1.引言

基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器無疑是現(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，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，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)備中有時也會遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過1-2kw的電源，這時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，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，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。當(dāng)功率超過4KW時，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實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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產(chǎn)生電路和觸發(fā)脈沖信號驅(qū)動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)各一組共陽接法的三相半波相控整流電路(共陽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自然換流點(diǎn)劃分為六段，共陽極組的自然換流點(diǎn)(α=0°)在ωt1、ωt3、ωt5、時刻，分別觸發(fā)T1、T3、T5晶閘管，同理可知共陽極組的自然換流點(diǎn)(α=0°)在ωt2、ωt4、ωt6時刻，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時電路已經(jīng)在工作，即T5、T6同時導(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°時情況2.1 1AT89C52主控制電路

主控制電路在α=0°時勢電流，電壓波形。在ωt1~ωt2期間，A相的電壓為正最大值，ωt1時刻觸發(fā)T1,則T1導(dǎo)通，T5截止，此時變成T1和T6同時導(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時刻觸發(fā)T2導(dǎo)通，T6截止，此時，T1和T2同時導(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?，C相保持負(fù)最大值，ωt3時刻觸發(fā)T3,則T3導(dǎo)通，T1截止，此時T2的T3同時導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uBC.在ωt4~ωt5期間，B相電壓變?yōu)檎畲笾?，A相保持負(fù)最大值，ωt3時刻觸發(fā)T4,則T4導(dǎo)通，T2截止，此時T3的T4同時導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uBA.在ωt5~ωt6期間，C相電壓變?yōu)檎畲笾?，A相保持負(fù)最大值，ωt4時刻觸發(fā)T5,則T5導(dǎo)通，T3截止，此時T4的T5同時導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uCA.在ωt6~ωt7期間，C相電壓變?yōu)檎畲笾?，B相保持負(fù)最大值，ωt6時刻觸發(fā)T6,則T6導(dǎo)通，T4截止，此時T5的T6同時導(dǎo)通，負(fù)載上得到的uCB.在ωt7~ωt8起，又重復(fù)從ωt1~ωt2開始的這一過程。在一個周期內(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，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?？梢?，當(dāng)α≤60°時，ud波形均為正值;當(dāng)成60°<α<90°時，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，正負(fù)面積相等，Ud≈0.

2.2 三相全控橋式整流電路設(shè)計

經(jīng)變壓器出來的直流電壓接通六個晶閘管。從t 1開始把一周期等分為6段，u d波形仍由6 段線電壓構(gòu)成區(qū)別在于： 晶閘管起始導(dǎo)通時刻推遲了3 0 °， 組成u d的每一段線電壓因此推遲3 0°。

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段的ud波形相同，但為負(fù)值。ud≤60°時ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時十分相似，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，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

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，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零點(diǎn)同步。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求

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

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

3.3 交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源

3.3.1 系統(tǒng)原理圖

3.3.2 原理分析

輸入7.5V交流電壓經(jīng)過由4個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

整流之后的信號由一個二極管1N4007于之后穩(wěn)壓電路隔離開，把這個信號接到光耦隔離器TLP521,并將4引腳輸出信號接到單片機(jī)的外部中斷0中即P3.2引腳。對應(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

采集到的同步信號經(jīng)過單片機(jī)處理后控制雙向可控硅MOC3021的導(dǎo)通。用功率電機(jī)來模擬電機(jī)的啟動。按鍵用來使電機(jī)重新的啟動過程。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)通的時間。

3.4 晶閘管相控電路的驅(qū)動控制

對于相控電路這樣使用晶閘定的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，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。

它決定每一個晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個重要組成部分。晶閘管相位整流電路，通過控制觸發(fā)角α的大小即控制觸發(fā)脈沖起始位來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的大小在正確的時刻向電路中的晶閘施加有效的觸發(fā)脈沖。正確設(shè)計選擇與使用觸發(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)測試

測試結(jié)果如圖7所示。

系統(tǒng)測試總結(jié)：

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

5.軟件定時與實(shí)現(xiàn)

5.1 軟件的定時

由于定時器采用AT89C52的自動計數(shù)功能，省去了單片機(jī)外接定時芯片，簡化了設(shè)計電路。

采用的晶振為12MHz,分頻為12,所以相應(yīng)的時鐘周期為即定時計數(shù)器的最大值為20000,它對應(yīng)同步脈沖360°電角度。

5.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

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

6.結(jié)語

本文所提出的基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)裝置的設(shè)計方案，該方案充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，采用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通α角對電路輸出電流的控制，使用單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)定時器而省去了一些外圍器件，由此使得結(jié)構(gòu)簡單。通過軟件實(shí)現(xiàn)對晶閘管的控制智能化，從而驗(yàn)證了本設(shè)計方案簡單，使用元件少、實(shí)現(xiàn)容易、應(yīng)用廣泛，有很高的實(shí)用和推廣價值。基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計成功的實(shí)現(xiàn)了對晶閘管迅速、可靠的觸發(fā)，已成功的應(yīng)用于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)通過了工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的檢驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用前景。