基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路研究

【摘要】基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器無(wú)疑是現(xiàn)在的熱門觸發(fā)裝置。它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，溫漂小，可靠性高，便于智能化控制等。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動(dòng)較小，易濾波，控制滯后時(shí)間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。

【關(guān)鍵詞】單結(jié)晶體管；觸發(fā)電路；移相；同步

1.引言

基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器無(wú)疑是現(xiàn)在的熱門觸發(fā)裝置。它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，溫漂小，可靠性高，便于智能化控制等。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動(dòng)較小，易濾波，控制滯后時(shí)間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用三相可控整流電路。在電子設(shè)備中有時(shí)也會(huì)遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過(guò)1—2kw的電源，這時(shí)為了提高變壓器的利用率，減小波紋系數(shù)，也常采用三相整流電路。另外由于三相半波可控整流電路的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，為此在應(yīng)用中較少。而采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直，當(dāng)電感足夠大時(shí)，負(fù)載電流波形可以近似為一條水平線。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是小功率場(chǎng)合，較多采用單相可控整流電路。當(dāng)功率超過(guò)4KW時(shí)，考慮到三相負(fù)載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。在本電路中的電機(jī)的功率為22KW，因此，采用三相橋式全控整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)硬件電路

整套系統(tǒng)的硬件電路主要由主回路和微處理器控制電路組成。其中主回路包括同步信號(hào)產(chǎn)生電路和觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路以及帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路。三相全控橋式整流電路是由一組共陰極接法的三相半波整流電路（共陰極的晶閘管依次為T1、T3、T5）各一組共陽(yáng)接法的三相半波相控整流電路（共陽(yáng)極組的晶閘管依次為T6、T4、T2）串聯(lián)組成的。為了分析方便，把交流電源的一具周期由六個(gè)自然換流點(diǎn)劃分為六段，共陽(yáng)極組的自然換流點(diǎn)（α=0°）在ωt1、ωt3、ωt5、時(shí)刻，分別觸發(fā)T1、T3、T5晶閘管，同理可知共陽(yáng)極組的自然換流點(diǎn)（α=0°）在ωt2、ωt4、ωt6時(shí)刻，分別觸發(fā)T2、T4、T6晶閘管。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)門1→T2→T3→T4→T5→T6。并假設(shè)在t=0時(shí)電路已經(jīng)在工作，即T5、T6同時(shí)導(dǎo)通，電流波形已經(jīng)形成。由于是電機(jī)負(fù)載，因此有ωL>>Rd。三相橋式相控整流電路帶大電感負(fù)載α=0°時(shí)情況

2.1 1AT89C52主控制電路

主控制電路在α=0°時(shí)勢(shì)電流，電壓波形。在ωt1～ωt2期間，A相的電壓為正最大值，ωt1時(shí)刻觸發(fā)T1，則T1導(dǎo)通，T5截止，此時(shí)變成T1和T6同時(shí)導(dǎo)通，電流從A相流出，經(jīng)T1、負(fù)載、T6流回B相，負(fù)載上得到的A、B線電壓uAB。在ωt2～ωt3期間，C相的電壓變?yōu)樨?fù)最大值，A相電壓仍保持最大值，ωt2時(shí)刻觸發(fā)T2導(dǎo)通，T6截止，此時(shí)，T1和T2同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)載上得到A、C線電壓uAC。在ωt3～ωt4期間，B相電壓變?yōu)檎畲笾担珻相保持負(fù)最大值，ωt3時(shí)刻觸發(fā)T3，則T3導(dǎo)通，T1截止，此時(shí)T2的T3同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uBC。在ωt4～ωt5期間，B相電壓變?yōu)檎畲笾担珹相保持負(fù)最大值，ωt3時(shí)刻觸發(fā)T4，則T4導(dǎo)通，T2截止，此時(shí)T3的T4同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uBA。在ωt5～ωt6期間，C相電壓變?yōu)檎畲笾担珹相保持負(fù)最大值，ωt4時(shí)刻觸發(fā)T5，則T5導(dǎo)通，T3截止，此時(shí)T4的T5同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uCA。在ωt6～ωt7期間，C相電壓變?yōu)檎畲笾担珺相保持負(fù)最大值，ωt6時(shí)刻觸發(fā)T6，則T6導(dǎo)通，T4截止，此時(shí)T5的T6同時(shí)導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uCB。在ωt7～ωt8起，又重復(fù)從ωt1～ωt2開(kāi)始的這一過(guò)程。在一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載上得到的如圖3-2所示的整流輸出電壓波形，這是線電壓的波的正半部分的包絡(luò)線，其基波頻率為300Hz，脈到較小。

不得當(dāng)α>0°時(shí)，輸出的電壓波形發(fā)生變化，圖3-3為α=30°的波形。圖3-4為α=90°的波形。可見(jiàn)，當(dāng)α≤60°時(shí)，ud波形均為正值；當(dāng)成60°<α<90°時(shí)，由于電感的作用，ud波形出現(xiàn)負(fù)值，但正面積大于負(fù)面積，平均電壓Ud仍為正值；當(dāng)α=90°時(shí)，正負(fù)面積相等，Ud≈0。

