基于单片机的晶闸管触发装置的设计方案

1.引言

基于单片机的晶闸管触发器无疑是现在的热门触发装置。它具有诸多优点，温漂小，可靠性高，便于智能化控制等。三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1-2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的少，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形便得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。在实际应用中，特别是小功率场合，较多采用单相可控整流电路。当功率超过4KW时，考虑到三相负载的平衡，因而采用三相桥式全控整流电路。在本电路中的电机的功率为22KW,因此，采用三相桥式全控整流电路来实现。

2.系统硬件电路设计

整套系统的硬件电路主要由主回路和微处理器控制电路组成。其中主回路包括同步信号产生电路和触发脉冲信号驱动电路以及带阻容吸收装置的三相全控桥式整流电路。三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波整流电路(共阴极的晶闸管依次为T1、T3、T5)各一组共阳接法的三相半波相控整流电路(共阳极组的晶闸管依次为T6、T4、T2)串联组成的。为了分析方便，把交流电源的一具周期由六个自然换流点划分为六段，共阳极组的自然换流点(α=0°)在ωt1、ωt3、ωt5、时刻，分别触发T1、T3、T5晶闸管，同理可知共阳极组的自然换流点(α=0°)在ωt2、ωt4、ωt6时刻，分别触发T2、T4、T6晶闸管。晶闸管的导通顺序为T1→T2→T3→T4→T5→T6.并假设在t=0时电路已经在工作，即T5、T6同时导通，电流波形已经形成。由于是电机负载，因此有ωL》Rd.三相桥式相控整流电路带大电感负载α=0°时情况2.1 1AT89C52主控制电路

主控制电路在α=0°时势电流，电压波形。在ωt1~ωt2期间，A相的电压为正最大值，ωt1时刻触发T1,则T1导通，T5截止，此时变成T1和T6同时导通，电流从A相流出，经T1、负载、T6流回B相，负载上得到的A、B线电压uAB.在ωt2~ωt3期间，C相的电压变为负最大值，A相电压仍保持最大值，ωt2时刻触发T2导通，T6截止，此时，T1和T2同时导通，负载上得到A、C线电压uAC.在ωt3~ωt4期间，B相电压变为正最大值，C相保持负最大值，ωt3时刻触发T3,则T3导通，T1截止，此时T2的T3同时导通，负载上得到的uBC.在ωt4~ωt5期间，B相电压变为正最大值，A相保持负最大值，ωt3时刻触发T4,则T4导通，T2截止，此时T3的T4同时导通，负载上得到的uBA.在ωt5~ωt6期间，C相电压变为正最大值，A相保持负最大值，ωt4时刻触发T5,则T5导通，T3截止，此时T4的T5同时导通，负载上得到的uCA.在ωt6~ωt7期间，C相电压变为正最大值，B相保持负最大值，ωt6时刻触发T6,则T6导通，T4截止，此时T5的T6同时导通，负载上得到的uCB.在ωt7~ωt8起，又重复从ωt1~ωt2开始的这一过程。在一个周期内负载上得到的如图3-2所示的整流输出电压波形，这是线电压的波的正半部分的包络线，其基波频率为300Hz,脉到较小。

不得当α>0°时，输出的电压波形发生变化，图3-3为α=30°的波形。图3-4为α=90°的波形。可见，当α≤60°时，ud波形均为正值;当成60°<α<90°时，由于电感的作用，ud波形出现负值，但正面积大于负面积，平均电压Ud仍为正值;当α=90°时，正负面积相等，Ud≈0.

2.2 三相全控桥式整流电路设计

经变压器出来的直流电压接通六个晶闸管。从t 1开始把一周期等分为6段，u d波形仍由6 段线电压构成区别在于： 晶闸管起始导通时刻推迟了3 0 °， 组成u d的每一段线电压因此推迟3 0°。

变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120°期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。ud≤60°时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。

区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。

2.3 同步电路设计

传统的触发电路一般都需要三相同步变压器提供同步信号，在三相全控桥式整流电路中，采用单片机触发的晶闸管，首先要使触发脉冲的自然换相点与三相电源的线电压的过零点同步。

3.系统总体设计

3.1 系统总体设计要求

缓启动时间为2s,最低的导通时间不低于3ms,导通时间的步进数目不少于20步。

3.2 系统总体设计框图

3.3 交流电源转换为直流电源

3.3.1 系统原理图

3.3.2 原理分析

输入7.5V交流电压经过由4个1N4007二极管组成的桥式整流电路后由电容C7,C6进行滤波，再经过7805稳压集成块稳压输出稳定的+5V电压。为芯片工作提供电源。

3.3.3 电路原理图

3.3.4 电路分析

整流之后的信号由一个二极管1N4007于之后稳压电路隔离开，把这个信号接到光耦隔离器TLP521,并将4引脚输出信号接到单片机的外部中断0中即P3.2引脚。对应的波形图如图4所示。

3.3.5 参数选择

发光二极管工作电流为10mA,当输入电压平均值为5V,所以电阻，取R5=330Ω。R6是限流电阻，取R6=10KΩ。

3.3.6 电路原理图

3.3.7 电路原理分析

采集到的同步信号经过单片机处理后控制双向可控硅MOC3021的导通。用功率电机来模拟电机的启动。按键用来使电机重新的启动过程。该电路的输出与输入的波形如图6所示。

其中黑色部分为导通的时间。

3.4 晶闸管相控电路的驱动控制

对于相控电路这样使用晶闸定的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从截止转变为导通，习惯上称为触目惊心发控制。提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。

它决定每一个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。晶闸管相位整流电路，通过控制触发角α的大小即控制触发脉冲起始位来控制输出电压的大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸施加有效的触发脉冲。正确设计选择与使用触发电路，可以充分发挥晶闸管及其装置的潜力。保证安全可靠地运行。

4.系统测试

测试结果如图7所示。

系统测试总结：

要了解各个芯片的工作原理，以及它典型的应用电路。对于调试的时候要注意避免接线错误等低级的错误，提高焊接工艺对输出的稳定性与正确性有一定的关系。编写程序要有条理性，在主程序中用散转的程序比较好。

5.软件定时与实现

5.1 软件的定时

由于定时器采用AT89C52的自动计数功能，省去了单片机外接定时芯片，简化了设计电路。

采用的晶振为12MHz,分频为12,所以相应的时钟周期为即定时计数器的最大值为20000,它对应同步脉冲360°电角度。

5.2 软件的实现

主程序中包括了系统初始化子程序，控制角的输入及计算，同步输入信号的检测，脉冲信号的输出，系统启动、复位或停机的控制。

6.结语

本文所提出的基于单片机的晶闸管触发装置的设计方案，该方案充分利用了单片机的内部资源，采用了单片机实现导通α角对电路输出电流的控制，使用单片机内部计数定时器而省去了一些外围器件，由此使得结构简单。通过软件实现对晶闸管的控制智能化，从而验证了本设计方案简单，使用元件少、实现容易、应用广泛，有很高的实用和推广价值。基于单片机的晶闸管触发电路的设计成功的实现了对晶闸管迅速、可靠的触发，已成功的应用于电力系统无功补偿、滤波装置中，其智能、安全、可靠的优点通过了工业现场恶劣环境的检验，具有很好的应用前景。