名称：自动跟踪可控硅准电流过零触发控制方法和电路
专利人： 崔凤来
专利号：201811519815.5
技术领域
本发明涉及一种自动跟踪可控硅准电流过零触发控制方法和电路，主要用于双向可控硅或由两个单向可控硅反接组成的换相和转接电路中的可控硅在电流过零时的通断转换控制。
背景技术
在交流电路中，电压、电流每半周要自然过零一次，如果电压过零或者电流过零迅间接通或断开，将输出完整的正弦波。这种开关式的控制方式与相位式的控制方式(控制角在0～π范围)相比，由于可控硅输出的是连续完整的正弦波，不存在波形畸变、避免了大量谐波干扰和功率因数变化等问题，在需要整周波控制的电路中，能够达到连续控制的效果，因此具有性能好、用途广、不产生“电网公害”等优点。
这种电压过零触发或者电流过零触发可控硅的控制方法，在无触点换挡调压、调光、调功、电动机正反转动转换、电机无极调速控制等领域得到了广泛的应用。在上述这些应用中，这两种常用的触发控制方式：一种是从电压源获取电压波形过零的同步触发控制方式，另一种是通过电流互感器、回路串联电阻、二极管取样、光电管取样、计算机取样等方法检测电流过零点时的电压信号获取电流过零的同步触发控制方式。用现有这两种电压和电流过零点的信号取得同步脉冲方法控制可控硅导通和截止，都存在不同的不足或弊端，分别说明如下。
1、电压过零触发控制方式：
可控硅交流无触点电压过零控制在电阻性负载中得到了广泛的应用，常用的电热阻性负载由于流过可控硅的电流与电压的相位是一致的，就是说阻性负载中电压过零时，同时电流也过零，电流和电压等相位，过零的相位交换点非常平滑，这时电压过零触发方式其性能十分优良、工作可靠，在电阻类负载中得到了非常广泛的应用。
但是在感性负载时,电路对可控硅的触发控制要求比较严格,如果采用电压过零触发方式,在可控硅电压过零时关断可控硅，由于电感负载时在电压过零时，可控硅流过的电流滞后于电压，电压过零了但电流还在继续流通，这时则会出现一些不同于电阻负载的新情况。这就使得在电感负载工作时不能够可靠使用电压过零的触发方式工作。
a、感性负载在电压过零时由于电流的相位滞后，在其电压过零时流过可控硅的电流还没有结束，这时会出现两个可控硅同时打开，造成两个可控硅电流短路而瞬间损坏可控硅。如果短路时间短或者可控硅的电流过载余量大，则前面导通的可控硅瞬间关断产生的冲击电流也会出现很大的冲击电流，这个冲击电流会产生很高的峰值电压，这个峰值电压往往超过可控硅的击穿电压，这个电压能量较大时，仅靠一般的阻容吸收是远远吸收不掉的，有时就要借助大电流、高电压的压敏电阻进行吸收。我们都知道，再大的压敏电阻吸收电流的次数也是非常有限的，尤其是吸收的电流越大，其吸收次数的寿命越短。反复出现过流过压的现象时，靠压敏电阻吸收大能量的峰值是非常不可靠的。
b、变压器类感性负载在电压过零时关断可控硅，由于电流的相位滞后于电压，在可控硅电流没有过零时前一可控硅不能关断，待其电流结束后需要被打开的可控硅又错过了打开的触发时间，这时候就会出现丢失半个电源周波情形出现，由于丢掉了半个正波或者半个负波，待到下一个半波到来时会重复前可控硅的电流相位，造成变压器减少了一个反向励磁半波，这时变压器就会单向半波重复励磁，使得双向励磁工作的变压器直流偏磁产生过饱和，这种现象就是常说的半波整流现象，过饱和严重时近似于变压器短路，其结果会造成变压器或者可控硅的同时烧毁。
2、电流过零点的同步不稳或同步跟踪的丢失：
为解决感性负载下可控硅触发控制的正常工作，常用一种在电流过零点时对可控硅进行打开和关断，这就需要对负载电流过零点进行同步跟踪，但是在初始启动阶段，电流尚小或者未达到过零点稳定时、或者电源干扰严重时，还有负载的变化使得负载电流过零点随机改变等，虽然采用了很多检测过零点的办法，且不说这些办法有的安装不方便，有的电路复杂，并且几乎都存在同步可靠性差、同步不稳定、同步点抖动或脉冲干扰的问题，这些问题有时会造成同步的丢失和紊乱，在可控硅电流过零触发控制中，任何同步丢失或者同步点不稳及同步干扰，都会对可控硅产生不同程度的过流冲击或过压反峰带来的威胁甚至烧毁设备。
发明内容
本发明的目的就是提供一种自动跟踪可控硅准电流过零触发控制方法，以解决现有技术中可控硅工作在感性负载时无论采用电压过零触发控制方法还是采用电流过零触发控制方法存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
