三相可控硅半控橋數字觸發(fā)器的設計

　　一、引言

　　三相可控硅橋式半控整流電路可以在交流電源電壓不變的情況下，通過改變可控硅的觸發(fā)電路控制角來實現對整流電路直流輸出電壓的控制，這種電路在中等容量的整流裝置或不要求可逆的電力拖動系統(tǒng)中應用較為廣泛。傳統(tǒng)的三相橋式半控整流電路需要三套獨立的模擬式觸發(fā)器來觸發(fā)可控硅，由于模擬式觸發(fā)器存在著線路復雜、調整困難、可靠性低的問題，為此，本文提出一種用80C196KC單片機組成的數字觸發(fā)器電路，控制電路大為簡化，所產生的觸發(fā)脈沖具有移相范圍寬、控制精度高，動態(tài)響應快、穩(wěn)定可靠的特點，其性能指標優(yōu)于模擬式觸發(fā)器。

　　二、電路組成及原理分析

　　1.三相可控硅半控橋式整流電路的數字觸發(fā)器由80C196KC單片機最小系統(tǒng)、同步檢測電路、脈沖功率放大電路組成，如圖1所示。單片機8 0 C 1 9 6 K C、鎖存器、27C256程序存儲器、62C256數據存儲器構成最小系統(tǒng)。80C196KC為Intel公司16位高性能單片機，它的功耗極低，除正常工作外，還可以工作在待機和掉電兩種節(jié)電方式。其工作速度比51單片機高數倍?？偩€寬度為8/16位可選，而內部寬度總是16位的。80C196KC內含 8路10位A/D轉換器，512字節(jié)RAM，2個硬件定時/計數器，一個監(jiān)視跟蹤定時器，晶振為12MHz.單片機根據給定與反饋信號的差值，經運算后形成控制角為α的移相脈沖從HS0.0~0.2口腳輸出。

　　2.同步信號檢測由光電隔離、比較器和整形電路組成（如圖2）。由同步變壓器送過來的線電壓UAC的過零點時，在光電隔離器的輸出端產生一個方波，經反相器U1整形、RC電路微分后產生一個脈沖作為外部中斷信號加到80C196KC的EXTINT端，實現觸發(fā)脈沖與電源同步。為了簡化電路，本系統(tǒng)采用了相對觸發(fā)方式，只需要單相同步即可。

　　3.脈沖功率放大電路。如圖3所示，為了實現對大電感負載的可靠觸發(fā)，本觸發(fā)電路使用脈沖序列觸發(fā)方式。從單片機端口HS0.0~0.2輸出的脈沖送入由555組成的脈沖簇形成電路，經過場效應管功率放大和脈沖變壓器隔離后，輸出到可控硅的觸發(fā)極。

　　三、控制角算法

　　可控硅控制角α由下式求出：

　　大電感負載時，三相半控橋式整流電路輸出電壓Ud與控制角α的關系為：

　　上式表明三相半控橋式整流電路輸出電流Id與控制角α是非線性的，而（1）式是建立在線性化基礎上的，所以必須通過下面的式子予以修正：

　　為了簡化程序，采用U給定-ω-α′查表方式獲得控制角α。由于單片機的A/D轉換器為10位的，給定電壓5V經過A/D轉換后為3FFH=1023，若分成51檔，則：

　　所以ω=33H正好對應給定電壓U=5V；當U=4.9V時，二進制數為1003H，則：

　　其余類推，即正好0 。 1 V對應0 1 H，0.2V對應02H，…等，這樣便于查表。

　　利用一個過零檢測電路在同步電壓UAC從負半波到正半波過零時刻產生同步脈沖，因為UAC落后于相電壓UA30°，所以同步脈沖出現的時刻正好是A 相電壓的自然換相點，A、B、C各相的自然換相點彼此相差120°，當A相的自然換相點找到后，其余B、C相的自然換相點彼此相差時刻為T/3，T為上次測到的電壓周期，可用測量相鄰兩個同步脈沖的時間間隔得到。

　　設2 T、1 T分別為本次同步脈沖出現的時刻和上次脈沖出現的時刻。當1 T 》 1 T時，則：

　　在每一相的自然換相點出現時刻起動軟件定時器（其整定時刻為αt ），軟件定時器到時時刻即為該相發(fā)出觸發(fā)脈沖（控制角為α）的時刻。

　　三相橋式半控整流電路帶大電感負載時的移相范圍為0~180°。當控制角α大于120°時，相鄰兩個可控硅觸發(fā)電路可能同時工作，所以在模擬式觸發(fā)電路中每個可控硅必須有自己的觸發(fā)電路。由于一個單片機只能組成一個數字觸發(fā)電路，為了使三相電路能共用一個觸發(fā)電路，我們必須將控制角α限制在120°以內。這可以通過改變觸發(fā)順序的辦法來實現。

　　當α1 2 0°時，按理應在120°~240°時VT1，以后每隔120°觸發(fā)VT2、VT3，但也可以0~120°時以α′=α-120°觸發(fā)VT3，過120° 以后以α′觸發(fā)V T 1.顯然兩者是等效的，但這樣處理后，控制角可以限制在120°以內，就可以共用一個觸發(fā)器了。