基于STM32的晶閘管三相調壓電路的設計

作者：時間：2013-08-22 來源：網(wǎng)絡

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討論一下ωt∈[0，π]期間即U相正半周的情況，通過圖6我們可以看出，以U_Sync過零點為基準，在經過延遲角Delay Angle(即觸發(fā)角α)后開始同時發(fā)出了U_Trigger、W_Trigger兩個觸發(fā)脈沖，從而相當于將S1、S2、S5、S6開關閉合。由于此時已經過了U、W的自然換相點(圖1的點1)，U點電壓大于W點電壓，電流可以從U點(也就是K4)經R15、R3、S1、S2、R14、L1、L3、R18、S6、S5、R11、R19流至W點(也就是K2)。這樣K4點電壓比G4高，G1點電壓比K1高，K5點電壓比G5高，G2點電壓比K2高，根據(jù)晶閘管特性我們知道，只要G點電壓高于K點電壓，且電流方向與晶閘管方向一致，則該只晶閘管將被觸發(fā)導通，即VT1、VT2導通，與我們的設計思想一致。
再分析一下ωt∈[π，2π]期間即U相負半周的情況，第一組觸發(fā)脈沖發(fā)生后，經過π時間(180°)，根據(jù)三相電源原理也將會進行一次換流(圖1的點4)，所以必須發(fā)生U_Trigger、W_Trigger兩個觸發(fā)脈沖，相當于將S1、S2、S5、S6開關閉合。由于此時已經過了W、U的自然換相點，W點電壓大干U點電壓，電流可以從W點(也就是K2)經R19、R11、S5、S6、R18、L1、R14、S2、S1、R3、R15流至U點(也就是K4)。這樣K2點電壓比G2高，G5點電壓比K5高，K1點電壓比G1高，G4點電壓比K4高，根據(jù)晶閘管特性我們知道，只要G點電壓高于K點電壓，且電流方向與晶閘管方向一致，則該只晶閘管將被觸發(fā)導通，即VT4、VT5導通，也同樣與我們的設計思想一致。其它換流時刻依此原理，不再贅述。
通過以上分析，如果我們正確發(fā)生了圖6的三組觸發(fā)信號，配合圖3～圖5的電路，通過調整觸發(fā)角α的大小就可以有效控制三相電機的輸入電壓，達到調壓的目的。
前面我們分析了觸發(fā)脈沖發(fā)生的時序及相互依賴關系，下面我們再討論一下脈沖寬度對調壓控制的影響。
對于標準的純阻性負載來說，只要在自然換流點以后的某個時間點觸發(fā)，就會使得相應的晶閘管導通。如果在自然換流點之前觸發(fā)，而且觸發(fā)脈沖的下降沿也處于自然換流點之前，那么將會發(fā)生遺漏觸發(fā)的現(xiàn)象。所以在純阻性負載情形下，如果觸發(fā)脈沖寬度跨越自然換流點，那么換流后對應的晶閘管馬上導通，相當于輸出滿壓。如果調壓控制的話，必須保證觸發(fā)脈沖上升沿在自然換流點之后。
對于電機等感性負載來說，相對于純阻性負載會延遲一個功率角φ，調壓時的觸發(fā)角應該滿足如下公式α>=max(φ，y)，當然可以盡量增大觸發(fā)脈沖的寬度W，保證30°W60°比較合適。

3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)主芯片采用意法半導體公司生產的STM32 ARMCortex—M3，開發(fā)平臺選用Keil MDK。整個軟件采用了模塊化編程思想，分成數(shù)據(jù)采集模塊、觸發(fā)信號發(fā)生模塊、PID控制模塊、通訊模塊及人機交互模塊組成。系統(tǒng)軟件結構圖如圖8所示。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/175748.htm

其中，數(shù)據(jù)采集模塊負責采集通過互感器及信號調理電路輸出的相間電壓值(SCR調壓值)，供PID控制模塊做PV值使用；觸發(fā)信號發(fā)生模塊主要用來發(fā)生以一定的控制角導通對應晶閘管起到調壓作用的觸發(fā)波形；PID控制模塊完成控制到某給定電壓(SV值)的任務；通訊模塊負責完成將調壓后電壓及控制角參數(shù)以9 600波特率輸出至計算機的作用；系統(tǒng)人機交互模塊完成通過鍵盤、LCD顯示板進行手動測試的作用。控制軟件的流程圖如圖9所示。

4 實驗應用
本系統(tǒng)應用于油田抽油機的節(jié)電項目中，只要按照要求正確將設備與三相電源、三相交流異步電機相連，系統(tǒng)就會自動跟蹤負載。負載輕，所調的電壓就低；負載重，所調的電壓就高。由于晶閘管特性的限制，所調電壓不會低于200 V交流，不然由于導通角較大，低次諧波過多，會出現(xiàn)斷流電機堵轉現(xiàn)象。如圖10所示系統(tǒng)按照需求發(fā)生了正確的觸發(fā)信號波形，通過實際運行來看，系統(tǒng)運行達到預期結果、穩(wěn)定可靠。

5 結論
本系統(tǒng)采用STM32高性能ARM處理器設計了光電隔離的晶閘管觸發(fā)控制脈沖信號及驅動電路，可以輸出30°～60°脈寬較寬的觸發(fā)信號，規(guī)避了脈沖變壓器驅動方式只能采用窄脈沖或窄脈沖序列的缺點。軟件采用模塊化思想進行設計，提高了系統(tǒng)軟件的健壯性，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性及可維護性。通過實際運行結果表明，系統(tǒng)具有調壓準確、穩(wěn)定可靠等特點，達到了設計要求。