基于MCU的交流功率調(diào)節(jié)控制器的設(shè)計(jì)

李 艷，張 靜，任 普

(1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.河南馳誠電氣股份有限公司，河南 鄭州 450001)

電能在人們的日常生活中起著至關(guān)重要的作用。從1835年開始，蘇格蘭科學(xué)家James Bomanlin在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了最早的電燈。1913年，美國芝加哥開發(fā)出世界上第一臺(tái)家用冰箱。使得對(duì)電能的要求也越來越高。然而，使用大量非線性電氣設(shè)備導(dǎo)致較差的電能質(zhì)量。而且，使用各種各樣的數(shù)字和智能家電需要高質(zhì)量的電源，如何轉(zhuǎn)換出高質(zhì)量的電能以供不同負(fù)載的使用就顯得尤為重要[1-5]。

目前，以晶閘管為代表的半控型電力電子器件在工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)上主要實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的目的。這種功率調(diào)節(jié)方式是在負(fù)載電路中串聯(lián)兩個(gè)反并聯(lián)的單相晶閘管來實(shí)現(xiàn)的。以交流電源作為控制單元的周期，有兩種觸發(fā)模式，過零觸發(fā)和相移觸發(fā)。在相移電壓調(diào)節(jié)模式中，由晶閘管的柵極產(chǎn)生的脈沖引起的工頻交流電流每半個(gè)周期連續(xù)調(diào)節(jié)，這相當(dāng)于負(fù)載電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。過零觸發(fā)分為固定周期和可變周期同步過零調(diào)整[6-8]。當(dāng)MCU發(fā)出控制脈沖時(shí)，晶閘管在交流電壓過零時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。以這種方式調(diào)節(jié)AC電壓的正弦波的數(shù)量以改變負(fù)載消耗的平均功率。

基于單片機(jī)的交流功率調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是交流功率調(diào)節(jié)主電路，單片機(jī)控制電路，精密檢測(cè)和控制算法程序的結(jié)合。設(shè)計(jì)應(yīng)用方便，范圍廣，實(shí)用價(jià)值強(qiáng)，節(jié)能減排[9]。

以微控制器為控制核心的交流電源穩(wěn)壓器的優(yōu)勢(shì)顯而易見，但仍有許多問題需要考慮，抗干擾是主要問題[10-12]。微控制器在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)受到電磁干擾，特別是MCU的外部中斷信號(hào)容易受到干擾。

該設(shè)計(jì)選擇占空比平均分配模式，即過零觸發(fā)功率調(diào)整模式。在單位時(shí)間內(nèi)，MCU根據(jù)當(dāng)前的開關(guān)占空比分配交流電源的頻率，以實(shí)現(xiàn)電源的調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)輸出功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，需要在電流過零點(diǎn)觸發(fā)相應(yīng)晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷。該模式可有效避免各種干擾因素，提高設(shè)計(jì)的可靠性。

1 交流調(diào)功器設(shè)計(jì)原理

1.1 交流調(diào)功器工作原理分析

晶閘管交流功率調(diào)節(jié)器主要用于功率因數(shù)為1的電阻負(fù)載，例如：如鎳鉻，鐵鉻鋁，鎳鐵電阻絲，鎢鉬絲，碳化硅棒，遠(yuǎn)紅外電熱板等電熱元件。適用于電加熱設(shè)備的自動(dòng)和手動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，如電阻爐，電加熱器，擴(kuò)散爐，恒溫器，烤箱，爐子等[1]。在交流功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，熱電偶主要檢測(cè)負(fù)載溫度，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。電壓信號(hào)由溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給MCU。MCU將數(shù)據(jù)處理后，與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，分析計(jì)算輸出功率大小，從而決定晶閘管的通斷狀態(tài)，達(dá)到控制負(fù)載溫度大小的目的。基于MCU的晶閘管交流功率調(diào)節(jié)控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