2.2 三相全控橋式整流電路

經(jīng)變壓器出來(lái)的直流電壓接通六個(gè)晶閘管。從t1開(kāi)始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成區(qū)別在于：晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30°，組成ud的每一段線電壓因此推遲30°。

變壓器二次側(cè)電流ia波形的特點(diǎn)：在VT1處于通態(tài)的120°期間，ia為正，ia波形的形狀與同時(shí)段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120°期間，ia波形的形狀也與同時(shí)段的ud波形相同，但為負(fù)值。ud≤60°時(shí)ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。

區(qū)別在于：由于負(fù)載不同，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同。阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線。

2.3 同步電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的觸發(fā)電路一般都需要三相同步變壓器提供同步信號(hào)，在三相全控橋式整流電路中，采用單片機(jī)觸發(fā)的晶閘管，首先要使觸發(fā)脈沖的自然換相點(diǎn)與三相電源的線電壓的過(guò)零點(diǎn)同步。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

緩啟動(dòng)時(shí)間為2s，最低的導(dǎo)通時(shí)間不低于3ms，導(dǎo)通時(shí)間的步進(jìn)數(shù)目不少于20步。

3.2 系統(tǒng)框圖

3.3 交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源

3.3.1 原理圖

3.3.2 原理分析

輸入7.5V交流電壓經(jīng)過(guò)由4個(gè)1N4007二極管組成的橋式整流電路后由電容C7，C6進(jìn)行濾波，再經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓集成塊穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的+5V電壓。為芯片工作提供電源。

3.3.3 電路原理圖

3.3.4 電路分析

整流之后的信號(hào)由一個(gè)二極管1N4007于之后穩(wěn)壓電路隔離開(kāi)，把這個(gè)信號(hào)接到光耦隔離器TLP521，并將4引腳輸出信號(hào)接到單片機(jī)的外部中斷0中即P3.2引腳。對(duì)應(yīng)的波形圖如圖4所示。

3.3.5 參數(shù)選擇

發(fā)光二極管工作電流為10mA，當(dāng)輸入電壓平均值為5V，所以電阻，取R5=330Ω.R6是限流電阻，取R6=10KΩ.

3.3.6 電路原理圖

3.3.7 電路原理分析

采集到的同步信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后控制雙向可控硅MOC3021的導(dǎo)通。用功率電機(jī)來(lái)模擬電機(jī)的啟動(dòng)。按鍵用來(lái)使電機(jī)重新的啟動(dòng)過(guò)程。該電路的輸出與輸入的波形如圖6所示。其中黑色部分為導(dǎo)通的時(shí)間。

3.4 晶閘管相控電路的驅(qū)動(dòng)控制

對(duì)于相控電路這樣使用晶閘定的場(chǎng)合，在晶閘管陽(yáng)極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能從截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，習(xí)慣上稱為觸目驚心發(fā)控制。提供這個(gè)觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。它決定每一個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。晶閘管相位整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角α的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來(lái)控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證觸發(fā)角α的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘施加有效的觸發(fā)脈沖。正確設(shè)計(jì)選擇與使用觸發(fā)電路，可以充分發(fā)揮晶閘管及其裝置的潛力。保證安全可靠地運(yùn)行。

4.系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

5.設(shè)計(jì)總結(jié)

要了解各個(gè)芯片的工作原理，以及它典型的應(yīng)用電路。對(duì)于調(diào)試的時(shí)候要注意避免接線錯(cuò)誤等低級(jí)的錯(cuò)誤，提高焊接工藝對(duì)輸出的穩(wěn)定性與正確性有一定的關(guān)系。編寫(xiě)程序要有條理性，在主程序中用散轉(zhuǎn)的程序比較好。

6.軟件定時(shí)與實(shí)現(xiàn)

6.1 軟件的定時(shí)

由于定時(shí)器采用AT89C52的自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，省去了單片機(jī)外接定時(shí)芯片，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路。采用的晶振為12MHz，分頻為12，所以相應(yīng)的時(shí)鐘周期為即定時(shí)計(jì)數(shù)器的最大值為20000，它對(duì)應(yīng)同步脈沖360°電角度。

6.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

主程序中包括了系統(tǒng)初始化子程序，控制角的輸入及計(jì)算，同步輸入信號(hào)的檢測(cè)，脈沖信號(hào)的輸出，系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位或停機(jī)的控制。

7.結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，采用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通α角對(duì)電路輸出電流的控制，使用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)定時(shí)器而省去了一些外圍器件，由此使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的控制智能化。該控制方案簡(jiǎn)單，使用元件少、實(shí)現(xiàn)容易、應(yīng)用廣泛，有很高的實(shí)用和推廣價(jià)值。基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管迅速、可靠的觸發(fā)，已成功的應(yīng)用于電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的檢驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]容實(shí)才.可逆變流器中晶閘管的微處理器觸發(fā)電路[J].信息與控制，1985（01）.

[2]朱俊，江智軍.單片機(jī)在智能軟啟動(dòng)器中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng)，2007（03）.

[3]於勝利.用單片機(jī)數(shù)字觸發(fā)器控制的晶閘管變流電路[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1990（01）.

[4]張澤兵，馮杰.淺析礦井交流提升低頻相控系統(tǒng)的改造[J].水力采煤與管道運(yùn)輸，2007（01）.