专利名称:控制晶闸管中频电源的微型计算机系统的制作方法
本发明为控制和调节电量的装置。
目前，晶闸管中频电源控制系统由晶体管和小规模集成电路构成。这种控制系统虽能完成必需的控制功能，但还存在着不足之处①不能自动调节中频电源输出功率，既不能使电源输出功率为恒值，也不能使电源输出功率按某一设定规律变化;
②并联负载直流阻抗较低时，中频电源起动成功率无保证。起动成功率有赖于操作人员的经验。起动需要专门的较为复杂的设备;
③无自动调节负载谐振电容的能力，因而延缓熔炼时间，消耗电能较多;
④操作较为复杂。电源运行参数由常规仪表显示，不够直观;
⑤控制系统元器件及接插点较多;
⑥控制系统成本较高。
鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的任务是设计出一种专用的微型计算机系统，并用其控制晶闸管中频电源。由微型计算机构成的控制系统，可以具有更强的控制功能，可以具有自动调节功率和自动调节负载谐振电容的能力，可以具有很好的起动性能，可以采用屏幕显示运行参数，可以使系统操作更为简便，可降低成本，可提高中频电源的自动化程度。
本发明的技术解决方案如下
本系统的框图如图1所示。它由以二片微处理器为核心的主控板和一块屏幕显示控制板构成。图1中虚线框内所示的部分为主控板。图中1、9为微处理器，2、10为固化了程序的EPROM，3、11为计数定时器，4、12为并行输入/输出接口，5、6、13为输出接口，7为输入接口，8为A/D转换器，14、15、16为功率放大电路板，17为屏幕显示控制板，101、102、103、104、105、106为电容调节控制信号，107、108、109、110、111、112为整流桥触发控制信号，113、114、115、116为逆变桥触发控制信号，117为预磁电阻接触器控制信号，201为过电压信号，202为过电流信号，203为工作方式设置信号，204为设置功率允许信号，205为检测选择信号，206和207为储备时间增值信号，208为逆变跟踪信号，209为电源起动信号，210为电源停机信号，211为功率设置信号，212为直流电流检测信号，213为直流电压检测信号，214为工频电源同步信号。
主控板由两台微型计算机组成。由1、2、3、4、5、6、7、8构成第一台计算机，它的功能为三相桥式全控整流桥的触发控制、电源的功率调节、限压和限流、负载谐振电容器的调节控制、电源运行方式(功率调节的手动方式或自动方式)的确定、过压和过流信号的检测及保护控制、接受电源的起动和停机命令以及对屏幕显示控制板的编程和刷新。第一台计算机的工作程序(2K字节)固化于2中。第二台计算机由9、10、11、12、13构成。逆变器的自动调频、逆变桥引前触发角的微调、逆变桥的触发控制和逆变器的起动由它来完成。第二台计算机的程序(0.5K字节)固化在10中。4和12间的联络线完成两台计算机的通讯，以使整个系统协调工作。
控制系统上电后，第一台计算机将对程序和部分硬件进行自检，如正常则在屏幕上显示“可开机”，等待起动命令。操作员按下起动按钮，两台计算机均执行起动程序。当起动完成后，两台计算机执行正常的运行程序。
本系统可使中频电源工作于“手动”或“自动”这二种运行方式。当电源工作于“自动”运行方式时，在输出电压和输出电流允许范围内，不管负载实际阻抗和三相交流电源电压如何变化，中频电源均能按预置的“设定功率”输出恒定功率。当负载阻抗过低或过高时，系统用调节电容器来改变负载阻抗，使中频电源在负载变化较大时仍能输出恒定功率。
当中频电源工作于“手动”方式时，则按目前中频电源所采用的常规方式运行。
逆变触发系统进入自激工作状态后，采用恒储备时间原则的触发工作制。逆变触发引前时间考虑了由简单运算而得的逆变桥实时换流时间。考虑到逆变晶闸管关断时间定额的差异，设置了两只储备时间增值微调开关(+4微秒，+8微秒)。
系统每隔20毫秒对电流和直流电压测量一次，并计算出中频电压值，将电流和电压限止在一定范围内。
本系统随时对中频电压瞬时值和直流电流值进行监视，当它们到达保护阀值时，系统进入保护程序。第一台计算机把整流移相控制角拉至150°，使整流桥进入有源逆变工作状态。与此同时，第二台计算机对四只逆变晶闸管同时发出为期10毫秒左右的脉冲列。
