晶闸管断续电流有效值计算方法及装置与流程

本发明涉及晶闸管领域，尤其涉及一种晶闸管断续电流有效值计算方法及装置。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

晶闸管作为功率电子器件，能够在高电压、大电流条件下工作。与一般的二极管相比，晶闸管具有可控的单向导电，即可以对导通电流进行控制。单支晶闸管的耐压不够，但通过多支晶闸管串联的方式，可以实现高压、超高压的电流控制技术。由于晶闸管工作过程可以控制，具有以小电流(电压)控制大电流(电压)作用，且具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、开关迅速等优点，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变、调光、调压、调速及变频等电子电路中。

通过晶闸管控制电流，存在一个普遍的问题，就是流过晶闸管的电流是断续的，不是连续的正弦波。由于这一特性，导致计算流过晶闸管电流的有效值，与典型的正弦波电流不一样，随着晶闸管触发角的不同，计算电流有效值的延时也是不同的，最长需要1个完整的电网电压周期，即20ms。

目前，现有技术主要采用如下两种方式计算晶闸管断续电流有效值：

第一种方式，采用rms公式定义，直接求取断续电流在20ms内的均方根值，以得到断续电流的有效值。具体体，数字处理芯片内部存储20ms的历史数据(相当于一个数据存储窗口)，每次采集到一个新数据，则采用rms公式定义，计算一次断续电流的有效值。为了实现存储资源的循环利用，每次采集一个新数据，则需要将历史数据抛弃掉，新数据占用老数据的存储位置。这种方式由于必须连续采集20ms的数据，导致计算结果缓慢，具有很大的延时(最大20ms延时)。对于当前快速采集和快速控制的系统来说，这样的算法延时是无法忍受的，使得整个控制系统失去的时效性，从而无法快速完成既定的任务。同时，这种方式由于必须存储信号的历史数据，占用了大量的存储资源，尤其对于多个信号源采集、计算的系统，会造成大量内存资源的浪费。随着数字芯片处理速度的加快，占用存储资源和处理速度成比例增加，这是完全无法忍受的方法。

第二种方式，根据历史数据进行信号周期性外延和扩展，当新数据到达时，直接切换到新数据。这种方式是对第一种方式的扩展，依然没有从根本上解决快速有效值计算的问题。同时由于采用了“直接切换法”，导致输出结果出现跳跃，引入了更多不合理的、难处理的异常数据。特别是当有效值从0％变化到100％的时候，该方案的计算结果会出现严重的错误，从而影响了后续的信号使用。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种晶闸管断续电流有效值计算方法，用以解决现有技术中，由于晶闸管触发角的动态变化，使得计算得到的断续电流有效值出现不连续，甚至突变的技术问题，该方法包括：检测晶闸管的触发角，其中，触发角为晶闸管上所加交流电信号，在晶闸管接收到触发信号时刻对应的相位角，触发信号为触发晶闸管产生导通电流的信号；在检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据虚拟触发角计算晶闸管在第一时间段内的电流有效值，以及根据晶闸管的触发角计算晶闸管在第二时间段内的电流有效值，其中，虚拟触发角等于晶闸管上所加交流电信号的角频率与时间的乘积，第一时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号前的一个时间段，第二时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号后的一个时间段。

本发明实施例还提供一种晶闸管断续电流有效值计算装置，用以解决现有技术中，由于晶闸管触发角的动态变化，使得计算得到的断续电流有效值出现不连续，甚至突变的技术问题，该装置包括：检测单元，用于检测晶闸管的触发角，其中，触发角为晶闸管上所加交流电信号，在晶闸管接收到触发信号时刻对应的相位角，触发信号为触发晶闸管产生导通电流的信号；计算单元，在检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据虚拟触发角计算晶闸管在第一时间段内的电流有效值，以及根据晶闸管的触发角计算晶闸管在第二时间段内的电流有效值，其中，虚拟触发角等于晶闸管上所加交流电信号的角频率与时间的乘积，第一时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号前的一个时间段，第二时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号后的一个时间段。