交流電源調(diào)節(jié)控制器的主電路包括熔斷器，晶閘管和隔離電流互感器?？刂齐娐钒?1)過零脈沖發(fā)生器，(2)鋸齒波發(fā)生器，(3)矩形波發(fā)生器，(4)過電流截止器，(5)“和”門邏輯控制器，(6)脈沖觸發(fā)電路等電加熱器，負(fù)載RL，PID調(diào)節(jié)器等通過外部控制開關(guān)和功率調(diào)節(jié)控制器形成閉環(huán)控制回路。溫度控制調(diào)節(jié)儀的功能是將溫度傳感器采集的實(shí)際溫度值與人工設(shè)定的參考溫度值進(jìn)行比較，然后調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。以AC一個(gè)控制周期為基本單位，通過改變觸發(fā)脈沖占空比的大小來控制負(fù)載消耗功率大小的目的。

一些晶閘管調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)有過流保護(hù)電路，但保護(hù)速度和保護(hù)結(jié)果可能無法達(dá)到預(yù)期效果。為了更好地保護(hù)電路，在晶閘管調(diào)節(jié)器中安裝了快熔保險(xiǎn)絲，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

圖1 晶閘管交流功率調(diào)節(jié)控制器結(jié)構(gòu)圖

1.2 晶閘管工作原理分析

晶閘管，又稱可控硅整流器，是一種半控型的大功率轉(zhuǎn)換器裝置。他的發(fā)明開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新時(shí)代，有人稱之為繼晶體管發(fā)明和應(yīng)用之后的又一次電子技術(shù)革命?？赏ㄟ^小功率的電子信息電路產(chǎn)生的信號(hào)去控制大功率變流系統(tǒng)，使得電子技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入到強(qiáng)電領(lǐng)域。由于晶閘管是典型的相控變流器件，所以晶閘管在交流調(diào)功領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10-12]。

晶閘管的結(jié)構(gòu)可以用PNPN四層半導(dǎo)體來描述?？梢酝ㄟ^圖2所示的雙晶體管模型分析晶閘管的工作原理。

當(dāng)正向電壓EA連接在晶閘管陽極A和陰極K之間，并且在柵極(控制電極)G和陰極之間施加適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)EG，產(chǎn)生控制傳導(dǎo)電流IG，形成晶體管V2的基極電流。產(chǎn)生集電極電流IC2，并作為晶體管V1的基極電流，產(chǎn)生V1的集電極電流IC1。集電極電流IC1與 IG共同作用，使 V2的基極電流進(jìn)一步增大。在這個(gè)周期中，晶閘管內(nèi)部形成強(qiáng)烈的正反饋，導(dǎo)致V1和V2進(jìn)入完全飽和導(dǎo)通狀態(tài)。由于正反饋的作用，使IC1比IG大得多，導(dǎo)致晶閘管門失去控制。此時(shí)，器件無法從晶閘管的柵極控制其關(guān)斷半控制器件。

圖2 晶閘管電氣符號(hào)及工作原理圖

在交流調(diào)功控制系統(tǒng)中，為使在交流信號(hào)的正負(fù)半周都可調(diào)節(jié)信號(hào)大小，減小晶閘管觸發(fā)電路個(gè)數(shù)，縮小該功率調(diào)節(jié)控制器的體積，并且結(jié)合晶閘管的特性，該設(shè)計(jì)使用雙向晶閘管 BCMlAM作為核心轉(zhuǎn)換器件。雙向晶閘管通常用作交流電壓調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)和非接觸式開關(guān)。通過控制柵極，器件可以在主電極的正方向和負(fù)方向上觸發(fā)傳導(dǎo)。三端雙向可控硅在第一和第三象限中具有對(duì)稱的伏安特性。

2 交流調(diào)功器設(shè)計(jì)方案

基于MCU的功率調(diào)整控制器的系統(tǒng)原理圖如圖3所示。220 V AC電源通過電源變壓器T1轉(zhuǎn)換為12V交流低壓。他通過一個(gè)由四個(gè)二極管D1-D4和一個(gè)濾波電容器C4組成的橋式整流電路。由C5組成的橋式整流濾波器電路獲得穩(wěn)定的DC電壓值。再經(jīng)過固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805穩(wěn)壓和 C10、 C11的濾波后，在穩(wěn)壓電源VOUT的輸出端產(chǎn)生高精度，高穩(wěn)定性的DC 5 V電壓。此電壓可控供單片機(jī)使用。負(fù)載側(cè)可以連接到220V AC，頻率為50Hz。

