基于A(yíng)VR單片機的三相晶閘管觸發(fā)電路的研制
圖6所示為同步信號與觸發(fā)信號波形。
3 觸發(fā)延時(shí)時(shí)間與電壓的關(guān)系
3.1觸發(fā)角與輸出電壓的關(guān)系α
三相半控整流負載R上得的是脈動(dòng)頻率為3倍電源頻率的脈動(dòng)直流電壓,在一個(gè)脈動(dòng)周期中,它由一個(gè)缺角波形和一個(gè)完整波形組成。當α=π/3時(shí),Ud波形只剩下3個(gè)波頭,波形剛好與απ/3時(shí)的波形維持連續。于是可得當整流輸出電壓連續時(shí)(即帶電阻負載0≤α≤π/3時(shí))的平均值為:
3.2觸發(fā)角α與延時(shí)時(shí)間的關(guān)系
設工頻電源1個(gè)周期T,理論上應為20 ms,但是,由于電網(wǎng)負荷的變化,經(jīng)常出現周期不嚴格等于20 ms的情況。延時(shí)時(shí)間t與觸發(fā)角的關(guān)系為:
可見(jiàn),電網(wǎng)的頻率變化時(shí),要輸出α的觸發(fā)角,延時(shí)時(shí)間也要相應調整。本裝置充分考慮了因周期變化引起的觸發(fā)角的誤差,單片機測量上一個(gè)周波的周期,作為這個(gè)周波的周期。從式(3)也可以看出當電網(wǎng)電壓周期穩定時(shí),延時(shí)的時(shí)間與觸發(fā)角成正比關(guān)系。
3.3延時(shí)時(shí)間數據的來(lái)源
可以根據需要獲取模擬數據或者數字數據,本裝置提供3種類(lèi)型的數據接口。
1)模擬電壓輸入
Atmega16單片機性?xún)r(jià)比高,有8路10位A/D轉換器,從通道0輸入0~5 V電壓,對應180°~0°的相位角,也可以接個(gè)可調電阻調節0~5 V的電壓來(lái)改變相位角。在有些場(chǎng)合,需要三相觸發(fā)相位不相同,也可以通過(guò)改變跳線(xiàn)選擇3組模擬量輸入,通道0到通道2分別對應A、B、C三相的移相的相位角。
2)脈沖信號輸入
在需要現場(chǎng)隔離的場(chǎng)合,脈沖信號只需要一路數字量隔離就可以將模擬信號傳輸出去。單片機通過(guò)檢測輸入信號的占空比來(lái)確定移相的相位角。100%對應0°,0%對應180°。同上,也可以分別輸入3個(gè)脈沖信號來(lái)分別控制三相的觸發(fā)角。
3)異步串行數據輸入
在工業(yè)控制場(chǎng)合,大量使用RS-485總線(xiàn),本裝置可以通過(guò)異步串行口將移相的相位角的數據送入單片機。
3.4線(xiàn)性化輸出電壓
從式(1)和式(2)可以看出,三相半控橋式整流的輸入電壓與輸出電壓不是線(xiàn)性關(guān)系。單片機有強大的計算能力,通過(guò)將輸入的模擬數據經(jīng)過(guò)計算,轉換到另外一個(gè)角度值,可以做到輸出電壓與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系。輸入信號與輸出電壓的數學(xué)模型如圖7所示。
如果將輸出的直流電壓引入單片機的A/D轉換器,將大大增加裝置的成本,將高壓信號引到主電路中也比較危險,器件容易損壞,調試也不方便。所以,這個(gè)系統為一個(gè)開(kāi)環(huán)系統,控制的輸出不一定與輸入電壓成比例關(guān)系,有一點(diǎn)靜態(tài)誤差。但是可以加入一個(gè)非線(xiàn)性變換,通過(guò)調整,做到輸出電壓與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系。
3.5誤差分析
前面提到過(guò),在獲取正向過(guò)零時(shí)會(huì )有誤差,即得到的不是正向過(guò)零時(shí)刻。如圖8所示。
發(fā)光二極管導通需要一定的電流,在剛正向過(guò)零的一小段時(shí)間內,發(fā)光二極管還沒(méi)能夠導通,當電壓達到一定電壓值時(shí)才導通,在接近負過(guò)零的一小段時(shí)間內,電流過(guò)小,也不導通了,在負半周,由于二極管向,也不導通。用示波器測得,同步信號的占空比為54%,可見(jiàn),下降沿不是過(guò)零點(diǎn)。
同步信號有誤差并不是一點(diǎn)意義也沒(méi)有,通過(guò)分析有誤差的同步信號,同樣也可以找到過(guò)零點(diǎn)。從測量到的數據分析,高電平比低電平多8%,說(shuō)明二極管有28.8°的時(shí)間是因為電流過(guò)小而不能夠導通。那么,正向過(guò)零點(diǎn)應該在下降沿超前14.4°。
在計算觸發(fā)時(shí)間時(shí)必須考慮這個(gè)下降沿的滯后角。
由于這個(gè)滯后角的存在,不能夠移相0°~180°,對于單相觸發(fā)會(huì )有誤區,對于三相橋式整流來(lái)說(shuō)就沒(méi)有。因為,線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn)滯后相電壓過(guò)零點(diǎn)30°,而下降沿的滯后角一般小于30°。
4 裝置的測試
接好三相電源,負載為2只耐壓220 V的白熾燈串聯(lián)。通過(guò)調節A/D輸入口的精密可調電阻來(lái)改變輸入電壓,可以做到0~5 V的模擬量的輸入。調節電阻,燈泡的亮度改變,可知線(xiàn)路工作正常,用AVR單片機設計的電路可以代替TC787等芯片制作的觸發(fā)電路。
以下為A/D口的電壓與輸出的直流電壓的關(guān)系:
式中:VADC為A/D轉換后的電壓;Vin為被選中的A/D引腳的輸入電壓;Vref為參考電壓。
從以上數據可以看出輸出電壓與輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系。
5 系統的應用
采用單片機來(lái)控制可控硅的觸發(fā),是可控硅應用的發(fā)展趨勢。本系統在實(shí)際應用中也已顯示出觸發(fā)精度高、可靠性高、易于調試、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。該觸發(fā)電路在實(shí)際應用中已成功觸發(fā)過(guò)100 A~400 A的晶閘管。
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