三峽電力職業(yè)學(xué)院 李 莉 徐金雄

1.引言

近幾年來，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。交流電動機的調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)更低，可靠性更高。目前，國外先進的工業(yè)國家生產(chǎn)直流傳動的裝置基本呈下降趨勢，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。

串級調(diào)速是通過繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路引入附加電勢而產(chǎn)生的。它屬于變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)串級調(diào)速。與轉(zhuǎn)子串電阻的方式不同，串級調(diào)速可以將異步電動機的功率加以應(yīng)用(回饋電網(wǎng)或是轉(zhuǎn)化為機械能送回到電動機軸上)，因此效率高。它能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，低速時機械特性也比較硬。特別是晶閘管低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)難度小，性能比較完善，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。本文討論的主要是這種調(diào)速方法核心部分的觸發(fā)電路的設(shè)計。觸發(fā)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(shè)計。

2.同步電路的設(shè)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(fā)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(jīng)變壓器降壓后，進入RC1移相電路，產(chǎn)生30°角的延時，再經(jīng)限流環(huán)節(jié)、脈沖形成環(huán)節(jié)后，產(chǎn)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(jù)理論分析，移相角計算公式為：

當(dāng)C1確定之后，調(diào)節(jié)R即可調(diào)節(jié)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(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)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(tǒng)。一般包括：單片機、時鐘電路、復(fù)位電路及簡單的輸入輸出接口電路。

單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)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(gòu)成了一個自激振蕩器。振蕩頻率根據(jù)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(yīng)關(guān)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(tǒng)

圖4 脈沖放大隔離電路

本設(shè)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(fù)位端，高電平有效。在該引腳輸入至少連續(xù)兩個機器周期以上的高電平，單片機復(fù)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(fù)位。增加按鍵開關(guān)和電阻又可實現(xiàn)按鍵復(fù)位功能。

4.觸發(fā)脈沖的形成及其放大輸出

4.1 脈沖分配表

在觸發(fā)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(dāng)系統(tǒng)初始化時將它寫入存儲器中。每當(dāng)觸發(fā)時間到，按指針從表中取出一個數(shù)據(jù)從單片機的P1口輸出，經(jīng)脈沖放大隔離后去觸發(fā)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(chǎn)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(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，給P1口輸出晶閘管1、6的觸發(fā)脈沖，同時啟動定時器T1，對60°進行計時，然后調(diào)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(zhuǎn)入T1的中斷服務(wù)程序，給P1口輸出下一對觸發(fā)脈沖，將T1重新賦初值，再次調(diào)用延時程序，如此執(zhí)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(tǒng)時鐘頻率，本設(shè)計中取T為定位時間。對于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。近似認為電位器輸出電壓 UC與控制角α為線性關(guān)系。本設(shè)計取 UC的范圍為0-5V，與之對應(yīng)的α角的范圍為00-900。調(diào)節(jié)電位器，便得到不同的觸發(fā)角α，進而控制三相全控橋的輸出電壓，實現(xiàn)電機的調(diào)速。由以上對應(yīng)關(guān)系可得到如下表達式：

對于50Hz的交流電來說，控制角α對應(yīng)的時間（單位為μs）為：

將αT的值代入計算計數(shù)初值X的式子中，算出初值，并存入相應(yīng)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(qū)動晶閘管使其導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(cè)輸出觸發(fā)脈沖，一次側(cè)接在V集電極電路中。V起脈沖放大作用。

該電路由V構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成。沒有脈沖時，V不導(dǎo)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(yīng)出電動勢；當(dāng)脈沖到達，V導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)通。VD1的作用是：V由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r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(jié)論

本文以STC89C51RC單片機作為控制核心，通過同步電路實現(xiàn)對電網(wǎng)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(fā)和電位器的調(diào)節(jié)實現(xiàn)了雙窄脈沖的移相控制。從P1口輸出的雙窄脈沖，經(jīng)脈沖放大隔離電路后，波形符合晶閘管觸發(fā)脈沖的要求，并經(jīng)試驗?zāi)苁咕还軐?dǎo)通。用示波器對控制電路各點波形進行觀測，發(fā)現(xiàn)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(jié)果沒有產(chǎn)生太大的影響。

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