本发明实施例还提供一种计算机设备，用以解决现有技术中，由于晶闸管触发角的动态变化，使得计算得到的断续电流有效值出现不连续，甚至突变的技术问题，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的晶闸管断续电流有效值计算方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用以解决现有技术中，由于晶闸管触发角的动态变化，使得计算得到的断续电流有效值出现不连续，甚至突变的技术问题，计算机可读存储介质存储有执行上述晶闸管断续电流有效值计算方法的计算机程序。

本发明实施例中，通过检测晶闸管的触发角，在检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据晶闸管上所加交流电信号的角频率与时间得到的虚拟触发角，计算晶闸管导通周期内接收到触发信号前的一个时间段内的电流有效值，并根据晶闸管的触发角计算晶闸管接收到触发信号的触发角，计算晶闸管导通周期内接收到触发信号后的一个时间段内的电流有效值。

通过本发明实施例，不仅实现了快速计算晶闸管电流有效值，而且使得晶闸管在触发角变化前后计算得到的电流有效值不会发生突变，实现平稳过渡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的一种晶闸管断续电流有效值计算方法流程图；

图2为本发明实施例中提供的一种晶闸管示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管断续电流波形示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种晶闸管触发角变化后的断续电流波形示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种晶闸管触发角变化后断续电流有效值示意图；

图6为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管导通电流范围示意图；

图7为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管根据虚拟触发角计算电流有效值的导通电流范围示意图；

图8为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管维持原有电流的导通电流范围示意图；

图9为本发明实施例中提供的一种负向晶闸管导通电流范围示意图；

图10为本发明实施例中提供的一种负向晶闸管根据虚拟触发角计算电流有效值的导通电流范围示意图；

图11为本发明实施例中提供的一种负向晶闸管维持原有电流的导通电流范围示意图；

图12为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管示意图；

图13为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管断续电流波形示意图；

图14为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管导通电流范围示意图；

图15为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管维持原有电流的导通电流范围示意图；

图16为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管根据虚拟触发角计算电流有效值的导通电流范围示意图；

图17为本发明实施例中提供的一种不同触发角晶闸管导通电流有效值拟合曲线示意图；

图18为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管断续电流有效值计算方法流程图；

图19为本发明实施例中提供的一种晶闸管断续电流有效值计算装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明实施例中提供了一种晶闸管断续电流有效值计算方法，图1为本发明实施例中提供的一种晶闸管断续电流有效值计算方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

s101，检测晶闸管的触发角，其中，触发角为晶闸管上所加交流电信号，在晶闸管接收到触发信号时刻对应的相位角，触发信号为触发晶闸管产生导通电流的信号；

s102，在检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据虚拟触发角计算晶闸管在第一时间段内的电流有效值，以及根据晶闸管的触发角计算晶闸管在第二时间段内的电流有效值，其中，虚拟触发角等于晶闸管上所加交流电信号的角频率与时间的乘积，第一时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号前的一个时间段，第二时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号后的一个时间段。

可选地，在未检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据晶闸管的触发角计算晶闸管的电流有效值。

需要注意的是，晶闸管是一种半控元器件，也即晶闸管可以被触发导通，但是其关断是不受控的。图2为本发明实施例中提供的一种晶闸管示意图，如图2所示，通过外部加入一个触发信号到晶闸管的触发信号引脚k上；当晶闸管两端有正电压(即p点电压高于n点电压)的时候，给该晶闸管输入一个触发信号后，该晶闸管就会导通，才会有电流流过该晶闸管。当晶闸管两端有正电压时，如果没有触发信号，该晶闸管也不会导通，不会有电流流过该晶闸管。当晶闸管两端有负电压(即n点电压高于p点电压)时，无论是否有触发信号，都不会使该晶闸管导通，也不会有电流流过该晶闸管。晶闸管导通后，就会有电流流过该晶闸管，对应的电流也被称为“导通电流”。当导通电流为0且晶闸管两端电压为负电压时，晶闸管才能够自动关断(也称为截止)，不受外部引脚信号的控制。

当晶闸管两端加一个正弦电压信号u(t)＝sin(2πf×t)时，本发明实施例将晶闸管引脚k接收到触发信号trig(t)的时刻，对应该正弦电压信号的相位，称为晶闸管的触发角α，α＝trig(t)×f×2π，其中，t是时间，单位是秒；f是频率，单位是hz。