過零檢測(cè)電路通過光耦合器件 MOC3022檢測(cè)電壓過零點(diǎn)，在信號(hào)過零點(diǎn)，光耦 MOC3022截止，輸出高電平，并發(fā)送至 MCU的 CPU單元，控制相應(yīng)晶閘管的開/觀。光耦合器具有良好的電氣絕緣和抗干擾能力，可以完全隔離負(fù)載輸入，安全性高。

為了模擬該交流調(diào)功控制器對(duì)實(shí)際負(fù)載溫度高低的調(diào)節(jié)作用，設(shè)立三個(gè)按鍵開關(guān)，描述在不同情況下控制晶閘管改變交流電的通、斷周期比，實(shí)現(xiàn)負(fù)載輸出功率的調(diào)節(jié)。具體操作過程如下：

圖3交流功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

當(dāng)按鍵S2按下時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行第一種模式，在交流電五個(gè)周期內(nèi)通兩個(gè)周期斷三個(gè)周期。當(dāng)按鍵S3按下時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行第二種模式，在交流電五個(gè)周期內(nèi)通三個(gè)周期斷兩個(gè)周期。當(dāng)按鍵S4按下時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行第三種模式，在交流電五個(gè)周期內(nèi)通五個(gè)周期斷零個(gè)周期。通過在不同時(shí)間接通和斷開雙向晶閘管，改變交流導(dǎo)通狀態(tài)循環(huán)次數(shù)與斷開狀態(tài)循環(huán)次數(shù)的比率，從而調(diào)節(jié)負(fù)載上消耗的平均功率。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，設(shè)計(jì)了一款控制輸出周期為65ms的交流功率調(diào)節(jié)控制器。通過光電耦合器件MOC3022檢測(cè)輸出電壓過零點(diǎn)，當(dāng)光耦輸出為高電平時(shí)，觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通。通過設(shè)置晶閘管的通斷周期比，調(diào)整輸出功率的大小。經(jīng)前述分析可知：系統(tǒng)的負(fù)載電壓與電流的通態(tài)周期和電源周期之間的關(guān)系是N/M。當(dāng)占空比分別為20%，40%，60%時(shí)，仿真測(cè)試波形如圖4所示。

由圖4可以看出。

①當(dāng)控制周期為M=5，N=1，則占空比為20%。輸出功率P=0.2P額；

②當(dāng)控制周期為M=5，N=2，則占空比為40%。輸出功率P=0.4P額；

③當(dāng)控制周期為M=5，N=3，則占空比為60%。輸出功率P=0.6P額。

圖4仿真輸出波形圖

仿真測(cè)試結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)交流輸出電壓的通斷周期，可有效控制輸出功率的大小。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，負(fù)載為100W的燈泡，可以觀察到當(dāng)輸出功率大小不同時(shí)，可清晰的觀察到燈泡的閃爍頻率明顯不同。不過，此種調(diào)節(jié)方式為斷續(xù)調(diào)節(jié)方式，不適合負(fù)載電流斷續(xù)的情況。但是此種調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單易行，在燈光控制應(yīng)用方面有較大的優(yōu)勢(shì)，有很大的應(yīng)用市場(chǎng)。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)基于MCU的交流功率調(diào)節(jié)控制器的分析與設(shè)計(jì)，得出：

(1)在主電路中，使用雙向晶閘管代替兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管，這提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和簡(jiǎn)單性。

(2)單片機(jī)控制的交流電源調(diào)節(jié)器采用過零檢測(cè)和比較控制方式，有效提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

(3)通過在線檢測(cè)，在功率調(diào)節(jié)控制端可以輸出相應(yīng)的電壓調(diào)節(jié)信號(hào)，有效的實(shí)現(xiàn)了調(diào)功系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。

但是在濾波算法和時(shí)效上有待進(jìn)一步的改進(jìn)，以達(dá)到更加精確和實(shí)時(shí)性的目的。