基于單片機的晶閘管觸發電路研究

【摘要】基于單片機的晶閘管觸發器無疑是現在的熱門觸發裝置。它具有諸多優點，溫漂小，可靠性高，便于智能化控制等。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業中幾乎都是采用三相可控整流電路。

【關鍵詞】單結晶體管；觸發電路；移相；同步

1.引言

基于單片機的晶閘管觸發器無疑是現在的熱門觸發裝置。它具有諸多優點，溫漂小，可靠性高，便于智能化控制等。三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業中幾乎都是采用三相可控整流電路。在電子設備中有時也會遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過1—2kw的電源，這時為了提高變壓器的利用率，減小波紋系數，也常采用三相整流電路。另外由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側電流中含有直流分量，為此在應用中較少。而采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數目比三相半波可控整流電路的少，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形便得平直，當電感足夠大時，負載電流波形可以近似為一條水平線。在實際應用中，特別是小功率場合，較多采用單相可控整流電路。當功率超過4KW時，考慮到三相負載的平衡，因而采用三相橋式全控整流電路。在本電路中的電機的功率為22KW，因此，采用三相橋式全控整流電路來實現。

2.系統硬件電路

整套系統的硬件電路主要由主回路和微處理器控制電路組成。其中主回路包括同步信號產生電路和觸發脈沖信號驅動電路以及帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路。三相全控橋式整流電路是由一組共陰極接法的三相半波整流電路（共陰極的晶閘管依次為T1、T3、T5）各一組共陽接法的三相半波相控整流電路（共陽極組的晶閘管依次為T6、T4、T2）串聯組成的。為了分析方便，把交流電源的一具周期由六個自然換流點劃分為六段，共陽極組的自然換流點（α=0°）在ωt1、ωt3、ωt5、時刻，分別觸發T1、T3、T5晶閘管，同理可知共陽極組的自然換流點（α=0°）在ωt2、ωt4、ωt6時刻，分別觸發T2、T4、T6晶閘管。晶閘管的導通順序為T1→T2→T3→T4→T5→T6。并假設在t=0時電路已經在工作，即T5、T6同時導通，電流波形已經形成。由于是電機負載，因此有ωL>>Rd。三相橋式相控整流電路帶大電感負載α=0°時情況

2.1 1AT89C52主控制電路

主控制電路在α=0°時勢電流，電壓波形。在ωt1～ωt2期間，A相的電壓為正最大值，ωt1時刻觸發T1，則T1導通，T5截止，此時變成T1和T6同時導通，電流從A相流出，經T1、負載、T6流回B相，負載上得到的A、B線電壓uAB。在ωt2～ωt3期間，C相的電壓變為負最大值，A相電壓仍保持最大值，ωt2時刻觸發T2導通，T6截止，此時，T1和T2同時導通，負載上得到A、C線電壓uAC。在ωt3～ωt4期間，B相電壓變為正最大值，C相保持負最大值，ωt3時刻觸發T3，則T3導通，T1截止，此時T2的T3同時導通，負載上得到的uBC。在ωt4～ωt5期間，B相電壓變為正最大值，A相保持負最大值，ωt3時刻觸發T4，則T4導通，T2截止，此時T3的T4同時導通，負載上得到的uBA。在ωt5～ωt6期間，C相電壓變為正最大值，A相保持負最大值，ωt4時刻觸發T5，則T5導通，T3截止，此時T4的T5同時導通，負載上得到的uCA。在ωt6～ωt7期間，C相電壓變為正最大值，B相保持負最大值，ωt6時刻觸發T6，則T6導通，T4截止，此時T5的T6同時導通，負載上得到的uCB。在ωt7～ωt8起，又重復從ωt1～ωt2開始的這一過程。在一個周期內負載上得到的如圖3-2所示的整流輸出電壓波形，這是線電壓的波的正半部分的包絡線，其基波頻率為300Hz，脈到較小。

不得當α>0°時，輸出的電壓波形發生變化，圖3-3為α=30°的波形。圖3-4為α=90°的波形。可見，當α≤60°時，ud波形均為正值；當成60°<α<90°時，由于電感的作用，ud波形出現負值，但正面積大于負面積，平均電壓Ud仍為正值；當α=90°時，正負面積相等，Ud≈0。

