基于STM32的晶閘管三相調壓電路的設計

摘要：SCR三相調壓觸發(fā)電路已有不少設計與應用，文中提出了一種簡化的基于STM32的調壓觸發(fā)電路設計方案，并完成了系統(tǒng)的軟硬件設計。該設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控制調壓等功能。通過實驗表明該系統(tǒng)簡便可靠，達到了設計要求。
關鍵詞：SCR；觸發(fā)電路；三相異步電機；STM32

晶閘管三相電源調壓的核心是在準確采集電源電壓或電流的同步信號基礎上，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，按照預先設計好的時序依次控制晶閘管的導通與關斷，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節(jié)必須滿足如下幾個條件：準確可靠的同步信號獲?。桓呔?、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)以上目標在參考了其他研究的基礎上，提出了采用運算能力較強的32位STM32單片機結合特定主回路的相間合成觸發(fā)電路的設計思想。該方案通過實際實驗驗證可以可靠地控制三相電機負載的電壓。

1 移相觸發(fā)電路的總體設計
移相觸發(fā)調壓系統(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動電路、晶閘管調壓主回路所組成，如圖1所示。系統(tǒng)通過檢測過零同步信號、根據(jù)負載的電流電壓相位差算出功率因數(shù)角，通過調整輸出觸發(fā)脈沖序列的觸發(fā)角大小達到調整輸出電壓從而改善功率因數(shù)的目的。

2 調壓電路及移相觸發(fā)脈沖序列時序設計
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)律地轉換。三相電壓正負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在純阻性負載下能夠調壓的計算起點。

圖3為三相異步電機晶閘管調壓主回路，由VT1～VT6及3組RC吸收電路構成。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)對應晶閘管，就可達到三相異步電機晶閘管調壓的目的。

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，將該點當做強電與弱電的參考點，即數(shù)字地。U相線經D301、D302箝位至TTL電平，通過Q1開關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。