基于單片機(jī)的晶閘管功率控制器畢業(yè)論文

1、<p><b>　　XX大學(xué)</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目______________________________</p><p>　　專 業(yè)______________________________</p><p>　

2、　班 級(jí)______________________________</p><p>　　姓 名______________________________</p><p>　　指導(dǎo)教師______________________________</p><p><b>　　年 月 日</b></p><p&g

3、t;　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院 年級(jí) 專業(yè) 層次： 科</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　設(shè)計(jì)了一款基于LPC2124單片機(jī)控制的單相晶閘管功率控制器。LPC2124采集同步信號(hào)，依靠軟件定時(shí)，進(jìn)而輸出延時(shí)角的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后，送入晶閘管控制極，

4、從而控制導(dǎo)通角。</p><p>　　關(guān)鍵詞：LPC2124；晶閘管；功率控制器</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　1 調(diào)壓調(diào)功原理簡介1</p><p><b>　　2系統(tǒng)電路組成2&l

5、t;/b></p><p>　　3 觸發(fā)器硬件組成2</p><p><b>　　4軟件的實(shí)現(xiàn)4</b></p><p>　　5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5</p><p>　　6 protues仿真6</p><p><b>　　結(jié)論7</b></p>

6、<p><b>　　致謝9</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)10</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　交流-交流變流電路，即把一種形式的交流變成另一種形式的交流電路。在進(jìn)行交流-交流變流時(shí)，可以改變相關(guān)的電壓（電流）、頻率和相數(shù)等。交流-交流

7、變流電路可以分為直接方式（無中間直流環(huán)節(jié)方式）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)方式）兩種。而間接方式可以看做交流-直流變換電路和直流-交流變換電路的組合，故交-交變流主要指直接方式。其中，只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。采用相位控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)壓電路；采用通斷控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)功電路和交流無觸點(diǎn)開關(guān)。</p><p&g

8、t;　　交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制）及異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)也用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路還常用于對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。在這些電源中如果采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)，十分不合理。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓、電流值都比較適

9、中，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計(jì)制造。其分為單相和三相交流調(diào)壓電路，前者是后者基礎(chǔ)，這里只討論單相問題。</p><p>　　交流調(diào)功電路常用于電爐的溫度控制，其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率。像電爐溫度這樣的控制對(duì)象，其時(shí)間常數(shù)往往很大，沒有必要對(duì)交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時(shí)刻都是在電源電壓過零的時(shí)刻

10、，這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電源都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。</p><p>　　晶閘管也叫可控硅整流器．是目前工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的大功率變換器件。晶閘管在燒結(jié)爐、電弧爐等整流場(chǎng)合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的相位實(shí)現(xiàn)控制輸出。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無法克服其固有缺點(diǎn)。數(shù)字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點(diǎn)是電路比較復(fù)

11、雜，移相觸發(fā)角較大時(shí)控制精度不高。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由單片機(jī)組成的控制電路的優(yōu)勢(shì)越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點(diǎn)外，更因其移相觸發(fā)角通過軟件計(jì)算完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過軟件補(bǔ)償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，目前已獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可。本文介紹應(yīng)用單片機(jī)組成晶閘管功率控制器硬件電路的設(shè)計(jì)，以及軟件實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)脈沖控制的方法。</p><p>　　1 調(diào)壓調(diào)功原理簡介<

12、;/p><p>　　把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。</p><p>　　在每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶閘管開通相位的控制可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。</p><p>　　交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。</p>

13、<p>　　交流調(diào)功電路不是在每個(gè)交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角α對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周波，再斷開幾個(gè)整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。</p><p><b>　　2系統(tǒng)電路組成</b></p><p>　　整套系統(tǒng)的硬件電路主要由主回路和微處理器控制電路組成。其中主回路包括同步信號(hào)

14、產(chǎn)生電路和觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　本裝置所用LPC2124單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器，同步信號(hào)產(chǎn)生電路用以將從電網(wǎng)獲得的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成同步脈沖，LPC2124用作接收同步信號(hào)和α角，并將α角轉(zhuǎn)換為脈沖延時(shí)，從而控制晶閘管的門級(jí)，控制輸出電流的大??；驅(qū)動(dòng)電路用來將從單片機(jī)出來的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大；晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流大小的控制。</p><p>　　單片機(jī)控