整机接受停机命令时，系统也进入保护程序。
①本发明能实现中频电源输出功率的自动调节图2为整流桥触发脉冲的安排。图中uac为同步电压，usc为同步脉冲。ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、ug6为晶闸管触发脉冲。
本系统利用电源同步发生器每工频周期发出的同步脉冲，启动3的“0”通道，它按2倍于计算机时钟频率的16分频数发出脉冲列，以此作为3的“1”通道的计数脉冲，当计数脉冲到达“1”通道的时间常数值时，“1”通道向第一台计算机的CPU申请中断，在中断服务程序中通过输出接口向整流桥发出第一对触发脉冲。往后的五对脉冲则由3的“2”通道按工频60°计时申请中断，在中断服务程序中发出相应的整流触发脉冲。
3的“1”通道的时间常数对应于整流桥的移相控制角α。改变3的“1”通道的时间常数可以改变整流桥的输出电压。换句话讲，不同的时间常数可以使中频电源有不同的输出功率。调节中频电源的输出功率，实际上就是调节3的“1”通道的时间常数。
移相控制角的调节精度可根据中频电源的要求来决定。
在中频电源运行中，第一台计算机每2个工频周期对3的“1”通道的时间常数进行一次修正。如果电源输出功率偏离设定的输出功率，则程序进行模糊调节，以修正时间常数，使电源输出功率等于设定输出功率，实现了电源功率的自动调节。
②本发明能实现负载槽路谐振电容的自动调节在熔炼性负载中，为达到最短的熔炼时间，一般要求电源能输出最大功率。但是，中频电源的输出电压和输出电流是有定额值的。以100KW中频电源为例，一般来讲，其直流电流定额为250A，直流电压定额为500V。换句话讲，当负载直流阻抗为2Ω时，电源可输出125KW功率，此时的直流电流和直流电压正处于定额值。当负载直流阻抗小于2Ω时，由于直流电流定额值的限止，电源输出功率将小于125KW。当负载直流阻抗大于2Ω时，由于直流电压定额的限止，电源输出功率也将小于125KW。这说明，如果能将负载直流阻抗保持在2Ω，则电源可输出最大功率。在实际的负载中，负载直流电阻不可能正好是2Ω。为此，本系统设置了六只可以换接的电容器，以期在负载变化时，改变负载的运行阻抗值，使电源输出尽可能大的功率。
电容器的切换由计算机经过运算来决策并执行，其过程如图5所示。21为计算额定等效直流电阻RdH，22为计算直流等效电阻实际值Rd，23为投接一台电容器，24为减少一台电容器。
框图中，N为目前运行中的电容器台数。f为目前运行的中频频率。fmin为允许最低中频频率。fmax为允许最高中频频率。
③本发明的停机及保护过程本系统具有过电流保护和中频过电压保护。当直流电流或中频电压瞬时值达到保护动作阀值时，第一台计算机和第二台计算机均进入保护程序。第一台计算机立即将整流控制角拉到150°，以使整流桥处于有源逆变工作状态，将电源中的电磁能量迅速释放掉。为保障逆变晶闸管的安全，在保护动作时，第二台计算机对四只逆变晶闸管发出为时10毫秒左右的脉冲列，以使过流时的电流由逆变桥的两侧共同负担。在过压时，这一脉冲列使槽路电容两端电压迅速下降，最后电容电压为零，免除了逆变晶闸管因承受过高的反向电压而造成损坏的可能。
整流桥处于有源逆变工作状态时间为工频的一个周期。
保护程序结束后，屏幕显示故障信息。
正常的停机过程与保护过程是相同的，只是屏幕上显示“停机”。计算机在运行过程中，经常查询停机按钮，当停机按钮按下后，系统中的第一台计算机使整流桥进入有源逆变工作状态，第二台计算机对逆变桥发出脉冲列，历时10毫秒。
④中频电源的计算机控制他激起动法本系统采用了计算机控制他激起动法起动中频电源。
图3为逆变电路，电路中的R0为预充磁电阻，J为接触器，该接触器由主控板的第二台计算机控制。T7、T8、T9、T10为晶闸管，LK为换流电感，CH、LH、RH为负载槽路。