一种自动跟踪可控硅准电流过零触发控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初始上电准备：在可控硅控制电路刚上电时，由并联在可控硅两端的电压/电流传感器检测负载电流的过零点，将这个过零点的信号延时4～5mS后作好可控硅被打开的准备；
(2)由控制器给出需要某路可控硅打开的指令；
在打开的可控硅开通的同时，电压/电流传感器检测打开的某路可控硅电压降低的信号“0”，并进行信号整定和电压隔离后，形成可控硅的封锁控制信号，该封锁控制信号封锁其它各路可控硅使这些被封锁的各路可控硅不再被打开，并在这些被封锁的各路可控硅准电流过零点时如果仍然为“0”，则使这些被封锁的各路可控硅在接下来的第一个正弦半周期仍然保持起开通状态；再下一个准电流过零点时如果仍然为“0”，则使其在第二个正弦半周期仍然保持其开通状态，并继续对其它所有可控硅进行封锁；只要检测到已经开通的某路可控硅两端总为“0”，所述的封锁控制信号对打开的某路可控硅通道继续开放，对其他可控硅通道全部封锁，保证了唯一一个可控硅通道的开通；
(3)当控制器发出关断这个开通的可控硅而打开其它可控硅的指令时，则控制上述被打开的可控硅通过的电流在准过零点时关断；电压/电流传感器检测到这路可控硅电压信号为“1”，并进行信号整定和电压隔离后，形成可控硅的解封锁控制信号，该解封锁控制信号使所有可控硅处于待打开状态，并使新的也是唯一一路的控制指令打开对应的可控硅；这个被打开可控硅两端电压为“0”，并发出封锁信号对除此自身以外的可控硅全部进行封锁，不再允许其它可控硅再开；新打开的可控硅被打开后其通过的电流在准过零点时如果没有接收到关断的指令，其两端的电压/电流传感器会检测到信号仍然为“0”，则继续使其在下一个正弦半周期保持继续打开，直到需要打开另外的可控硅的新的指令到来；
(4)重复步骤(2)和(3)，实现自动跟踪可控硅准电流过零触发控制。
一种实现所述的用自动跟踪可控硅准电流过零触发控制方法的电路，包括带不同电压抽头的电源变压器以及分别使输入交流电源连接在变压器不同电压抽头输入端之间的多路可控硅，各可控硅的控制端分别与一控制电路的控制输出端连接；该可控硅为双向可控硅或由两个单向可控硅反接组成的双向可控硅，其特征在于，所述的控制电路包括数据采集和指令控制电路、可控硅封锁和解封锁电路、可控硅准电流过零触发输出控制电路、可控硅电压隔离和开关驱动电路、电压/电流传感器、可控硅通断识别及信号整定和电压隔离电路、可控硅的封锁和解封锁控制电路、可控硅连续工作和相互转换的识别及锁存电路和电源启动时准电流过零延时同步电路，数据采集和指令控制电路的输入端与电源输入端连接进行电压值采样，该数据采集和指令控制电路的多路输出端分别与可控硅封锁和解封锁电路的多路输入端对应连接，后者的多路输出端与可控硅准电流过零触发输出控制电路的多路输入端对应连接，该可控硅准电流过零触发输出控制电路的多路输出端分别与一个可控硅电压隔离和开关驱动电路的输入端连接，后者的两个输出端分别与一个该可控硅的阴极和控制端连接；
在每一可控硅的两端均并联一电压/电流传感器，后者的输出端依次串联可控硅通断识别及信号整定和电压隔离电路和可控硅的封锁和解封锁控制电路后，分别与可控硅连续工作和相互转换的识别及锁存电路的一路输入端连接，后者的多路输出端分别与该可控硅封锁和解封锁电路的多路控制端对应连接；
在任意一个该电压/电流传感器的输出端与电源启动时准电流过零延时同步电路的输入端连接，后者的输出端与所述的数据采集和指令控制电路的延时控制端连接。
所述的数据采集和指令控制电路由依次连接的数据采集器、比较器和锁存器组成，该锁存器的控制端作为所述的延时控制端，与所述的电源启动时准电流过零延时同步电路的输出端连接。
所述的可控硅封锁和解封锁电路采用锁存器；所述的可控硅准电流过零触发输出控制电路采用缓冲/驱动器；所述的可控硅电压隔离和开关驱动电路采用光电耦合触发器；所述的电压/电流传感器采用电压/电流互感器PT或由电流互感器CT、电阻R或电容C组成的取样电路组成；所述的可控硅的封锁和解封锁控制电路和电源启动时准电流过零延时同步电路分别采用时基触发器；所述的可控硅连续工作和相互转换的识别及锁存电路采用与非门。
所述的可控硅通断识别及信号整定和电压隔离电路由依次连接的整流滤波电路、比较器和光电隔离器组成。
本发明与传统的可控硅电压过零同步触发控制方法和可控硅电流过零同步控制方法相比较具有如下增益：