15、制的晶閘管觸發(fā)器主要由同步信號(hào)檢測(cè)、CPU硬件電路、復(fù)位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路4部分組成，如圖l所示。CPU通過檢測(cè)電路獲知觸發(fā)信號(hào)，依據(jù)所要控制的電路要求，通過編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)通過單片機(jī)I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，復(fù)位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)組成電路</b></p><p><b>　　3

16、觸發(fā)器硬件組成</b></p><p>　　單片機(jī)控制的移相觸發(fā)脈沖控制硬件電路圖如下。單片機(jī)選用LPC2124，共有64個(gè)引腳。同步信號(hào)的輸入經(jīng)電阻R1，R1起到限流和保護(hù)的作用，正弦同步信號(hào)經(jīng)VD1和VD2兩個(gè)限制比較器輸入電壓的箝位二極管削波后，送入比較器LM339的輸入端，LM339輸出為180°與電源相位相同的方波。同步檢測(cè)信號(hào)發(fā)生正跳變時(shí)，經(jīng)反相以中斷方式向單片機(jī)的INT0提供同

17、步指令，以邊沿觸發(fā)中斷，從表面上看好像是外部中斷信號(hào)輸入。使用該比較電路，無論輸入的同步電壓信號(hào)高還是低，LM339的輸出信號(hào)都能較準(zhǔn)確的反映同步輸入信號(hào)的過零點(diǎn)，R2和C3對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，以避免輸出信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。由于采用單片機(jī)進(jìn)行延遲處理其觸發(fā)角，其觸發(fā)延遲角范圍為0°～180°，控制精度非常高，雖然控制精度受到內(nèi)部運(yùn)算位數(shù)的限制，但足以滿足一般控制要求。</p><p><b&g

18、t;　　圖2同步信號(hào)電路</b></p><p>　　LPC2124的P0．3端口用于輸出整流電路的觸發(fā)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)74LS04反相放大，推動(dòng)功率放大器TD62004，該器件的輸出連接到脈沖變壓器的初級(jí)繞組。</p><p><b>　　圖3觸發(fā)脈沖電路</b></p><p>　　LPC2124的模擬量輸入端口可以為以后添

19、加從整流端采集真有效值電壓負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，以保證整流輸出端電壓穩(wěn)定。</p><p><b>　　4軟件的實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　主程序中包括了系統(tǒng)初始化子程序，控制角的輸入及計(jì)算，同步輸入信號(hào)的檢測(cè)，脈沖信號(hào)的輸出，系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位或停機(jī)的控制。</p><p><b>　　

20、主程序流程圖如圖4</b></p><p><b>　　圖4主程序流程圖</b></p><p><b>　　5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。</

21、p><p>　　1)過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)：</p><p>　　電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓、雷擊過電壓；內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：換相過電壓、關(guān)斷過電壓。</p><p>　　過壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入

22、不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到—定過壓值時(shí)，自動(dòng)開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多。</p><p>　　這里主要考慮晶閘管在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)承受的過電壓，故可用阻容保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時(shí)，電容兩端電壓不能突發(fā)的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時(shí)抑制電路中

23、的電感與電容產(chǎn)生振蕩。阻容保護(hù)電路如圖5所示。</p><p><b>　　圖5 阻容保護(hù)電路</b></p><p>　　2)過電流的產(chǎn)生及過電流保護(hù)：</p><p>　　圖6 過電流各種保護(hù)措施及配置位置</p><p>　　引起過流的原因：當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)

24、過載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^流保護(hù)。常見的過電流保護(hù)電路有如下一些形式。變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交流側(cè)接快速熔斷器能對(duì)晶閘

25、管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，但要求正常工作時(shí)，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對(duì)元件的短路故障所起的保護(hù)作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對(duì)負(fù)載短路起保護(hù)作用，對(duì)元件無保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對(duì)元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^同—個(gè)電流。因而被廣泛使用。</p><p>　　6 protues仿真</p><p>　　用protues進(jìn)行原理性仿真,電路效果

