简单，实现方便，但是却存在速度低、通讯距离短、可以挂接的设备少等 不足。另外，在一些用电加热的系统中，加热元件(电炉丝、硅碳棒、硅钼棒等)本身和炉 壁之间的绝缘材料，会随着炉温的急剧变化而影响其使用寿命和降低绝缘强度，或者因加 热元件的断裂或膨胀、反应釜金属层的氧化脱落等，经常造成短路，极易损坏电力控制元件 (比如晶闸管、IGBT元件等)，给具有这种工况环境的控制带来巨大的困难，直接影响着系统 运行的稳定性和安全性。

发明内容
本发明的目的是克服现有电力调功器的各种不足，提供一种基于Internet网络 环境的智能电力调功器，另外提供一种实现功率均勻分配的方法。为实现上述目的，本发明提供的智能电力调功器的技术方案如下一种智能电力 调功器，包括微处理器及与其相连的输入和输出设备，所述输入设备包括输入端口上连接 的用于与智能仪表相连的模拟输入接口电路，用于与上位机双向连通的通讯接口模块，还 包括相位同步检测电路；输出设备包括晶间管模块及其驱动模块，调功器内还设有控制方 式选择拨码开关，所述通讯接口模块包括以太网控制器和物理层接口及光纤通讯接口，所 述微处理器还连接有负载电流检测和过载及短路保护模块。 所述通讯接口模块的通讯方式为基于TCP/IP协议的Internet网络，通讯端口为 标准的RJ45并行通讯接口。所述输出设备还包括状态指示模块。所述晶闸管的一控制输出端还通过散热器温度检测模块与微处理器连接。所述模拟输入接口电路由滤波与I/V转换、电平迁移及A/D转换电路顺次连接构 成。本发明提供的调功器均勻分配方法的技术方案如下一种调功器的功率均勻分配 方法，该方法的步骤如下
(1)根据控制精度要求，设定控制周期；
(2)接受上位机或智能仪表的调功功率要求，设定每个控制周期内的供电整波个数A；
(3)从每个控制周期的起始周波起算，依次计算每个周波的值，若该
值大于一个控制周期所拥有的周波数的一半，则在下一个周波触发晶闸管，给负载供电，若 该值等于或小于一个控制周期所拥有的周波数的一半，则关断晶闸管，如此循环直至该控 制周期结束；
上式中，i为每个控制周期内的供电整波个数；
coimter为已经输出的包括有功输出和无功输出的总周波数；
ι'为已经输出的有功整波个数； Nm为一个控制周期所拥有的周波数；
(4)根据同步脉冲，监测该控制周期是否结束，若结束，则转到步骤(2)执行，开始新一 个调功控制周期。本发明的智能通讯电力调功器结构紧凑，系统成本低、控制精度高，可以与上位机 联网组成集群控制系统，也可以与智能仪表结合组成一对一的控制单元；采用并行光纤通 讯接口与上位机进行数字通信，在Internet环境下进行网络控制，通讯距离远，可靠性高， 可以挂接的设备数量不受限制。另外，状态指示电路的设计使系统操作更为直观方便；散热器温度检测电路、电流 过载与短路保护电路的设计使系统的工作更为安全稳定，避免了电力控制元件的损坏，特 别适合于容易发生过载和短路现象或工作环境恶劣的温度控制场合。
本发明调功器功率均勻分配方法利用上位机或智能仪表给定的控制参数和指定 的周期对晶闸管进行控制，与时间比例触发控制方式相比，控制精度相对较高，温度超调 小；同时该方法利用过零触发避免了基准电压比较移相触发控制方式所带来的弊端。该方 法使得分配给加热元件的功率始终是均勻的，实现了软启动和软关断，避免了加热设备的 突然启动和关断对电网的干扰，延长了加热元件的使用寿命，也可以提高控制精度。


图1是本发明的总体结构示意框图； 图2是晶闸管模块示意图；
