基于STM32的晶閘管三相調(diào)壓電路的設(shè)計

摘要：SCR三相調(diào)壓觸發(fā)電路已有不少設(shè)計與應(yīng)用，文中提出了一種簡化的基于STM32的調(diào)壓觸發(fā)電路設(shè)計方案，并完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。該設(shè)計主要采用了光電隔離并利用三相電源自身的相間換流特性，只用三組觸發(fā)信號就可以達到控制六只晶閘管導(dǎo)通角的作用。軟件部分采用了STM32芯片多個高性能定時器及周邊AD接口，完成了高精度觸發(fā)信號發(fā)生、PID控制調(diào)壓等功能。通過實驗表明該系統(tǒng)簡便可靠，達到了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：SCR；觸發(fā)電路；三相異步電機；STM32

晶閘管三相電源調(diào)壓的核心是在準(zhǔn)確采集電源電壓或電流的同步信號基礎(chǔ)上，可靠有效地按照三相電源的相間規(guī)律計算觸發(fā)角來觸發(fā)對應(yīng)的六只晶閘管。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路有模擬電路觸發(fā)方式與數(shù)字電路觸發(fā)方式之分，而數(shù)字式觸發(fā)方式又分成電源電壓同步的雙脈沖觸發(fā)、電源電壓同步的寬脈沖觸發(fā)、電源相電流同步的雙脈沖觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。這些觸發(fā)方式要求以同步信號為基準(zhǔn)，按照預(yù)先設(shè)計好的時序依次控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，即使有外界干擾也不會改變時序。
由此可見，如要實現(xiàn)高可靠、高精度的三相電壓調(diào)節(jié)必須滿足如下幾個條件：準(zhǔn)確可靠的同步信號獲取；高精度、抗干擾能力強的晶閘管觸發(fā)脈沖的發(fā)生與隔離輸出。為了實現(xiàn)以上目標(biāo)在參考了其他研究的基礎(chǔ)上，提出了采用運算能力較強的32位STM32單片機結(jié)合特定主回路的相間合成觸發(fā)電路的設(shè)計思想。該方案通過實際實驗驗證可以可靠地控制三相電機負(fù)載的電壓。

1 移相觸發(fā)電路的總體設(shè)計
移相觸發(fā)調(diào)壓系統(tǒng)主要由輸出相間電壓檢測電路、過零同步信號檢測電路、相序檢測電路、STM32核心及周邊電路、觸發(fā)脈沖發(fā)生與輸出電路、晶閘管光電隔離與驅(qū)動電路、晶閘管調(diào)壓主回路所組成，如圖1所示。系統(tǒng)通過檢測過零同步信號、根據(jù)負(fù)載的電流電壓相位差算出功率因數(shù)角，通過調(diào)整輸出觸發(fā)脈沖序列的觸發(fā)角大小達到調(diào)整輸出電壓從而改善功率因數(shù)的目的。

2 調(diào)壓電路及移相觸發(fā)脈沖序列時序設(shè)計
根據(jù)圖2三相電源的波形圖我們知道，三相U、V、W完全對稱，各相相差都是120°(2π／3)。電路每隔60°(π／3)換流一次，而且換流次序是依據(jù)相間電壓的高低變化順序規(guī)律地轉(zhuǎn)換。三相電壓正負(fù)周交點是非控制時整流的自然換流點(圖2中1～6點)，也就是三相晶閘管能被觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻(1點離U相相電壓Uu的過零點π／6)，該點作為U相觸發(fā)角α在純阻性負(fù)載下能夠調(diào)壓的計算起點。

圖3為三相異步電機晶閘管調(diào)壓主回路，由VT1～VT6及3組RC吸收電路構(gòu)成。電路的工作原理是以觸發(fā)角α(α>=max(φ，y)，φ為功率角；y為過零點與自然換相點的相位差)開始按照VT1～VT6的順序每隔60°觸發(fā)導(dǎo)通兩只晶閘管，即在觸發(fā)每只(如VT1)晶閘管的同時也要觸發(fā)換流相對應(yīng)的晶閘管(如VT2)。所以通過控制觸發(fā)角大小并且以(VT1、VT2)、(VT2、VT3)、(VT3、VT4)、(VT4、VT5)、(VT5、VT6)、(VT6、VT1)、(VT1、VT2)…的順序每隔60°循環(huán)觸發(fā)對應(yīng)晶閘管，就可達到三相異步電機晶閘管調(diào)壓的目的。

圖4是U相電壓同步信號采集電路，文中將U、V、W三相通過100 k／1 W的電阻接一公共點，將該點當(dāng)做強電與弱電的參考點，即數(shù)字地。U相線經(jīng)D301、D302箝位至TTL電平，通過Q1開關(guān)三極管輸出與正弦波反相的方波，再用CD4049處理成與U相電壓同相的方波，這一信號正是我們需要的U相電壓過零同步信號U_Syne。