基于单片机控制的三相全控整流电源的设计论文

基于单片机控制的三相全控整流电源的设计论文内容摘要：

电路、复位电路等。 晶振电路 AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。 时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。 内部方式的时钟电路如图32（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。 定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。 ～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。 外部方式的时钟电路如图32（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。 对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。 片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。 图32 89S52内部/外部时钟电路本设计采用内部时钟方式。 复位及复位电路 复位操作复位是单片机的初始化操作。 其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。 除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。 复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。 复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。 若使用颇率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2us才能完成复位操作。 整个复位电路包括芯片内、外两部分。 外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。 复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图33(a)所示。 这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。 其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图33(b)所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图33(c)所示。 图33（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位上述电路图中的电阻、电容参数适用于12MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。 本设计采用上电复位方式。 本设计的单片机最小系统电路图如图34中所示，单片机AT89S52的时钟引脚外接12M晶振，作为单片机工作的时钟，EA端接高电平，表示使用片内程序存储器。 RST引脚接了上电复位电路，当系统上电时，上电复位电路会产生一个高电平脉冲信号，使系统复位。 图34 单片机最小系统及按键电路图 按键电路的设计本设计中晶闸管导通角的大小调整是通过键盘电路来实现的。 键盘是标准的输入设备，实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描，如8279， CH451，LMC9768等，还有就是用软件实现键盘扫描。 使用现成的芯片可以节省CPU的开销，但增加了成本，而用软件实现具有较强的灵活性，也只需要很少的CPU开销，可以节省开发成本。 本文便使用软件实现键盘的扫描。 常见的键盘可分为独立按键式键盘和行列扫描式键盘。 本设计采用各按键互不影响的独立式按键，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。 通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下。 独立式键盘电路如图34中所示，、 两个I/O口，两个按键分别定义为电流增加键（UP键）和电流减小键（DOWN键）。 分别通过上拉电阻与VCC相连。 当按键弹起时，送入单片机I/O口的是高电平；当按键按下时，送入单片机I/O口的是低电平。 程序通过判断端口的状态来判断按键是否按下。 当按下UP键时，系统将减小导通角的大小，从而增加输出电流值；当按下DOWN键时，系统将增大导通角的大小，从而减小输出电流值。 同步脉冲检测电路同步脉冲检测电路也就是正弦波形的零相位检测电路。 零相位检测电路主要作用是检测三相电源中a相的零相位在何时出现，单片机通过判断零相位控制相位与晶闸管的导通关系，从而达到控制晶闸管导通角的目的。 系统的零相位检测电路如下图所示:图35 同步脉冲检测电路的设计图36 任意电压比较器图中，LM393接成了电压比较器，电压比较器就是将一个连续变化的输入电压与参考电压进行比较，在二者幅度相等时，输出电压将产生跳变。 通常用于A/D转换、波形变换等场合。 在电压比较器电路中，运算放大器通常工作于非线性区，为了提高正负电平的转换速度，应选择上升速率和增益带宽积这两项指标高的运算放大器。 LM393就是这种专用的集成比较器。 同相任意电压比较器电路见图36a，同相端接vi，反相端 vN=vR，所以输入电压是和vR电压进行比较当vivR时 vo=vo+，就是输出为正饱和值。 当vivR时 vo=vo－，就是输出为负饱和值。 该比较器的传输特性见图36b。 图37 LM393的符号图LM393比较器为集电极开路输出，两个比较器的输出可直接并联，共用外接电阻，它可以双电源供电，也可以单电源供电。 该比较器的电源电压是2~36V或，输出电流大，可直接驱动TTL和LED。 LM393的符号见图37。 其中11脚为正电源，6脚为电源地，3脚为比较器1的地线，8脚为比较器2的地线。 在图35的零相位检测电路中，系统的交流电源通过变压器变为峰峰值约为5V的低压，从而得到这一随220V交流变化的交变电压，将这一低压交流信号与零电位比较，到交变电流处于正半周时，比较器输出高电平，当交变电流处于负半周时，比较器输出为低电平，也就是说，当比较器输出电平由低电平向高电平跳变时，交流电源处于零相位；当比较器输出电平由高电平向低电平跳变时，交流电源处于180度相位。 这一高低电平的变化送给单片机的INT1输入端，单片机的INT1设置为下降沿触发。 程序进入INT1中断就说明正弦波的零相位出现，以进入INT1中断的时刻为起点进行计时，经过一定的延时再触发晶闸管导通就可以控制晶闸管的导通角大小。 晶闸管触发电路三相全控整流电路的输出电流调整通过控制导通角来实现，我选用了晶闸管来控制电机，晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。 自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。 今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极〔图38(a)〕：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。 从晶闸管的电路符号〔图38(b)〕可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 图38 晶闸管晶闸管的特性我是通过下面的实验有了更深入的了解，如图39所示，晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。 