异步电动机晶闸管串级调速触发电路的设计

三峡电力职业学院 李 莉 徐金雄

1.引言

近几年来，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。

串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。它属于变转差率来实现串级调速。与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用(回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上)，因此效率高。它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。本文讨论的主要是这种调速方法核心部分的触发电路的设计。触发电路又分为同步电路，控制电路，脉冲隔离放大电路。下面谈一谈各部分具体电路的设计。

2.同步电路的设计

三相桥式整流电路每相自然换相点距本相电压零点30°，触发角α的大小必须从自然换相点算起，所以必须有同步脉动信号来指示主回路电源相电压的自然换相点，以便确定α角定时的起点，电路如图1所示(以A相为例)。

取A相电源为同步脉冲基准电压，经变压器降压后，进入RC1移相电路，产生30°角的延时，再经限流环节、脉冲形成环节后，产生一方波电压信号。通过反相器及输出电路就可以得到脉冲信号。脉冲幅值等于5/R2，各点波形如图2所示。

根据理论分析，移相角计算公式为：

当C1确定之后，调节R即可调节移相范围，选取C1=0.022μF，R=4.7KΩ，电位器即能满足θ=30°的移相要求。

3.单片机最小系统

单片机的最小系统即：单片机与能使单片机正常工作所需要为单片机外加的最少的元器件所组成的系统。一般包括：单片机、时钟电路、复位电路及简单的输入输出接口电路。

单片机内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器。两个引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入和输出端。在片外跨接一晶振和两个匹配电容，如图3所示，就构成了一个自激振荡器。振荡频率根据实际需求的工作速度，可选择从几百千赫兹至24MHz。

表1 脉冲分配表（1有效）

表2 晶闸管与P1口引脚的对应关系

图1 A相电源步电路

图2 同步电路中各点脉冲信号

图3 单片机最小系统

图4 脉冲放大隔离电路

本设计中使用的晶振频率为12MHz，选择的匹配电容为30 pF。RST引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。使用时，一般在此引脚与VSS引脚之间接一个约8.2 KΩ的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约10 pF的电解电容，即可保证上电自动复位。增加按键开关和电阻又可实现按键复位功能。

4.触发脉冲的形成及其放大输出

4.1 脉冲分配表

在触发六个晶闸管时，为了方便起见，可建立一个脉冲分配表，如表1所示。当系统初始化时将它写入存储器中。每当触发时间到，按指针从表中取出一个数据从单片机的P1口输出，经脉冲放大隔离后去触发晶闸管，晶闸管与单片机的P1口的具体连接情况如表2所示。

4.2 脉冲的产生

将同步信号的输出接于单片机的P3.2引脚，单片机CPU检测到同步信号时，启动定时器T0，延时到一个角度后，即定时器T0溢出中断，转入中断服务程序，给P1口输出晶闸管1、6的触发脉冲，同时启动定时器T1，对60°进行计时，然后调用延时程序，时间到时将P1口清零，等待T1的溢出。T1一溢出，即转入T1的中断服务程序，给P1口输出下一对触发脉冲，将T1重新赋初值，再次调用延时程序，如此执行直到六对脉冲全部输出。

4.3 控制角α的计算

定时器的定时初值由下式计算得出：

式中 fosc为系统时钟频率，本设计中取T为定位时间。对于数字调节器，要求对象为线性系统。近似认为电位器输出电压 UC与控制角α为线性关系。本设计取 UC的范围为0-5V，与之对应的α角的范围为00-900。调节电位器，便得到不同的触发角α，进而控制三相全控桥的输出电压，实现电机的调速。由以上对应关系可得到如下表达式：

对于50Hz的交流电来说，控制角α对应的时间（单位为μs）为：

将αT的值代入计算计数初值X的式子中，算出初值，并存入相应的单元中等待程序来取。

4.4 脉冲的放大隔离

由于从单片机输出的脉冲不足以驱动晶闸管使其导通，所以在单片机和晶闸管之间要加入脉冲放大隔离电路。一方面，给晶闸管提供导通脉冲；另一方面，也起到控制电路与主电路的隔离作用，避免对单片机的干扰。本设计所用的脉冲放大隔离电路如图4所示。脉冲变压器作用：二次侧输出触发脉冲，一次侧接在V集电极电路中。V起脉冲放大作用。

该电路由V构成的脉冲放大环节和脉冲变压器及附属电路构成的脉冲输出环节两部分构成。没有脉冲时，V不导通，其集电极为高电平，变压器原边没有电流跳变，在副边不能感应出电动势；当脉冲到达，V导通时，集电极电压突降，从而使变压器原边电流突增，在副边感应出电动势，晶闸管的门极和阴极之间有正向电压，如果此时晶闸管阳极和阴极之间加正压，则晶闸管导通。VD1的作用是：V由导通变为截止时脉冲变压器释放其储存的能量。图中VD3的作用是严格保证电流从左到右流通。

5.结论

本文以STC89C51RC单片机作为控制核心，通过同步电路实现对电网正弦波的同步，并对其进行移相30°，找到自然换相点，为单片机的控制提供了前提条件。同步信号的触发和电位器的调节实现了双窄脉冲的移相控制。从P1口输出的双窄脉冲，经脉冲放大隔离电路后，波形符合晶闸管触发脉冲的要求，并经试验能使晶匣管导通。用示波器对控制电路各点波形进行观测，发现控制电路各点波形虽有部分与理论值有出入，但仍符合要求，对实验结果没有产生太大的影响。

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