晶闸管在线监测技术研究
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【摘要】论述了实时在线监测同步电动机励磁装置整流晶闸管技术方法，以及实现这一功能的电路原理，同时叙述了对晶闸管进行预检测的原理与方法。
1 晶闸管在线监测的意义
同步电动机在工业企业中广泛地使用，近十年来，众多数字控制的励磁装置已逐步取代了由分离元件制作的老式励磁装置，技术上有了极大的飞跃。数控励磁一般以单片机作为系统的控制核心，并且具有线路简单、适用性强、体积小、工作稳定可靠、投励时间准确、便于数据采集、维护检修方便等优点，使得数控励磁技术发展得非常迅速。
晶闸管励磁装置，无论是老式由分离元件制作的，还是目前广泛使用的由集成电路控制的，包括以单片机为控制核心的励磁装置，其最重要的功率元件都是晶闸管。从分离元件发展到集成电路数控方式，在技术上的确产生了飞跃进步，但是仍然有一个不可忽视的技术问题一直没有得到解决，这就是晶闸管热稳定性产生的问题。晶闸管是一种半导体器件，半导体器件存在一种热的效应，其参数随环境温度和器件的温度的变化而变化，静态(不工作时)的参数与运行后温度上升时的参数有非线性变化。
在生产实践中。我们常见这种情况：例如，某励磁装置开环运行时设定励磁电流为180A，运行不久，励磁电流就下降到了160A左右。如果环境温度较低，发生这种现象所需的时间就长一些，反之，发生这种现象所需的时间就短。当然，这种现象在闭环控制时是看不到的，因为控制系统通过调节晶闸管的控制角稳定了励磁电流。
虽然控制系统可以通过调节晶闸管的控制角稳定励磁电流，这仅仅能够解决完好的晶闸管的热稳定性问题，但是，解决不了有问题的晶闸管热失效问题。有问题的晶闸管热失效问题不易被发现。更难以检测。这样的晶闸管在静态检测时，各种参数正常，运行一段时间后温度上升，慢慢失效，开始时间歇被触发导通，最后是再也触发不通了。停车检查，温度下降，晶闸管的参数也恢复了正常，查不到问题。一般情况是再投入运行，同样的问题又重复出现，时间长短不定。这时简单的办法就是把所有的晶闸管，无论好坏，统统换掉，宁可错杀四五个，也不能放过一个，造成很大浪费。这种励磁故障在生产实践中是最难解决的，也是经常遇到的。
北京顺北方科技有限公司技术人员经过多年对晶闸管励磁装置的实践研究，研制成功了一种新型的单片机控制的晶闸管励磁装置，有效地解决了晶闸管实时在线监测技术，实现了励磁装置运行期间全过程在线监测并显示晶闸管的状态，为励磁装置的运行维护提供了极大的便利。
实现晶闸管实时在线监测技术的另一个重要意义在于，保证晶闸管励磁装置安全可靠地实现逆变停车。搞过晶闸管逆变技术的人员都知道这样一个技术问题，即整流桥的所有晶闸管必须全部都处于完好的情况下，励磁装置才能够采取逆变停车方式进行停车；否则，在停车过程期间，如果有任何一个晶闸管不良或已损坏，采取逆变停车方式必然导致逆变颠覆，立即烧毁其余全部的晶闸管，甚至上下桥臂短路烧电机。所以。从这一技术问题分析，目前，尚没有任何一家生产的励磁装置采用的是逆变停车方式(虽然有些厂家声称采用的是逆变停车方式)。原因就是还没有任何一家的晶闸管励磁装置具有本设计提到的晶闸管实时在线监测技术。没有在线监测技术，哪一家愿意冒逆变停车的风险呢?