2.2 三相全控橋式整流電路

經變壓器出來的直流電壓接通六個晶閘管。從t1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構成區別在于：晶閘管起始導通時刻推遲了30°，組成ud的每一段線電壓因此推遲30°。

變壓器二次側電流ia波形的特點：在VT1處于通態的120°期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT4處于通態的120°期間，ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負值。ud≤60°時ud波形連續，工作情況與帶電阻負載時十分相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。

區別在于：由于負載不同，同樣的整流輸出電壓加到負載上，得到的負載電流id波形不同。阻感負載時，由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形可近似為一條水平線。

2.3 同步電路設計

傳統的觸發電路一般都需要三相同步變壓器提供同步信號，在三相全控橋式整流電路中，采用單片機觸發的晶閘管，首先要使觸發脈沖的自然換相點與三相電源的線電壓的過零點同步。

3.系統設計

3.1 系統設計要求

緩啟動時間為2s，最低的導通時間不低于3ms，導通時間的步進數目不少于20步。

3.2 系統框圖

3.3 交流電源轉換為直流電源

3.3.1 原理圖

3.3.2 原理分析

輸入7.5V交流電壓經過由4個1N4007二極管組成的橋式整流電路后由電容C7，C6進行濾波，再經過7805穩壓集成塊穩壓輸出穩定的+5V電壓。為芯片工作提供電源。

3.3.3 電路原理圖

3.3.4 電路分析

整流之后的信號由一個二極管1N4007于之后穩壓電路隔離開，把這個信號接到光耦隔離器TLP521，并將4引腳輸出信號接到單片機的外部中斷0中即P3.2引腳。對應的波形圖如圖4所示。

3.3.5 參數選擇

發光二極管工作電流為10mA，當輸入電壓平均值為5V，所以電阻，取R5=330Ω.R6是限流電阻，取R6=10KΩ.

3.3.6 電路原理圖

3.3.7 電路原理分析

采集到的同步信號經過單片機處理后控制雙向可控硅MOC3021的導通。用功率電機來模擬電機的啟動。按鍵用來使電機重新的啟動過程。該電路的輸出與輸入的波形如圖6所示。其中黑色部分為導通的時間。

3.4 晶閘管相控電路的驅動控制

對于相控電路這樣使用晶閘定的場合，在晶閘管陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發電壓，晶閘管才能從截止轉變為導通，習慣上稱為觸目驚心發控制。提供這個觸發電壓的電路稱為晶閘管的觸發電路。它決定每一個晶閘管的觸發導通時刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個重要組成部分。晶閘管相位整流電路，通過控制觸發角α的大小即控制觸發脈沖起始位來控制輸出電壓的大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點是應保證觸發角α的大小在正確的時刻向電路中的晶閘施加有效的觸發脈沖。正確設計選擇與使用觸發電路，可以充分發揮晶閘管及其裝置的潛力。保證安全可靠地運行。

4.系統測試

測試結果如圖7所示。

5.設計總結

要了解各個芯片的工作原理，以及它典型的應用電路。對于調試的時候要注意避免接線錯誤等低級的錯誤，提高焊接工藝對輸出的穩定性與正確性有一定的關系。編寫程序要有條理性，在主程序中用散轉的程序比較好。

6.軟件定時與實現

6.1 軟件的定時

由于定時器采用AT89C52的自動計數功能，省去了單片機外接定時芯片，簡化了設計電路。采用的晶振為12MHz，分頻為12，所以相應的時鐘周期為即定時計數器的最大值為20000，它對應同步脈沖360°電角度。

6.2 軟件的實現

主程序中包括了系統初始化子程序，控制角的輸入及計算，同步輸入信號的檢測，脈沖信號的輸出，系統啟動、復位或停機的控制。

7.結束語

本實驗充分利用了單片機的內部資源，采用了單片機實現導通α角對電路輸出電流的控制，使用單片機內部計數定時器而省去了一些外圍器件，由此使得結構簡單。通過軟件實現對晶閘管的控制智能化。該控制方案簡單，使用元件少、實現容易、應用廣泛，有很高的實用和推廣價值。基于單片機的晶閘管觸發電路成功的實現了對晶閘管迅速、可靠的觸發，已成功的應用于電力系統無功補償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優點通過了工業現場惡劣環境的檢驗，具有很好的應用前景。

參考文獻

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