基于STM32的晶闸管三相调压电路的设计

作者：时间：2013-08-22 来源：网络收藏

讨论一下ωt∈[0，π]期间即U相正半周的情况，通过图6我们可以看出，以U_Sync过零点为基准，在经过延迟角Delay Angle(即触发角α)后开始同时发出了U_Trigger、W_Trigger两个触发脉冲，从而相当于将S1、S2、S5、S6开关闭合。由于此时已经过了U、W的自然换相点(图1的点1)，U点电压大于W点电压，电流可以从U点(也就是K4)经R15、R3、S1、S2、R14、L1、L3、R18、S6、S5、R11、R19流至W点(也就是K2)。这样K4点电压比G4高，G1点电压比K1高，K5点电压比G5高，G2点电压比K2高，根据晶闸管特性我们知道，只要G点电压高于K点电压，且电流方向与晶闸管方向一致，则该只晶闸管将被触发导通，即VT1、VT2导通，与我们的设计思想一致。
再分析一下ωt∈[π，2π]期间即U相负半周的情况，第一组触发脉冲发生后，经过π时间(180°)，根据三相电源原理也将会进行一次换流(图1的点4)，所以必须发生U_Trigger、W_Trigger两个触发脉冲，相当于将S1、S2、S5、S6开关闭合。由于此时已经过了W、U的自然换相点，W点电压大干U点电压，电流可以从W点(也就是K2)经R19、R11、S5、S6、R18、L1、R14、S2、S1、R3、R15流至U点(也就是K4)。这样K2点电压比G2高，G5点电压比K5高，K1点电压比G1高，G4点电压比K4高，根据晶闸管特性我们知道，只要G点电压高于K点电压，且电流方向与晶闸管方向一致，则该只晶闸管将被触发导通，即VT4、VT5导通，也同样与我们的设计思想一致。其它换流时刻依此原理，不再赘述。
通过以上分析，如果我们正确发生了图6的三组触发信号，配合图3～图5的电路，通过调整触发角α的大小就可以有效控制三相电机的输入电压，达到调压的目的。
前面我们分析了触发脉冲发生的时序及相互依赖关系，下面我们再讨论一下脉冲宽度对调压控制的影响。
对于标准的纯阻性负载来说，只要在自然换流点以后的某个时间点触发，就会使得相应的晶闸管导通。如果在自然换流点之前触发，而且触发脉冲的下降沿也处于自然换流点之前，那么将会发生遗漏触发的现象。所以在纯阻性负载情形下，如果触发脉冲宽度跨越自然换流点，那么换流后对应的晶闸管马上导通，相当于输出满压。如果调压控制的话，必须保证触发脉冲上升沿在自然换流点之后。
对于电机等感性负载来说，相对于纯阻性负载会延迟一个功率角φ，调压时的触发角应该满足如下公式α>=max(φ，y)，当然可以尽量增大触发脉冲的宽度W，保证30°W60°比较合适。

3 系统软件设计
系统主芯片采用意法半导体公司生产的STM32ARMCortex—M3，开发平台选用Keil MDK。整个软件采用了模块化编程思想，分成数据采集模块、触发信号发生模块、PID控制模块、通讯模块及人机交互模块组成。系统软件结构图如图8所示。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/175748.htm

其中，数据采集模块负责采集通过互感器及信号调理电路输出的相间电压值(SCR调压值)，供PID控制模块做PV值使用；触发信号发生模块主要用来发生以一定的控制角导通对应晶闸管起到调压作用的触发波形；PID控制模块完成控制到某给定电压(SV值)的任务；通讯模块负责完成将调压后电压及控制角参数以9 600波特率输出至计算机的作用；系统人机交互模块完成通过键盘、LCD显示板进行手动测试的作用。控制软件的流程图如图9所示。

4 实验应用
本系统应用于油田抽油机的节电项目中，只要按照要求正确将设备与三相电源、三相交流异步电机相连，系统就会自动跟踪负载。负载轻，所调的电压就低；负载重，所调的电压就高。由于晶闸管特性的限制，所调电压不会低于200 V交流，不然由于导通角较大，低次谐波过多，会出现断流电机堵转现象。如图10所示系统按照需求发生了正确的触发信号波形，通过实际运行来看，系统运行达到预期结果、稳定可靠。

5 结论
本系统采用STM32高性能ARM处理器设计了光电隔离的晶闸管触发控制脉冲信号及驱动电路，可以输出30°～60°脉宽较宽的触发信号，规避了脉冲变压器驱动方式只能采用窄脉冲或窄脉冲序列的缺点。软件采用模块化思想进行设计，提高了系统软件的健壮性，同时也提高了系统的可靠性及可维护性。通过实际运行结果表明，系统具有调压准确、稳定可靠等特点，达到了设计要求。