2 晶闸管实时在线监测技术原理
所有的晶闸管励磁装置的主回路都如图1所示。
三相380V电源经整流变压器降压，通过六个晶闸管(全控桥励磁装置)进行可控整流后，向同步电动机提供直流励磁电流电压。电动机是大电感负载，所以励磁电流较为平滑。但所有励磁电压无一例外，都是周期性波动的，如图2所示。
生产中人们通常所说的励磁电压指的是励磁平均电压，往往忽略了它是脉动电压。电压在一个周期内脉动六次，每个脉动电压波头的起点，对应着一个晶闸管的触发时刻。
晶闸管在线监测的原理就是，在每个触发脉冲发出时刻的前后，各测取一个电压值，然后进行比较、运算，判定相应的晶闸管是否被有效触发。如图3所示，在每个周期(20ms)的电压波形图上对应的位置，对励磁电压采样12次，测点见图示。
如果全部的晶闸管都处于正常状态，从图3可见，必然存在下列比值关系：
V21＞V12，V31＞V22，V41＞V32，V51＞V42，V61＞V52，V11＞V62
但是，如果存在状态不良的晶闸管，就会发生如图4所示的情况。
例如，在晶闸管SCR2触发脉冲发出时刻之前，测取电压值V12，在SCR2触发脉冲发出时刻之后，再测取一个电压值V21，然后将电压值V12、V21相比较，如果V21＞V12，情况如图3所示，表明SCR2被触发后有效开通。如果V21＜V12，说明V21取在V13处，SCR2被触发后没有效开通，SCR2的波形丢失，测取的不是SCR2的波形电压，而是SCR1的波形延续。
依次检测完六个晶闸管，然后，根据这六个晶闸管的状态，通过软件运算，判断出哪个晶闸管正常，哪个晶闸管损坏。需要注意的是，并非缺少波头的那个晶闸管是损坏的，这需要通过对所有的波形情况计算后，才能判定。
3 晶闸管在线实时监测电路
本设计中晶闸管触发功能和晶闸管的在线实时监测及状态显示功能，都用同一个单片机来完成。所以每个晶闸管的触发时刻在程序中可以直接使用，不用另加电路。在每个脉冲发出时刻的前后，通过ADC0804测取两个励磁电压值，送入单片机运算，检测出所有晶闸管的状态。
晶闸管的在线实时监测及状态显示功能，对励磁装置的运行与维护，都十分重要。有时，励磁装置的晶闸管有损坏的，励磁装置不能正常运行，但是，静态检测时，各参数都正常，把晶闸管装上励磁装置后，不久又不能正常运行。一个全控整流励磁装置有六个晶闸管，励磁装置发生故障时，常常难以判断出哪个晶闸管坏了，只好全部更换。晶闸管的价格很贵，浪费较大。
4 晶闸管状态预检测功能设计
为了能够更早发现晶闸管的故障，这种励磁装置除了在线实时监测晶闸管并显示晶闸管状态功能的基础上，又设计了晶闸管预检测功能，可在励磁装置投入运行之前，检测出晶闸管的好坏。
根据工艺规程，同步电动机开车之前，要测试励磁装置的灭磁和投励环节。这种励磁装置在测试投励操作时(不增加任何其它操作)，即可检测出全部晶闸管的好坏状况，发现有坏的晶闸管，立即更换，避免励磁装置带病运行，引发其他故障。
当然，晶闸管预检测功能只能检测出那些静态参数良好，而投入运行马上就表现出毛病的晶闸管，可以说是状态较差的晶闸管。对于那些静态参数良好，而投入运行一段时间温升后才表现出毛病的晶闸管，只能通过本设计中的在线实时监测及状态显示功能来判断。
5 晶闸管实时在线监测及晶闸管状态预检测功能软件设计
北京顺北方科技有限公司生产的数控励磁装置主要采用两种系列的单片机：MCS―51和AVR系列单片机。用C―51语言为89C51单片机设计的晶闸管实时在线监测及晶闸管状态预检测功能软件。有兴趣的工程技术人员可向作者索取。