注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，)。 晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。 现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。 图39 晶闸管特性实验从实验中可以看出，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。 晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。 晶闸管的特点是“一触即发”。 但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。 控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。 那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图39中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。 如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。 根据晶闸管的上述特性，我设计的晶闸管触发电路如图310所示图310 晶闸管触发电路图由单片机输出的触发脉冲信号经过光电耦合器4N25隔离后送到晶体管2N2646的基极，光电耦合器4N25起到隔离、保护单片机端口和抗干扰的作用。 2N2646是单PN结晶体管，它的特性如下图所示，当其基极电压达到一定电压值时，它的输出端将输出一个较高的电压尖峰，上图中正是利用这一较高的电压尖峰来实现晶闸管的触发的。 本设计中，2N2646与晶闸管间是通过比可调变压器耦合的，这样一方面保证前级电路与后级电路的隔离，另一方面也方便调整晶闸管的触发电压，使晶闸管更有效的触发。 图311 2N1646特性图晶闸管的保护电路，大致可以分为两种：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，RC阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。 另一种是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发系统使整流桥短时间内工作于有源逆变状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 过电流保护1. 过流保护的原因由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，温度就会急剧上升，可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或者开路。 例如一个100A的晶闸管，它的过电流能力下表所列。 这就是说， 当100A的晶闸管过电流为400A时，否则将因过热而损坏。 由此可知，晶闸管允许在短时间见内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用在于当发生过电流时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元器件损坏。 晶闸管的过载时间和过载倍数的关系过载时间5s5min过载倍数422. 整流电路过流的分类晶闸管发生过电流的原因主要有两类：一类是由于整流电路内部的原因、如整流晶闸管损坏。 触发系统或控制系统出现故障等；一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两对桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路而引起过流。 第二类是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，（1）对于第一类过流，即整流桥内部引起的过流，可以采用接入快速熔断器的方式。 见图 51 图51 熔断器的接入方式ⅢⅡⅠ三种类型的熔断丝的接入方法见表51类型特点额定电流备注Ⅰ熔短器与每一个元件串联能可靠地保护每一个元件。 IRN IT晶闸管通态平均电流Ⅱ能在交流直流和元件短路时起保护作用其可靠性稍有降低IRN KCIDKC交流侧线电流与ID之比ID整流输出电流Ⅲ直流负载侧有故障时动作元件内部短路时不能起保护作用IRN IDID整流输出电流 熔断丝的接入方法注：（2）对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流则应当采用电子电路进行保护。 （3）过电路继电器保护：在输出端（直流侧）装直流过电流继电器，或是输入端（交流侧）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。 这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定的时间，如果短路电流比较大，这种保护方式不是很有效。 所以在此处不采用这种保护方法。 （4）电流上升率di/dt的抑制：晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域。 若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。 其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感，如下图52。 串联电感抑制回路3. 过流保护器件的选择熔断器的电流额定应该尽量接近实际工作电流的有效值而不是按所保护的元件的电流定额（平均值）选取。 在接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT=Id/=37A/=21A故选用RLS50的熔断器，熔断电流为50A抑制电流上升率di/dt除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制du/dt相同的措施，其中电感可采用空心电抗器，其中L≧30uH。 晶闸管的过压保护1. 过压保护的原因晶闸管耐过电压的的能力极差，当电路中电压超多其反相击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。 如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使晶闸管的特性下降。 因此必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。 （1）晶闸管过电压的保护措施通常采用阻容保护。 并接RC阻容吸收回路，利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。 这是过电压保护的基本方法。 阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）、或则元件侧。 （2）电压上升率du/dt的抑制：加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。 抑制dv/dt可以在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路。 见下图53： 并联RC阻容吸收回路3. 晶闸管两端的过压保护的器件选择晶闸管：C2=，R2=40Ω电容耐压≧=U2=120V=441V选C2JD2型金属化介电容器，耐压400V电阻功率：PR2=fcum2106=取R2=43Ω，1W金属膜电阻 数码管显示电路的设计三相全控整流输出电流显示电路采用数码管显示电。