異步電動機晶閘管串級調速觸發電路的設計

三峽電力職業學院 李 莉 徐金雄

1.引言

近幾年來，科學技術的迅速發展為交流調速技術的發展創造了極為有利的技術條件和物質基礎。交流電動機的調速系統不但性能同直流電動機的性能一樣，而且成本和維護費用比直流電動機系統更低，可靠性更高。目前，國外先進的工業國家生產直流傳動的裝置基本呈下降趨勢，而交流變頻調速裝置的生產大幅度上升。

串級調速是通過繞線式異步電動機的轉子回路引入附加電勢而產生的。它屬于變轉差率來實現串級調速。與轉子串電阻的方式不同，串級調速可以將異步電動機的功率加以應用(回饋電網或是轉化為機械能送回到電動機軸上)，因此效率高。它能實現無級平滑調速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調速系統，技術難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應用。本文討論的主要是這種調速方法核心部分的觸發電路的設計。觸發電路又分為同步電路，控制電路，脈沖隔離放大電路。下面談一談各部分具體電路的設計。

2.同步電路的設計

三相橋式整流電路每相自然換相點距本相電壓零點30°，觸發角α的大小必須從自然換相點算起，所以必須有同步脈動信號來指示主回路電源相電壓的自然換相點，以便確定α角定時的起點，電路如圖1所示(以A相為例)。

取A相電源為同步脈沖基準電壓，經變壓器降壓后，進入RC1移相電路，產生30°角的延時，再經限流環節、脈沖形成環節后，產生一方波電壓信號。通過反相器及輸出電路就可以得到脈沖信號。脈沖幅值等于5/R2，各點波形如圖2所示。

根據理論分析，移相角計算公式為：

當C1確定之后，調節R即可調節移相范圍，選取C1=0.022μF，R=4.7KΩ，電位器即能滿足θ=30°的移相要求。

3.單片機最小系統

單片機的最小系統即：單片機與能使單片機正常工作所需要為單片機外加的最少的元器件所組成的系統。一般包括：單片機、時鐘電路、復位電路及簡單的輸入輸出接口電路。

單片機內部有一個用于構成振蕩器的可控高增益反向放大器。兩個引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入和輸出端。在片外跨接一晶振和兩個匹配電容，如圖3所示，就構成了一個自激振蕩器。振蕩頻率根據實際需求的工作速度，可選擇從幾百千赫茲至24MHz。

表1 脈沖分配表（1有效）

表2 晶閘管與P1口引腳的對應關系

圖1 A相電源步電路

圖2 同步電路中各點脈沖信號

圖3 單片機最小系統

圖4 脈沖放大隔離電路

本設計中使用的晶振頻率為12MHz，選擇的匹配電容為30 pF。RST引腳是復位端，高電平有效。在該引腳輸入至少連續兩個機器周期以上的高電平，單片機復位。使用時，一般在此引腳與VSS引腳之間接一個約8.2 KΩ的下拉電阻，與VCC引腳之間接一個約10 pF的電解電容，即可保證上電自動復位。增加按鍵開關和電阻又可實現按鍵復位功能。

4.觸發脈沖的形成及其放大輸出

4.1 脈沖分配表

在觸發六個晶閘管時，為了方便起見，可建立一個脈沖分配表，如表1所示。當系統初始化時將它寫入存儲器中。每當觸發時間到，按指針從表中取出一個數據從單片機的P1口輸出，經脈沖放大隔離后去觸發晶閘管，晶閘管與單片機的P1口的具體連接情況如表2所示。

4.2 脈沖的產生

將同步信號的輸出接于單片機的P3.2引腳，單片機CPU檢測到同步信號時，啟動定時器T0，延時到一個角度后，即定時器T0溢出中斷，轉入中斷服務程序，給P1口輸出晶閘管1、6的觸發脈沖，同時啟動定時器T1，對60°進行計時，然后調用延時程序，時間到時將P1口清零，等待T1的溢出。T1一溢出，即轉入T1的中斷服務程序，給P1口輸出下一對觸發脈沖，將T1重新賦初值，再次調用延時程序，如此執行直到六對脈沖全部輸出。

4.3 控制角α的計算

定時器的定時初值由下式計算得出：

式中 fosc為系統時鐘頻率，本設計中取T為定位時間。對于數字調節器，要求對象為線性系統。近似認為電位器輸出電壓 UC與控制角α為線性關系。本設計取 UC的范圍為0-5V，與之對應的α角的范圍為00-900。調節電位器，便得到不同的觸發角α，進而控制三相全控橋的輸出電壓，實現電機的調速。由以上對應關系可得到如下表達式：

對于50Hz的交流電來說，控制角α對應的時間（單位為μs）為：

將αT的值代入計算計數初值X的式子中，算出初值，并存入相應的單元中等待程序來取。

4.4 脈沖的放大隔離

由于從單片機輸出的脈沖不足以驅動晶閘管使其導通，所以在單片機和晶閘管之間要加入脈沖放大隔離電路。一方面，給晶閘管提供導通脈沖；另一方面，也起到控制電路與主電路的隔離作用，避免對單片機的干擾。本設計所用的脈沖放大隔離電路如圖4所示。脈沖變壓器作用：二次側輸出觸發脈沖，一次側接在V集電極電路中。V起脈沖放大作用。

該電路由V構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器及附屬電路構成的脈沖輸出環節兩部分構成。沒有脈沖時，V不導通，其集電極為高電平，變壓器原邊沒有電流跳變，在副邊不能感應出電動勢；當脈沖到達，V導通時，集電極電壓突降，從而使變壓器原邊電流突增，在副邊感應出電動勢，晶閘管的門極和陰極之間有正向電壓，如果此時晶閘管陽極和陰極之間加正壓，則晶閘管導通。VD1的作用是：V由導通變為截止時脈沖變壓器釋放其儲存的能量。圖中VD3的作用是嚴格保證電流從左到右流通。

5.結論

本文以STC89C51RC單片機作為控制核心，通過同步電路實現對電網正弦波的同步，并對其進行移相30°，找到自然換相點，為單片機的控制提供了前提條件。同步信號的觸發和電位器的調節實現了雙窄脈沖的移相控制。從P1口輸出的雙窄脈沖，經脈沖放大隔離電路后，波形符合晶閘管觸發脈沖的要求，并經試驗能使晶匣管導通。用示波器對控制電路各點波形進行觀測，發現控制電路各點波形雖有部分與理論值有出入，但仍符合要求，對實驗結果沒有產生太大的影響。

[1]王兆文,黃俊.電力電子技術(第5版)[M].北京:機械工業出版社,2009．

[2]閻石.數字電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,1998．

[3]于海生等.微型計算機控制技術[M].北京:清華大學出版社,1999．

[4]余錫存,曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安:電子科技大學出版社,2000．