图3是散热器温度检测模块工作原理图4是负载电流检测、过载及短路保护模块工作原理图5是晶闸管驱动模块工作原理图6是三相交流电源相位同步检测电路原理图7是模拟输入接口电路原理图8是以太网控制器工作原理框图9是通讯接口模块原理图。
具体实施例方式下面结合具体的实施方式对本发明做进一步介绍
如图1所示为本发明智能电力调功器的总体结构示意图，以微处理器模块为核心，第 一路输入为与智能仪表相连的模拟输入接口电路。第二路输入为相位同步检测电路，所获 得的三相交流电源过零脉冲信号输入至微处理器，作为控制输出的同步信号。第三路输入 为散热器温度检测模块，所获得的温度超限开关信号，输入至微处理器作为散热器过热的 状态信号，可以作为封锁控制输出的依据之一。第四路输入为负载电流检测、过载及短路保 护模块所获得负载电流模拟信号，经处理后转换为是否过载或短路的开关量信号输入至微 处理器，作为是否封锁控制输出的依据之一。系统的第一路输出信号为晶闸管驱动模块的 控制输出信号。第二路输出为系统运行状态指示，通过LED指示灯显示散热器是否过热、负 载电流是否过载或是否发生短路、系统运行是否正常等。通讯接口模块为基于TCP/IP协议 的以太网通讯模式，实现与上位机的通讯。图2为晶闸管模块，由图可知，本实施例中包括双向并联晶闸管、快熔器、散热器、 散热器温度检测元件。晶间管、快熔器、温度检测元件安装在散热器的基板上，温度检测元 件检测散热器温度是否超限，以开关量的形式输入至散热器温度检测模块。当负载电流长 时间过载时，热积累使快熔器熔断，达到保护晶闸管的目的。图3为散热器温度检测模块。温度开关利用不同固体受热后长度变化的差别而产 生位移，从而使触点动作，输出温度控制开关量信号。温度检测开关安装在晶闸管散热器的 基板上，当温度正常时，温度开关处于闭合状态，经光电隔离后输出逻辑值1至微处理器； 当温度超限时，温度开关断开，经光电隔离后输出逻辑值0至微处理器。图4为负载电流检测、过载及短路保护模块。精密电流传感器实时监测负载电流， 输出(TlOmA的电流检测信号至过载及短路保护电路。信号经I/V转换，滤波与放大后，与给定值进行比较，比较结果输入至微处理器。当负载电流过载或负载发生短路时，输出逻辑 值0至微处理器，否则输出逻辑值1至微处理器。短路与过载保护电路具有高灵敏度、实时 性强的特点，电流超过额定值或发生短路时，可在10ms以内关断晶闸管输出，进行可靠的 系统保护。图5为晶闸管驱动模块工作原理图(三相中的一相，另外两相相同)。微处理器根据 控制量的值(由上位机给定或智能仪表给定)，执行功率均勻分配算法，生成控制输出值(此 时为逻辑值1或0)，控制输出值与散热器温度超限状态信号、负载电流过载或短路状态信 号进行逻辑与运算，当运算的结果为逻辑值1时，在相位过零点输出控制脉冲至此图的控 制输出端。经光电隔离的双向光控可控硅U1和另外一只双向可控硅U2功率放大后，驱动 大功率晶闸管。图6为相位同步检测电路。三项交流电源经过电阻衰减后，作为经过双向光耦的 输入，光耦的输出经反相器翻转后在电源的过零点输出窄脉冲信号，此信号输入至微处理 器，作为控制输出的同步信号。 图7为模拟输入接口电路原理图。智能仪表输入的圹20mA的电流信号经滤波和 I/V转换后输出为广5V的电压信号，经电平迁移后输出为(T5V的电压信号，经A/D转换变 为数字输入信号，结果输出至微处理器，作为单机工作模式时的控制输入，对晶闸管进行控 制。