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。