異步電動機(jī)晶閘管串級調(diào)速觸發(fā)電路的設(shè)計

三峽電力職業(yè)學(xué)院 李 莉 徐金雄

1.引言

近幾年來，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。交流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電動機(jī)的性能一樣，而且成本和維護(hù)費(fèi)用比直流電動機(jī)系統(tǒng)更低，可靠性更高。目前，國外先進(jìn)的工業(yè)國家生產(chǎn)直流傳動的裝置基本呈下降趨勢，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。

串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)串級調(diào)速。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速可以將異步電動機(jī)的功率加以應(yīng)用(回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機(jī)械能送回到電動機(jī)軸上)，因此效率高。它能實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機(jī)械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。本文討論的主要是這種調(diào)速方法核心部分的觸發(fā)電路的設(shè)計。觸發(fā)電路又分為同步電路，控制電路，脈沖隔離放大電路。下面談一談各部分具體電路的設(shè)計。

2.同步電路的設(shè)計

三相橋式整流電路每相自然換相點(diǎn)距本相電壓零點(diǎn)30°，觸發(fā)角α的大小必須從自然換相點(diǎn)算起，所以必須有同步脈動信號來指示主回路電源相電壓的自然換相點(diǎn)，以便確定α角定時的起點(diǎn)，電路如圖1所示(以A相為例)。

取A相電源為同步脈沖基準(zhǔn)電壓，經(jīng)變壓器降壓后，進(jìn)入RC1移相電路，產(chǎn)生30°角的延時，再經(jīng)限流環(huán)節(jié)、脈沖形成環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生一方波電壓信號。通過反相器及輸出電路就可以得到脈沖信號。脈沖幅值等于5/R2，各點(diǎn)波形如圖2所示。

根據(jù)理論分析，移相角計算公式為：

當(dāng)C1確定之后，調(diào)節(jié)R即可調(diào)節(jié)移相范圍，選取C1=0.022μF，R=4.7KΩ，電位器即能滿足θ=30°的移相要求。

3.單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)即：單片機(jī)與能使單片機(jī)正常工作所需要為單片機(jī)外加的最少的元器件所組成的系統(tǒng)。一般包括：單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路及簡單的輸入輸出接口電路。

單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的可控高增益反向放大器。兩個引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入和輸出端。在片外跨接一晶振和兩個匹配電容，如圖3所示，就構(gòu)成了一個自激振蕩器。振蕩頻率根據(jù)實(shí)際需求的工作速度，可選擇從幾百千赫茲至24MHz。

表1 脈沖分配表（1有效）

表2 晶閘管與P1口引腳的對應(yīng)關(guān)系

圖1 A相電源步電路

圖2 同步電路中各點(diǎn)脈沖信號

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖4 脈沖放大隔離電路

本設(shè)計中使用的晶振頻率為12MHz，選擇的匹配電容為30 pF。RST引腳是復(fù)位端，高電平有效。在該引腳輸入至少連續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)復(fù)位。使用時，一般在此引腳與VSS引腳之間接一個約8.2 KΩ的下拉電阻，與VCC引腳之間接一個約10 pF的電解電容，即可保證上電自動復(fù)位。增加按鍵開關(guān)和電阻又可實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位功能。

4.觸發(fā)脈沖的形成及其放大輸出

4.1 脈沖分配表

在觸發(fā)六個晶閘管時，為了方便起見，可建立一個脈沖分配表，如表1所示。當(dāng)系統(tǒng)初始化時將它寫入存儲器中。每當(dāng)觸發(fā)時間到，按指針從表中取出一個數(shù)據(jù)從單片機(jī)的P1口輸出，經(jīng)脈沖放大隔離后去觸發(fā)晶閘管，晶閘管與單片機(jī)的P1口的具體連接情況如表2所示。

4.2 脈沖的產(chǎn)生

將同步信號的輸出接于單片機(jī)的P3.2引腳，單片機(jī)CPU檢測到同步信號時，啟動定時器T0，延時到一個角度后，即定時器T0溢出中斷，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，給P1口輸出晶閘管1、6的觸發(fā)脈沖，同時啟動定時器T1，對60°進(jìn)行計時，然后調(diào)用延時程序，時間到時將P1口清零，等待T1的溢出。T1一溢出，即轉(zhuǎn)入T1的中斷服務(wù)程序，給P1口輸出下一對觸發(fā)脈沖，將T1重新賦初值，再次調(diào)用延時程序，如此執(zhí)行直到六對脈沖全部輸出。

4.3 控制角α的計算

定時器的定時初值由下式計算得出：

式中 fosc為系統(tǒng)時鐘頻率，本設(shè)計中取T為定位時間。對于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。近似認(rèn)為電位器輸出電壓 UC與控制角α為線性關(guān)系。本設(shè)計取 UC的范圍為0-5V，與之對應(yīng)的α角的范圍為00-900。調(diào)節(jié)電位器，便得到不同的觸發(fā)角α，進(jìn)而控制三相全控橋的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。由以上對應(yīng)關(guān)系可得到如下表達(dá)式：

對于50Hz的交流電來說，控制角α對應(yīng)的時間（單位為μs）為：

將αT的值代入計算計數(shù)初值X的式子中，算出初值，并存入相應(yīng)的單元中等待程序來取。

4.4 脈沖的放大隔離

由于從單片機(jī)輸出的脈沖不足以驅(qū)動晶閘管使其導(dǎo)通，所以在單片機(jī)和晶閘管之間要加入脈沖放大隔離電路。一方面，給晶閘管提供導(dǎo)通脈沖；另一方面，也起到控制電路與主電路的隔離作用，避免對單片機(jī)的干擾。本設(shè)計所用的脈沖放大隔離電路如圖4所示。脈沖變壓器作用：二次側(cè)輸出觸發(fā)脈沖，一次側(cè)接在V集電極電路中。V起脈沖放大作用。

該電路由V構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成。沒有脈沖時，V不導(dǎo)通，其集電極為高電平，變壓器原邊沒有電流跳變，在副邊不能感應(yīng)出電動勢；當(dāng)脈沖到達(dá)，V導(dǎo)通時，集電極電壓突降，從而使變壓器原邊電流突增，在副邊感應(yīng)出電動勢，晶閘管的門極和陰極之間有正向電壓，如果此時晶閘管陽極和陰極之間加正壓，則晶閘管導(dǎo)通。VD1的作用是：V由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器釋放其儲存的能量。圖中VD3的作用是嚴(yán)格保證電流從左到右流通。

5.結(jié)論

本文以STC89C51RC單片機(jī)作為控制核心，通過同步電路實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)正弦波的同步，并對其進(jìn)行移相30°，找到自然換相點(diǎn)，為單片機(jī)的控制提供了前提條件。同步信號的觸發(fā)和電位器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了雙窄脈沖的移相控制。從P1口輸出的雙窄脈沖，經(jīng)脈沖放大隔離電路后，波形符合晶閘管觸發(fā)脈沖的要求，并經(jīng)試驗(yàn)?zāi)苁咕还軐?dǎo)通。用示波器對控制電路各點(diǎn)波形進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)控制電路各點(diǎn)波形雖有部分與理論值有出入，但仍符合要求，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有產(chǎn)生太大的影響。

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