(1)、自动跟踪可控硅准电流过零触发控制方法的取样方法不同于常规的电压同步和电流同步的过零点检测方法，它是用可控硅阳极和阴极两端的电压电流传感器对可控硅两端的电压进行检测，它在可控硅导通时判定信号为“0”，在可控硅准电流过零时判定为“1”，这种判定方法界限分明、准确可靠，是理论上认为最可靠的方法之一，由此就有避免误判的可能，用此作为可控硅准电流过零时触发控制依据准确、可靠性好。
(2)、用可控硅上通过的电流小于维持电流开始后，以过零后可控硅的掣住电流这个时间段前的时间(准电流过零)作为判断可控硅关断“1”的依据，虽然不是理论上的过零点，但是它是实际可控硅在工作中真正的过零关断时间段，它真实、准确、稳定、可靠，理论上不会受到其它电信号和过零点电压抖动的干扰，是作为高稳定性可控硅过零触发控制的较好的方法。
(3)、用可控硅上通过的电流小于维持电流开始后，以过零后可控硅的掣住电流这个时间段的时间作为判断可控硅关断“1”的准电流过零作为可控硅过零触发控制，这个准电流过零是工作时电路中流过的真正的零电流时间段，这个时间段自动随着电路实际工作电流的超前或滞后变化而变化，属于自动跟踪相位的过零变化而变化，它永远和“电流过零”处于真正的同步状态，用其作为可控硅过零触发，不会出现“失步”和“同步不稳”的误触发情况。
(4)、用准电流过零触发可控硅配合自取电触发可控硅，在可控硅过流换向过零点时波形连续、平滑，没有附加谐波干扰，使电源保持绿色供电。
(5)、用准电流过零触发可控硅，在可控硅之间互相转换时出现的交越失真时间过零段，根据可控硅上所加电压的高低不同，在几十微秒到几百微秒之间，这个时间对可控硅互相转换基本可以认为是连续的。
(6)、用自动跟踪可控硅准电流过零触发控制的方法，由于过零点检测控制时间准确，可控硅过零点时换相和可控硅相互转换时都在电流零点附近进行，可控硅没有连续和瞬时电流的冲击，其两端也不会存在由电流冲击而产生的过电压冲击影响，换相和相互转换时都在没有电流流通的电流过零时进行，没有电流冲击的平稳转换过程，对可控硅的可靠工作和使用寿命延长起到了极大的保护作用。
(7)、用自动跟踪可控硅准电流过零触发控制的方法控制可控硅的导通和关断，配以附图中的各种封锁和准时解锁电路，在电路工作时，被打开的第一个可控硅打开后，马上使其它所有可控硅的触发电路处于封锁状态，不准再有其它任何可控硅打开，保证了其打开的可控硅开通的唯一性，不会存在任何时间段出现两个及以上可控硅误触发造成短路和过流情况的发生。
(8)、当指令开通的可控硅打开后，根据传感器给出的信号，封锁其它可控硅的触发控制信号的同时，等待控制指令的变化。如果控制指令没有发出关断本路可控硅、开通其它可控硅的指令，本可控硅将等待本周期相位在下一个准过零点后，连续转换到反向相位继续开通本可控硅，使其不会产生在准过零点时电流出现断续现象。
(9)、开通的可控硅直到接收到关断指令，这时会准备好要打开的某路可控硅的指令，但这时的指令在封锁信号的控制下都不会执行动作。开通的可控硅等到其通过的电流在准电流过零到来后，因为没有了打开指令，它会即刻关闭。
(10)、这个可控硅关闭后，所有可控硅就都处于关断状态，准电流过零后其传感器共同发出的“1”信号，使封锁电路解锁，封锁解锁的同时，新指令的可控硅打开，新打开的可控硅打开后发出“0”信号封锁其它所有可控硅不能够再有开通信号或干扰、电路抖动等无关信号的通过，这样即完成了转换的交接，又避免了任何可能出现的误触发和过零点时由于零点附近的干扰对转化造成的影响。
(11)、一个可控硅从准电流过零时的关断到另一个可控硅由关断转为导通，电压、电流传感要等待前一可控硅准电流过零后按照正弦波的换相后电压上升的规律，这一个时间段会在电流过零点上出现一个短时间的电流等待，这个等待时间根据施加在可控硅上的电源电压不同而不同，一般都在几十微秒到几百微秒之间，这个等待时间是在所有可控硅都没有电流流通时进行的，所以不会产生关断反冲击电流，和由此电流产生的反峰冲击电压，有效的保护了可控硅安全可靠的转换交接。同时几十微秒到几百微妙在零电流时中断，由于相对时间较短，也接近于电流的连续转换，对很多电路来说不会影响其正常工作。
(12)、新的指令开通的可控硅导通后，迅速发出“0”的信号，这个“0”的信号即刻把其它可控硅的触发信号通路封锁。从新打开可控硅的开通到发出封锁指令的锁定时间一般在几十纳秒到一百纳秒，这个高速封锁信号几乎能够避免大部分干扰对开通的可控硅造成的干扰和影响，可以有效的避免干扰严重的环境下工作的可控硅在进行互换转换时造成的可控硅转换颠覆。