在起动之前，J合上。起动一开始，第一台计算机使整流桥以较小的整流控制角触发导通一个工频周期，使滤波电感Ld贮存一定的磁能。在第二个工频周期，第一台计算机使整流桥的整流控制角变到70°左右。逆变桥的起动时刻就选择在直流电压ud下降的过程中，在t0时刻第二台计算机触发T7和T10，同时断开J。在阶跃电流作用下，槽路电容电压uc和槽路电感电流iL将从零开始增大，如图4所示。由电路理论可知，uc经过π/2ωd时刻将达到峰值。在uc到达峰值前的t1时刻，触发T8和T9，逆变桥将换流，槽路将反向充电。在t2时刻，再一次触发T7和T10，槽路电容再一次正向充电。此时，槽路已具有较多能量，第二台计算机转入自动跟踪程序，逆变桥经过2～3个中频周期进入自激状态。
这种起动法，逆变桥处于他激状态的时间只有一个中频周期，因此不需严格地选择他激频率。另外，起动过程是在ud下降过程中完成的，防止了过电压或过电流的产生。因此，这种起动法保证了起动的成功。这种起动法不需专门的起动设备。
图4描述了起动过程中直流电压ud、直流电流id、槽路电容电压uc和晶闸管触发脉冲ug7、ug8、ug9、ug10的波形。
⑤本发明的逆变桥频率跟踪本系统采用恒储备时间方案。触发引前时间用以下方法获得计算机系统测得中频的前半个周期时间tn-1，然后计算出换流时间tr＝ (Id)/(di/dt) ，则可算出本半周期触发时间t′n＝tn-1-(tr+tβ)。式中tβ为晶闸管关断时间。
本发明有如下附图图1为微型计算机系统框图。
图2为整流桥触发脉冲的安排。
图3为逆变桥电路图。
图4为起动波形图。
图5为自动调节负载谐振电容器的过程的框图。
本发明优点如下①实现了中频电源输出功率的自动调节，为中频电源的顺序控制和自动化程序的进一步提高创造了条件。
②计算机控制他激起动法保证了起动的成功(试验中成功率为100%)，起动迅速，可频繁起动，操作简单，不需专门的起动设备。
③实现了自动调节负载谐振电容，可以节约电能。
④所有运行参数在屏幕上用文字和数字显示。
⑤操作简单易掌握。
⑥采用集成电路，故接插点少，故障率低。
⑦成本较低。
实现本发明的方法如下按图1的框图，可以给出一个实施例，其中1、9为Z-80CPU，2、10为固化了程序的EPROM，3、11为Z-80CTC，4、12为Z-80PIO，5、6、13为74LS273，7为74LS244，8为ADC0809。如果将它们和其他电路板联结起来，便可实现晶闸管中频电源的微型计算机控制系统。
对各种不同容量的2500赫兹以下的中频电源，本控制系统只需对采样系统及软件进行少量调整便可适用。本系统所需的软件，对程序员来讲不存在编制的困难。
权利要求
1.一种以微处理器为核心的全数字化电路构成的晶闸管中频电源控制系统，包括二片微处理器[1、9]、EPROM(2、10]、计数定时器[3、11]、并行输入/输出接口[4、12]、输出接口[5、6、13]、输入接口[7]和A/D转换器[8]，其特征在于由[1、2、3、4、5、6、7、8]构成第一台计算机，由[9、10、11、12、13]构成第二台计算机。
2.按权利要求
1所述的晶闸管中频电源控制系统，其特征在于采用计算机控制他激起动法起动中频电源。
3.按权利要求
1所述的晶闸管中频电源的控制系统，其特征在于用计算机来形成整流触发脉冲和调节中频电源输出功率。
4.按权利要求
1所述的晶闸管中频电源的控制系统，其特征在于用计算机来自动调节负载谐振电容器容量。
5.按权利要求
1所述的晶闸管中频电源的控制系统，其特征在于保护动作或停机时，在整流桥处于有源逆变工作状态时，计算机对四只逆变桥晶闸管送出为时10毫秒左右的脉冲列。
专利摘要
“控制晶闸管中频电源的微型计算机系统”是一种控制和调节电量的装置。它由以微处理器为核心的数字电路构成。本系统除具备必需的功能外，还具有自动调节输出功率和自动调节负载谐振电容的能力。本系统采用了计算机控制他激起动法，保证了中频电源起动的成功，并使起动迅速、方便。本系统用屏幕显示运行参数和经运算后得到的数据。
文档编号H02M5/00GK85101943SQ85101943
公开日1986年9月3日 申请日期1985年4月1日
发明者顾逸新, 蒋黔麟 申请人:浙江大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan