電力電子實驗設(shè)備觸發(fā)脈沖電路的改造設(shè)計

摘要由MCS-51系列單片機組成的數(shù)字觸發(fā)脈沖輸出電路，可以方便地做到多種觸發(fā)脈沖信號的輸出，容易擴展不同功能，易于調(diào)節(jié)移相控制角，能夠滿足電力電子技術(shù)實驗的不同要求，系統(tǒng)制作和程序的編寫難度也不大，能夠較好地解決模擬觸發(fā)脈沖電路的不穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞 觸發(fā)脈沖；移相控制角；A/D轉(zhuǎn)換；同步

中圖分類號：O46 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2007）09－0060-03

1 引言

電力電子技術(shù)在實際應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用，許多專業(yè)都開設(shè)了電力電子技術(shù)課程，在教學(xué)中要常常使用電力電子教學(xué)設(shè)備。電力電子技術(shù)實驗課程經(jīng)常使用到觸發(fā)脈沖，但大多數(shù)電力電子實驗設(shè)備中的觸發(fā)脈沖電路存在一些問題：采用模擬電子電路，其輸出不太穩(wěn)定；在調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖時，經(jīng)常會出現(xiàn)移相控制角的非線性變化；電路的抗干擾能力較差，不利于用示波器觀察輸入輸出波形。利用單片機電路可以方便地輸出數(shù)字觸發(fā)脈沖信號，本文介紹基于MCS-51系列單片機的數(shù)字觸發(fā)脈沖電路的設(shè)計。

2 電力電子實驗設(shè)備常見的觸發(fā)脈沖類型

在電力電子技術(shù)中常用的觸發(fā)脈沖包含3種類型：單脈沖、單寬脈沖和雙窄脈沖。觸發(fā)脈沖在單相半波整流、單相全波整流、三相半波整流、三相半控橋整流和三相全控橋整流等電路中對晶閘管進行觸發(fā)，不同的電路對觸發(fā)脈沖有不同的要求，觸發(fā)脈沖的輸出組別數(shù)量也不同（表1）。

為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，要求觸發(fā)電路滿足以下要求：

2.1 觸發(fā)電路輸出的觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的電壓和功率

電子市場中常見的晶閘管型號較多，從常見晶閘管系列參數(shù)中我們可以查出門極觸發(fā)電壓UG≤4.0 V和觸發(fā)電流IG≤450 mA，因此輸出觸發(fā)脈沖要滿足此條件，以適應(yīng)不同實驗的要求。

2.2 觸發(fā)脈沖的前沿要陡，觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)滿足要求

2.3 滿足主電路移相范圍要求

單相可控整流電路電阻負載與大電感負載接有續(xù)流二極管的電路其移相范圍均為180°，全控大電感負載不接續(xù)流管的移相范圍為90°。

2.4 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓取得同步

3基于單片機的觸發(fā)脈沖輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)電路組成包含有：單片機芯片、移相控制角調(diào)節(jié)電路、同步脈沖整形、觸發(fā)脈沖類型選擇電路和觸發(fā)脈沖輸出及整形電路等。系統(tǒng)組成如圖1所示：電壓調(diào)節(jié)采用分壓電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，來控制輸出觸發(fā)信號的移相角度；觸發(fā)脈沖輸出的類型由一組轉(zhuǎn)換開關(guān)輸入的二進制編碼來控制，通過以上對常用的觸發(fā)脈沖的統(tǒng)計，采用四組開關(guān)可以滿足。

3.2單片機芯片選擇

系統(tǒng)單片機芯片選擇采用89C51。89C51芯片內(nèi)部有4 KB可編程Flash存儲器，芯片的使用資料多，價格便宜，易于購買。片內(nèi)的存儲器對于編程完全夠用；它具有4個I/O口，可以非常方便的利用I/O口完成觸發(fā)脈沖的輸出和脈沖轉(zhuǎn)換控制開關(guān)的設(shè)置，可以大大減少系統(tǒng)的擴展，降低電路的復(fù)雜程度。

3.3同步信號的獲得

由于觸發(fā)脈沖的自然換相點要與三相電源的線電壓的過零點同步，所以要由同步脈沖形成電路產(chǎn)生同步脈沖，輸入的交流信號為U相線電壓。

電路如圖2所示：交流電經(jīng)過降壓后，由比較器進行過零檢測，然后經(jīng)過光電隔離經(jīng)微分電路輸出脈沖信號，加到單片機外部中斷引腳去作為同步信號。

3.4 觸發(fā)脈沖的輸出

驅(qū)動電路主要由光電隔離和脈沖變壓器等電路組成，電路如圖3所示：不同的觸發(fā)脈沖由P2口輸出，輸出脈沖的類型受轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，輸出的脈沖組數(shù)由脈沖類型需要決定。光耦合對于單片機系統(tǒng)與整流主電路起到很好的隔離作用，輸出脈沖變壓器可以滿足觸發(fā)脈沖與主電路中晶閘管觸發(fā)匹配。

3.5 移相控制角調(diào)節(jié)的設(shè)計

通過一個可變電位器對5 V進行分壓來實現(xiàn)移相控制角調(diào)節(jié)，0-5 V的模擬電壓輸入到ADC0804的VIN（+）腳，由ADC0804轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機中，經(jīng)過軟件編程由P2口輸出不同移相控制角的脈沖。

ADC0804是8位CMOS逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的時間為100μs，存取時間為135μs，對應(yīng)輸入電壓0-5.1 V轉(zhuǎn)換為256級8位二進制數(shù)值，移相控制角移相范圍可以由表1查得最大為0-180°，可以設(shè)定輸入電壓在0-3.6 V之間，ADC0804輸出的數(shù)值則為0-180之間，對應(yīng)移相控制角的是0-180°。

4 程序設(shè)計

程序主要由主程序、同步中斷控制和各類型觸發(fā)脈沖輸出等程序組成，結(jié)構(gòu)見圖4。

在編程中可以參考表1來確定觸發(fā)脈沖的脈沖寬度，同時還要考慮到移相控制角的控制要

轉(zhuǎn)換為脈沖的延時時間。例如：設(shè)系統(tǒng)的晶振為12 MHz，要獲得30°的移相控制角，則ADC0804模擬電壓輸入為0.60 V，ADC0804的數(shù)字輸出值為00011110，對應(yīng)同步脈沖輸出的觸發(fā)脈沖就須延時1 667μs。

5 結(jié)束語

采用單片機控制觸發(fā)電路在實驗室環(huán)境下可以做到穩(wěn)定運行，可以方便地進行功能的擴展，若擴展一些鍵盤顯示或通過串口通信與PC機相聯(lián)，能夠非常直觀的控制輸出觸發(fā)脈沖。雖然在環(huán)境惡劣的地方，單片機控制觸發(fā)電路安全性不高，在許多應(yīng)用中成本控制沒有優(yōu)勢，但在實驗室卻是一種非常好的手段。