例如，图3为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管断续电流波形示意图，如图3所示，当晶闸管触发角α∈[π,2π]时，晶闸管两端电压为负，由于晶闸管元器件的特性(两端电压为负时，无法导通)，因此，晶闸管触发角α∈[π,2π]时，是无效的工作范围，因而，本发明实施例不讨论晶闸管在该范围内的表现。当晶闸管触发角时，晶闸管可以被有效触发并形成导通电流，且导通后电流会持续增大，直到π以后才开始减小，直到2π以后，晶闸管在电流为0，且两端电压为负电压时，才能够自动关断，因此，晶闸管在触发后，将无法自动关断，导致整体系统不受控制，且会导致晶闸管损坏。因此，晶闸管触发角时，是一个不受控的工作模式，不在本发明实施例讨论的范围内。当晶闸管触发角时，晶闸管可以被有效触发并形成导通电流，且导通电流会从导通时刻开始增大，到达π的时候达到最大值(峰值)，然后开始自动衰减为0，晶闸管承受负电压后，晶闸管自动关断。

因而，作为一种可选的实施例，本发明实施例研究的晶闸管触发角范围为晶闸管导通电流有一段时间持续为0，没有形成连续的电流(称为电流“馒头波”)，导通电流不为零的范围是[α,2π-α]，当晶闸管触发角时，晶闸管导通电流不为零的最大范围为图3所示的晶闸管触发角α＝2π/3，其导通电流不为零的范围为

此处需要说明的是，晶闸管触发时刻t与晶闸管导通瞬时电流i之间的瞬时关系满足如下公式：

图4为本发明实施例中提供的一种晶闸管触发角发生变化后的断续电流波形示意图，如图4所示，当晶闸管触发角α从100°改变为120°的情况下，晶闸管断续导通电流在等于0的时刻，对于电流瞬时值来说，进行自然的切换(如图4中图标401所示电流瞬时值切换点)，不存在任何的电流冲击。但是对于晶闸管断续导通电流的有效值来说，会出现一个非常大的改变和电流冲击，使得其他控制系统无法正常工作，甚至出现严重的故障。特别是当上一个触发角是对应的导通电流的幅值是100％，下一个触发角是π对应的导通电流的幅值为0％，那么对应的电流冲击值会达到100％，这是任何一个系统都无法正常处理的情况。

图5为本发明实施例中提供的一种晶闸管触发角变化后断续电流有效值示意图，如图5所示，对于2个不同的触发角，对应的导通电流有效值是2个不同的值。当触发角改变(100°改变为120°)的时候，导通电流有效值就会出现一次快速改变(如图5中图标501所示电流有效值切换点)，而这个改变是一个快速改变，形成了一个电流有效值的冲击，完全没有平滑过渡。这样就会导致其他控制系统，或者使用该电流有效值的程序出现异常，甚至无法正常工作。

为了解决晶闸管触发角改变导致晶闸管导通电流有效值突变的问题，本发明实施例根据触发角，生成一个基波的虚拟正弦信号；在可以修改触发角的窗口内，再虚拟一个触发信号，根据触发信号动态生成一个变幅值的虚拟正弦信号，以实现快速地、有效地、平滑地实现断续电流有效值的过渡，达到了无扰切换，为其他控制系统提供了一种非常理想的检测信号。

作为第一种可选的实施方式，当上述s101和s102中的晶闸管为正向晶闸管的情况下，本发明实施例通过如下公式计算正向晶闸管的电流有效值为：

其中，为正向晶闸管的第一时间段；

为正向晶闸管的第二时间段；

其中，i表示晶闸管的电流有效值；α表示为晶闸管的触发角，取值范围为ω表示晶闸管上所加交流电信号的角频率；t表示时间。

图6为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管导通电流范围示意图，如图6所示，对于正向晶闸管来说，当触发角为α时，导通电流不为零的范围是：[α,2π-α]。

由于则2π-α的范围就是由此，本发明实施例在范围内，虚拟一个连续的正向晶闸管的导通电流，该导通电流在[α,2π-α]范围内，与原来的导通电流完全相等，按照正向晶闸管电流有效值计算公式的上半部分计算正向晶闸管导通电流有效值。