26、直觀，重復(fù)性和再現(xiàn)性好，簡單方便。</p><p>　　現(xiàn)用protues仿真單相交流調(diào)壓電路。交流電源、兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)、阻性負(fù)載即構(gòu)成了主電路，再給雙向晶閘管提供觸發(fā)脈沖。為了觀察電路狀態(tài)，在電源端、同步信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和負(fù)載端加上示波器，同時(shí)觀察四個(gè)波形。</p><p><b>　　仿真連線圖如下：</b></p><p>　　圖7 p

27、rotues仿真連線圖</p><p>　　仿真前，要設(shè)定好元器件的參數(shù)。將題目條件中交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載的阻抗代入，交流電源的頻率設(shè)為50Hz，幅值設(shè)為12，脈沖寬度設(shè)好。根據(jù)示波器輸入端口的順序，波形圖分別表示：同步信號(hào)、電源電壓、觸發(fā)脈沖、負(fù)載電壓。其仿真波形如圖8所示</p><p>　　圖8 protues仿真示波器波形圖</p><p><b&g

28、t;　　結(jié)論</b></p><p>　　此次實(shí)驗(yàn)中是晶閘管單相交流調(diào)壓、調(diào)功電路，電路圖比較簡單，但必須弄清楚其原理及相互間的區(qū)別及聯(lián)系。做了實(shí)驗(yàn)后，對(duì)交流調(diào)壓和調(diào)功電路的了解更加深入，以前沒有細(xì)究的問題都逐一查資料解決。特別是對(duì)調(diào)壓電路中α的變化對(duì)波形的影響首次清楚認(rèn)識(shí)，并且知道了不同導(dǎo)通角對(duì)調(diào)壓電路的影響。</p><p>　　此次電路的難點(diǎn)在于同步信號(hào)的獲取上，采用輸入

29、經(jīng)電阻R1限流和保護(hù)的作用，再經(jīng)VD1和VD2兩個(gè)限制比較器輸入電壓的箝位二極管削波后，送入比較器的輸入端，從而獲得與電源相位相同的方波。</p><p>　　然后實(shí)際中要加入很多保護(hù)電路來保證電路的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。這里因?yàn)槠潆娏骱艽螅挚紤]到晶閘管的換相過電壓，就加入了快速熔斷器，并給晶閘管加了緩沖電路。平時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)這些保護(hù)電路都沒有怎么考慮，這讓我對(duì)各種保護(hù)電路也有了個(gè)了解和學(xué)會(huì)選擇。</p>&

30、lt;p>　　此次仿真讓我對(duì)protues仿真有了進(jìn)一步的了解,對(duì)元器件的作用和選擇，構(gòu)成電路的大致步驟都加深了印象。仿真時(shí)出了一些問題，通過不斷地努力都解決了。同時(shí)發(fā)現(xiàn)protues的功能真是十分強(qiáng)大，仿真方式和實(shí)際試驗(yàn)相比帶來很多方便，當(dāng)然也有失真的情況，在以后的工作和實(shí)驗(yàn)中可以互補(bǔ)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　一直到今天

31、，三年多的宿愿終于有了結(jié)果，我很激動(dòng)。在此我特別感謝XXX老師的精心指導(dǎo)，不僅指導(dǎo)我們加深對(duì)論文的了解，更重要的是為我們指引了設(shè)計(jì)的思路并給我們講解了設(shè)計(jì)中用到的實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。從而使我們?cè)诋厴I(yè)設(shè)計(jì)中始終保持著清晰的思維，也少走了很多彎路，也使我們學(xué)會(huì)了綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，提高分析和解決實(shí)際問題的能力。非常感謝班主任王老師對(duì)我們學(xué)習(xí)的督促，讓我們認(rèn)識(shí)大學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。</p><p>　　感謝同學(xué)們的熱心幫助，院

32、系領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)心，使我們能夠全身心的投入到設(shè)計(jì)中去，為更好、更快地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了重要保障。</p><p>　　感謝所有幫助我的人。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅讓我的專業(yè)水平更扎實(shí)了，也讓我在知識(shí)面以及對(duì)工作和學(xué)習(xí)的態(tài)度上得到了很大的提高。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　晶閘管：http://wenk

33、u.baidu.com/view/5b2090679b6648d7c1c746f1.html</p><p>　　晶閘管的結(jié)構(gòu)以及工作原理：http://wenku.baidu.com/view/5b2090679b6648d7c1c746f1.html </p><p>　　LPC2124處理器工作原理：http://wenku.baidu.com/view/96951d33396801