图8为本发明所使用的内細勺以太网挪蟋(EthernetMediaAccessController) 的原理框图，以太网MAC控制器是微处理器实现以太网操作的核心部分，该单元具有以下 功能(1)实现TCP/IP协议栈，对发送数据进行打包和对接收数据进行解包、效验，与上位 机相互交换信息，分析上位机接收的数据并进行处理；(2)能以10M/100MbpS的速率通讯， 支持(EMAC)工业标准的接口(Mil)和带缓冲的DMA接口，有效地处理网络数据包，能够方 便地通过以太网与互联网直接连接。(3)支持IEEE802. 3MAC控制层协议，全双工操作模式。 它由发送模块、接收模块、流控模块、M II管理模块、命令寄存器、状态寄存器等部分组成。图9为通讯接口模块原理图。状态输入信号包括散热器过热输入和电流过载输入 信号。控制方式选择是一个拨码开关，用于选择工作在联网工作方式或单机工作方式。在联 网工作方式，通讯方式为基于TCP/IP协议的Internet网络通讯模式，调功器通讯模块包括 以太网控制器和物理层接口及光纤通讯接口，在这种工作方式下，智能调功器与上位机组 成以太网，智能调功器通过不同的IP地址识别，智能调功器收受上位机的控制输入，其输 入信号为数字信号。在单机工作方式，智能电力调功器与智能仪表等设备组成独立的控制 单元，其控制输入为智能仪表输入的模拟信号。该模块主要实现如下功能(1)实现物理层 协议。物理层实现使用器件RTL8201，负责微处理器和Ethernet的物理媒体连接和物理层 功能。由于微处理器只包含以太网MAC控制，并未提供物理层的功能，因此，需通过其已带 的Mil接口外接一片物理层芯片以提供以太网的接人通道。RTL8201完成了 0SI的7层网 络通信模型中物理层的主要功能。RTL8201提供的M II接口可方便地与微处理器连接。微 处理器发送帧时，RTL8201通过M II接口从微处理器处接收以太帧，然后进行数据编码，并 送到传输媒体；发送以太网帧时，先在帧前端加上帧起始标志。当从传输媒体监听到网络中 有载波存在时，RTL8201接收模块首先用锁相环电路实现与物理信号同步，采样接收数据物 理信息并进行解码，然后通过Mil送微处理器进行解包处理。(3)外部FLASH存放Websever的各种Web资源；SRAM作为发送和接收数据缓冲区。(4)网络控制方式，接收远程端的控制 数据，执行控制算法，产生控制输出信号。本发明的智能通讯电力调功器既可以多台组成网络型控制系统，也可以单台与智 能仪表组成独立的控制单元，可以用于三相调功也可以用于单相调功控制。通过控制功能 选择得拨码开关，可以选择工作在联网控制方式或单机控制方式当工作在联网控制方式 时，多台调功器组成控制网络，实现集群控制，各调功器通过光纤通讯接口与上位机进行数 字通信，接收上位机发送的数字控制信号，智能电力调功器也可以将运行状态信号发送给 上位机。当工作在单机控制方式时，调功器通过仪表接口单元与智能仪表连接，接受圹20mA 的电流控制信号，进行调理和模数转换后对晶间管进行控制。本发明的调功器的功率均勻分配方法的步骤如下
(1)根据控制精度要求，设定控制周期；
(2)接受上位机或智能仪表的调功功率要求，设定每个控制周期内的供电整波个数A；
(3)从每个控制周期的起始周波起算，依次计算每个周波的值，若该
值大于一个控制周期所拥有的周波数的一半，则在下一个周波触发晶闸管，给负载供电，若 该值等于或小于一个控制周期所拥有的周波数的一半，则关断晶闸管，如此循环直至该控 制周期结束；
上式中，i为每个控制周期内的供电整波个数；
counter为已经输出的包括有功输出和无功输出的总周波数；
I'为已经输出的有功整波个数； Nm为一个控制周期所拥有的周波数；