图7为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管根据虚拟触发角计算电流有效值的导通电流范围示意图，如图7所示，而在范围内没有真正的触发信号，本发明实施例给出虚拟的触发角信号αnew＝t×f×2π，形成的导通电流，按照正向晶闸管电流有效值计算公式的下半部分计算正向晶闸管导通电流有效值。

图8为本发明实施例中提供的一种正向晶闸管维持原有电流的导通电流范围示意图，如图8所示，在将正向晶闸管收到的触发角信号继续保持到维持原有的晶闸管正弦电流不变，在范围内，按照正向晶闸管电流有效值计算公式的上半部分计算正向晶闸管导通电流有效值。

作为第二种可选的实施方式，当上述s101和s102中的晶闸管为负向晶闸管的情况下，本发明实施例通过如下公式计算负向晶闸管的电流有效值为：

其中，为负向晶闸管的第一时间段；

[π+α,2π],为负向晶闸管的第二时间段；

其中，i表示晶闸管的电流有效值；α表示为晶闸管的触发角，取值范围为ω表示晶闸管上所加交流电信号的角频率；t表示时间。

图9为本发明实施例中提供的一种负向晶闸管导通电流范围示意图，如图9所示，对于负向晶闸管来说，导通电流不为零的范围是[π+α,2π]和[0,π-α]两部分。图10为本发明实施例中提供的一种负向晶闸管根据虚拟触发角计算电流有效值的导通电流范围示意图，如图10所示，在范围内，没有收到负向晶闸管触发信号，本发明实施例根据虚拟触发信号αnew＝t×f×2π，产生一个导通电流，按照负向晶闸管电流有效值计算公式的下半部分计算负向晶闸管导通电流有效值。图11为本发明实施例中提供的一种负向晶闸管维持原有电流的导通电流范围示意图，如图11所示，在范围内，将负向晶闸管收到的触发角信号继续保持到维持原有的晶闸管正弦电流不变，因此在范围内，按照负向晶闸管电流有效值计算公式的上半部分计算负向晶闸管导通电流有效值。

作为第三种可选的实施方式，当上述s101和s102中的晶闸管为正负晶闸管(如图12所示反向并联的正向晶闸管121和负向晶闸管122)的情况下，图13为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管断续电流波形示意图。本发明实施例通过如下公式计算正负晶闸管的电流有效值为：

其中，[π+α,2π],为正负晶闸管的第一时间段；

为正负晶闸管的第二时间段；

其中，i表示晶闸管的电流有效值；α表示为晶闸管的触发角，取值范围为ω表示晶闸管上所加交流电信号的角频率；t表示时间。

图14为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管导通电流范围示意图，如图14所示，对于正负晶闸管来说，导通电流不为零的范围是[α,2π-α]、[π+α,2π]和[0,π-α]三部分。

图15为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管维持原有电流的导通电流范围示意图，如图15所示，将正负晶闸管维持原有正弦导通电流的范围进行合并，就会得到一个维持原有正弦导通电流的范围[π+α,2π],在这三个电流范围内，按照正负晶闸管电流有效值计算公式的上半部分计算正负晶闸管导通电流有效值，保持与原有的计算结果一样，兼容了原有的检测和计算方法。

图16为本发明实施例中提供的一种正负晶闸管根据虚拟触发角计算电流有效值的导通电流范围示意图，如图16所示，在正负晶闸管没有收到触发角信号的电流范围和内，按照正负晶闸管电流有效值计算公式的下半部分计算正负晶闸管导通电流有效值。

需要说明的是，本发明实施例对于晶闸管触发角范围外的时刻，提出了一种电流幅值动态可变的拟合方法，即：

通过上述公式将不同的晶闸管触发角下的拟合值计算出来，可以绘制出来一条曲线，用来指导实际使用，根据不同触发角下的电流拟合得到的幅值动态可变的断续电流曲线，如图17所示。

