基于STM32的晶閘管三相調壓電路的設計
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
討論一下ωt∈[0，π]期間即U相正半周的情況，通過(guò)圖6我們可以看出，以U_Sync過(guò)零點(diǎn)為基準，在經(jīng)過(guò)延遲角Delay Angle(即觸發(fā)角α)后開(kāi)始同時(shí)發(fā)出了U_Trigger、W_Trigger兩個(gè)觸發(fā)脈沖，從而相當于將S1、S2、S5、S6開(kāi)關(guān)閉合。由于此時(shí)已經(jīng)過(guò)了U、W的自然換相點(diǎn)(圖1的點(diǎn)1)，U點(diǎn)電壓大于W點(diǎn)電壓，電流可以從U點(diǎn)(也就是K4)經(jīng)R15、R3、S1、S2、R14、L1、L3、R18、S6、S5、R11、R19流至W點(diǎn)(也就是K2)。這樣K4點(diǎn)電壓比G4高，G1點(diǎn)電壓比K1高，K5點(diǎn)電壓比G5高，G2點(diǎn)電壓比K2高，根據晶閘管特性我們知道，只要G點(diǎn)電壓高于K點(diǎn)電壓，且電流方向與晶閘管方向一致，則該只晶閘管將被觸發(fā)導通，即VT1、VT2導通，與我們的設計思想一致。
再分析一下ωt∈[π，2π]期間即U相負半周的情況，第一組觸發(fā)脈沖發(fā)生后，經(jīng)過(guò)π時(shí)間(180°)，根據三相電源原理也將會(huì )進(jìn)行一次換流(圖1的點(diǎn)4)，所以必須發(fā)生U_Trigger、W_Trigger兩個(gè)觸發(fā)脈沖，相當于將S1、S2、S5、S6開(kāi)關(guān)閉合。由于此時(shí)已經(jīng)過(guò)了W、U的自然換相點(diǎn)，W點(diǎn)電壓大干U點(diǎn)電壓，電流可以從W點(diǎn)(也就是K2)經(jīng)R19、R11、S5、S6、R18、L1、R14、S2、S1、R3、R15流至U點(diǎn)(也就是K4)。這樣K2點(diǎn)電壓比G2高，G5點(diǎn)電壓比K5高，K1點(diǎn)電壓比G1高，G4點(diǎn)電壓比K4高，根據晶閘管特性我們知道，只要G點(diǎn)電壓高于K點(diǎn)電壓，且電流方向與晶閘管方向一致，則該只晶閘管將被觸發(fā)導通，即VT4、VT5導通，也同樣與我們的設計思想一致。其它換流時(shí)刻依此原理，不再贅述。
通過(guò)以上分析，如果我們正確發(fā)生了圖6的三組觸發(fā)信號，配合圖3～圖5的電路，通過(guò)調整觸發(fā)角α的大小就可以有效控制三相電機的輸入電壓，達到調壓的目的。
前面我們分析了觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)序及相互依賴(lài)關(guān)系，下面我們再討論一下脈沖寬度對調壓控制的影響。
對于標準的純阻性負載來(lái)說(shuō)，只要在自然換流點(diǎn)以后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)，就會(huì )使得相應的晶閘管導通。如果在自然換流點(diǎn)之前觸發(fā)，而且觸發(fā)脈沖的下降沿也處于自然換流點(diǎn)之前，那么將會(huì )發(fā)生遺漏觸發(fā)的現象。所以在純阻性負載情形下，如果觸發(fā)脈沖寬度跨越自然換流點(diǎn)，那么換流后對應的晶閘管馬上導通，相當于輸出滿(mǎn)壓。如果調壓控制的話(huà)，必須保證觸發(fā)脈沖上升沿在自然換流點(diǎn)之后。
對于電機等感性負載來(lái)說(shuō)，相對于純阻性負載會(huì )延遲一個(gè)功率角φ，調壓時(shí)的觸發(fā)角應該滿(mǎn)足如下公式α>=max(φ，y)，當然可以盡量增大觸發(fā)脈沖的寬度W，保證30°W60°比較合適。
3 系統軟件設計
系統主芯片采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32 ARMCortex—M3，開(kāi)發(fā)平臺選用Keil MDK。整個(gè)軟件采用了模塊化編程思想，分成數據采集模塊、觸發(fā)信號發(fā)生模塊、PID控制模塊、通訊模塊及人機交互模塊組成。系統軟件結構圖如圖8所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/175748.htm
其中，數據采集模塊負責采集通過(guò)互感器及信號調理電路輸出的相間電壓值(SCR調壓值)，供PID控制模塊做PV值使用；觸發(fā)信號發(fā)生模塊主要用來(lái)發(fā)生以一定的控制角導通對應晶閘管起到調壓作用的觸發(fā)波形；PID控制模塊完成控制到某給定電壓(SV值)的任務(wù)；通訊模塊負責完成將調壓后電壓及控制角參數以9 600波特率輸出至計算機的作用；系統人機交互模塊完成通過(guò)鍵盤(pán)、LCD顯示板進(jìn)行手動(dòng)測試的作用?？刂栖浖牧鞒虉D如圖9所示。
4 實(shí)驗應用
本系統應用于油田抽油機的節電項目中，只要按照要求正確將設備與三相電源、三相交流異步電機相連，系統就會(huì )自動(dòng)跟蹤負載。負載輕，所調的電壓就低；負載重，所調的電壓就高。由于晶閘管特性的限制，所調電壓不會(huì )低于200 V交流，不然由于導通角較大，低次諧波過(guò)多，會(huì )出現斷流電機堵轉現象。如圖10所示系統按照需求發(fā)生了正確的觸發(fā)信號波形，通過(guò)實(shí)際運行來(lái)看，系統運行達到預期結果、穩定可靠。
5 結論
本系統采用STM32高性能ARM處理器設計了光電隔離的晶閘管觸發(fā)控制脈沖信號及驅動(dòng)電路，可以輸出30°～60°脈寬較寬的觸發(fā)信號，規避了脈沖變壓器驅動(dòng)方式只能采用窄脈沖或窄脈沖序列的缺點(diǎn)。軟件采用模塊化思想進(jìn)行設計，提高了系統軟件的健壯性，同時(shí)也提高了系統的可靠性及可維護性。通過(guò)實(shí)際運行結果表明，系統具有調壓準確、穩定可靠等特點(diǎn)，達到了設計要求。
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