(4)根据同步脉冲，监测该控制周期是否结束，若结束，则转到步骤(2)执行，开始新一 个调功控制周期。本发明调功器功率均勻分配方法利用设定的控制周期对晶闸管进行控制，在一个 控制周期内，与时间比例触发控制方式相比，控制精度相对较高，温度超调小；同时该方法 利用过零触发避免了基准电压比较移相触发控制方式所带来的弊端。该调功器采用功率均勻发配技术使得分配给加热元件的功率始终是均勻的，无电 网污染，电磁干扰小；此外，在调功器启动和停止时，该方法的软启动/关断功能，通过在启 动时缓慢增加电流和停止时缓慢减少电流，减轻加热元件的表面负荷，延长加热元件的使 用寿命，解决了电力加热设备启动和关断时表面负荷大，容易损坏加热元件的问题，同时也 提高了控制精度。
权利要求
一种智能电力调功器，包括微处理器及与其相连的输入和输出设备，所述输入设备包括输入端口上连接的用于与智能仪表相连的模拟输入接口电路，用于与上位机双向连通的通讯接口模块，还包括相位同步检测电路；输出设备包括晶闸管模块及其驱动模块，调功器内还设有控制方式选择拨码开关，其特征在于所述通讯接口模块包括以太网控制器和物理层接口及光纤通讯接口，所述微处理器还连接有负载电流检测和过载及短路保护模块。
2.根据权利要求1所述的智能电力调功器，其特征在于所述通讯接口模块的通讯方 式为基于TCP/IP协议的Internet网络，通讯端口为标准的RJ45并行通讯接口。
3.根据权利要求1或2所述的智能电力调功器，其特征在于所述输出设备还包括状 态指示模块。
4.根据权利要求3所述的智能电力调功器，其特征在于所述晶闸管的一控制输出端 还通过散热器温度检测模块与微处理器连接。
5.根据权利要求1或2所述的智能电力调功器，其特征在于所述模拟输入接口电路 由滤波与Ι/ν转换、电平迁移及A/D转换电路顺次连接构成。
6.一种调功器的功率均勻分配方法，其特征在于，该方法的步骤如下(1)根据控制精度要求，设定控制周期；(2)接受上位机或智能仪表的调功功率要求，设定每个控制周期内的供电整波个数A；(3)从每个控制周期的起始周波起算，依次计算每个周波的值，若该值大于一个控制周期所拥有的周波数的一半，则在下一个周波触发晶闸管，给负载供电，若 该值等于或小于一个控制周期所拥有的周波数的一半，则关断晶闸管，如此循环直至该控 制周期结束；上式中，i为每个控制周期内的供电整波个数；cowwfer为已经输出的包括有功输出和无功输出的总周波数；ι'为已经输出的有功整波个数；Nm为一个控制周期所拥有的周波数；(4)根据同步脉冲，监测该控制周期是否结束，若结束，则转到步骤(2)执行，开始新一 个调功控制周期。
全文摘要
本发明涉及一种智能电力调功器及功率均匀分配方法，包括微处理器及与其相连的输入、输出设备和基于TCP/IP协议的双向通讯接口。输入设备包括输入端口上连接的用于与智能仪表相连的模拟输入接口电路，负载电流检测电路，散热器温度检测电路；输出设备包括晶闸管及其驱动模块；通讯接口模块包括以太网控制器和物理层接口及光纤通讯接口；微处理器还连接有负载电流检测和过载及短路保护模块，并且该调功器采用的功率调节算法实现了负载功率的均匀分配以及软启动和软关断功能。本发明的调功器既可以单独工作，也可以多台组网工作，并实现远距离通讯控制，结构紧凑，系统成本低、控制精度高，并能延长加热元件的使用寿命。
文档编号H02J3/14GK101841157SQ201010159878
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者贾海军, 陈家新 申请人:洛阳润星电子科技有限公司