以正向晶闸管为例，在具体实施过程中，本发明实施例还提供图18的实施方法流程图，如图18所示，在进入晶闸管触发导通过程后，首先判断是否接收到晶闸管触发角，如果当前时刻不等于触发角α，那么继续等待；如果当前时刻大于等于触发角，则按照虚拟触发角计算断续电流有效值，直到正向晶闸管到达2π-α之前；如果到达2π-α时刻后，将维持原有正弦导通电流，继续按照上次接收到的触发角进行有效值计算，直到正向晶闸管到达之前；如果到达时刻后，判断是否收到新的触发角。若没有收到新触发角，那么将虚拟一个触发角信号，按照虚拟触发角计算导通电流有效值；若收到新的触发角，则返回执行下一个导通流程。

本发明实施例提供的断续电流有效值计算方法，可以实现晶闸管断续导通电流有效值的平稳过渡，同时也避免了原有方法的电流有效值冲击，同时由于采用了新的拟合方法，断续电流有效值的计算比原有方法更加快速，为其他控制系统提供了快捷有效的检测手段。

本发明实施例中还提供了一种晶闸管断续电流有效值计算装置，如下面的实施例。由于该装置解决问题的原理与晶闸管断续电流有效值计算方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图19为本发明实施例中提供的一种晶闸管断续电流有效值计算装置示意图，如图19所示，该装置包括：检测单元191和计算单元192。

其中，检测单元191，用于检测晶闸管的触发角，其中，触发角为晶闸管上所加交流电信号，在晶闸管接收到触发信号时刻对应的相位角，触发信号为触发晶闸管产生导通电流的信号；

计算单元192，在检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据虚拟触发角计算晶闸管在第一时间段内的电流有效值，以及根据晶闸管的触发角计算晶闸管在第二时间段内的电流有效值，其中，虚拟触发角等于晶闸管上所加交流电信号的角频率与时间的乘积，第一时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号前的一个时间段，第二时间段为晶闸管导通周期内接收到触发信号后的一个时间段。

在一种可选的实施例中，上述计算单元192还用于在未检测到晶闸管的触发角发生变化的情况下，根据晶闸管的触发角计算晶闸管的电流有效值。

作为第一种可选的实施方式，上述晶闸管为正向晶闸管，则计算单元192还用于通过如下公式计算正向晶闸管的电流有效值为：

其中，为正向晶闸管的第一时间段；

为正向晶闸管的第二时间段；

其中，i表示晶闸管的电流有效值；α表示为晶闸管的触发角，取值范围为ω表示晶闸管上所加交流电信号的角频率；t表示时间。

作为第二种可选的实施方式，上述晶闸管为负向晶闸管，则计算单元192还用于通过如下公式计算负向晶闸管的电流有效值为：

其中，为负向晶闸管的第一时间段；

[π+α,2π],为负向晶闸管的第二时间段；

其中，i表示晶闸管的电流有效值；α表示为晶闸管的触发角，取值范围为ω表示晶闸管上所加交流电信号的角频率；t表示时间。

作为第三种可选的实施方式，上述晶闸管为正负晶闸管，包括：反向并联的正向晶闸管和负向晶闸管，则计算单元192还用于通过如下公式计算正负晶闸管的电流有效值为：

其中，[π+α,2π],为正负晶闸管的第一时间段；

为正负晶闸管的第二时间段；

其中，i表示晶闸管的电流有效值；α表示为晶闸管的触发角，取值范围为ω表示晶闸管上所加交流电信号的角频率；t表示时间。

本发明实施例中还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中任意一种可选的或优选的晶闸管断续电流有效值计算方法。

本发明实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行上述方法实施例中任意一种可选的或优选的晶闸管断续电流有效值计算方法的计算机程序。

综上，本发明实施例提供了一种新的断续电流计算方法，通过实时跟踪触发角的值，生成一个基波的虚拟正弦信号；在可以修改触发角的窗口内，再虚拟一个触发信号，根据触发信号动态生成一个变幅值的虚拟正弦信号，采用拟合、逼近断续电流的方法，不断更新最接近实际触发角的断续电流有效值，从而实现了断续电流有效值计算的平滑过渡和快速计算，为其他控制系统提供了及时有效的反馈信号。通过本发明实施例解决了现有技术中，由于晶闸管触发角动态变化，导致晶闸管断续电流的有效值计算会出现严重的之后和不准确的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，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例而已，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。