基于AVR單片機(jī)的三相晶閘管觸發(fā)電路的研制

圖6所示為同步信號(hào)與觸發(fā)信號(hào)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(fù)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(dāng)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(xù)。于是可得當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)(即帶電阻負(fù)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(shè)工頻電源1個(gè)周期T，理論上應(yīng)為20 ms，但是，由于電網(wǎng)負(fù)荷的變化，經(jīng)常出現(xiàn)周期不嚴(yán)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，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(yīng)調(diào)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(jī)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(dāng)電網(wǎng)電壓周期穩(wěn)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(shù)據(jù)的來源

可以根據(jù)需要獲取模擬數(shù)據(jù)或者數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，本裝置提供3種類型的數(shù)據(jù)接口。

1)模擬電壓輸入

Atmega16單片機(jī)性價(jià)比高，有8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，從通道0輸入0～5 V電壓，對應(yīng)180°～0°的相位角，也可以接個(gè)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)0～5 V的電壓來改變相位角。在有些場合，需要三相觸發(fā)相位不相同，也可以通過改變跳線選擇3組模擬量輸入，通道0到通道2分別對應(yīng)A、B、C三相的移相的相位角。

2)脈沖信號(hào)輸入

在需要現(xiàn)場隔離的場合，脈沖信號(hào)只需要一路數(shù)字量隔離就可以將模擬信號(hào)傳輸出去。單片機(jī)通過檢測輸入信號(hào)的占空比來確定移相的相位角。100％對應(yīng)0°，0％對應(yīng)180°。同上，也可以分別輸入3個(gè)脈沖信號(hào)來分別控制三相的觸發(fā)角。

3)異步串行數(shù)據(jù)輸入

在工業(yè)控制場合，大量使用RS-485總線，本裝置可以通過異步串行口將移相的相位角的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。

3.4線性化輸出電壓

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性關(guān)系。單片機(jī)有強(qiáng)大的計(jì)算能力，通過將輸入的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)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性關(guān)系。輸入信號(hào)與輸出電壓的數(shù)學(xué)模型如圖7所示。

如果將輸出的直流電壓引入單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器，將大大增加裝置的成本，將高壓信號(hào)引到主電路中也比較危險(xiǎn)，器件容易損壞，調(diào)試也不方便。所以，這個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，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)非線性變換，通過調(diào)整，做到輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

3.5誤差分析

前面提到過，在獲取正向過零時(shí)會(huì)有誤差，即得到的不是正向過零時(shí)刻。如圖8所示。

發(fā)光二極管導(dǎo)通需要一定的電流，在剛正向過零的一小段時(shí)間內(nèi)，發(fā)光二極管還沒能夠?qū)ǎ?dāng)電壓達(dá)到一定電壓值時(shí)才導(dǎo)通，在接近負(fù)過零的一小段時(shí)間內(nèi)，電流過小，也不導(dǎo)通了，在負(fù)半周，由于二極管向，也不導(dǎo)通。用示波器測得，同步信號(hào)的占空比為54％，可見，下降沿不是過零點(diǎn)。

同步信號(hào)有誤差并不是一點(diǎn)意義也沒有，通過分析有誤差的同步信號(hào)，同樣也可以找到過零點(diǎn)。從測量到的數(shù)據(jù)分析，高電平比低電平多8％，說明二極管有28.8°的時(shí)間是因?yàn)殡娏鬟^小而不能夠?qū)?。那么，正向過零點(diǎn)應(yīng)該在下降沿超前14.4°。

在計(jì)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(qū)，對于三相橋式整流來說就沒有。因?yàn)椋€電壓過零點(diǎn)滯后相電壓過零點(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(fù)載為2只耐壓220 V的白熾燈串聯(lián)。通過調(diào)節(jié)A／D輸入口的精密可調(diào)電阻來改變輸入電壓，可以做到0～5 V的模擬量的輸入。調(diào)節(jié)電阻，燈泡的亮度改變，可知線路工作正常，用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)可以看出輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用

采用單片機(jī)來控制可控硅的觸發(fā)，是可控硅應(yīng)用的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也已顯示出觸發(fā)精度高、可靠性高、易于調(diào)試、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。該觸發(fā)電路在實(shí)際應(yīng)用中已成功觸發(fā)過100 A～400 A的晶閘管。