【正文】 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 畢業(yè)設計任務書 2021 屆 工科 類 設計題目： 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 班級： 昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 2021 級電氣 3 班 學生姓名： 胡再興 學號： 2021219944 指導教師： 莫麗薇 職稱： 講師 指導小組組長： 胡再興 教學班負責人： 呂 姝 宜 設計時間： 2021 年 10 月 15 日至 2021 年 12 月 15 日 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 摘 要 電子技術(shù)的應用已深入到工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟建設，交通運輸，空間技術(shù)，國防現(xiàn)代化，醫(yī)療，環(huán)保，和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域，進入新世紀后電力電子技術(shù)的應用更加廣泛，因此對電力電子技術(shù)的研究更為重要。近幾年越來越多電力電子應用在國民工業(yè)中，一些技術(shù)先進的國家，經(jīng)過電力電子技術(shù)處理的電能己達到總電能的一半以上。 本文主要介紹基于 MCS— 51系列單片機 AT89C51芯片控制的三相橋式 全控整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理及控制電路，軟件部分由 C51 高級語言編程。具體運行由工頻三相電壓經(jīng)變壓器后在芯片控制下在不同的時刻發(fā)出不同的脈沖信號去控制相應的SCR 可控硅整流為直流電給負載供電。此種控制方式其 主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高 抗干擾強的特點。 觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活， 溫度 影響小，控制精度可通過軟件補償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點，目前已獲得業(yè)界的廣泛認可。 并將在很多的工業(yè)控制中得到很好的運用。 關(guān)鍵詞： 晶閘管 MCS— 51 單片機 觸發(fā)角 同步信號 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 1 目 錄 摘要 …………………………………………………………………………………… ...… Ⅰ 第一章 引言 …………………………………………………………………… ..…… ...3 1． 1 研究背景和意義 …………………………………………………………… ............3 1． 1． 1 晶閘管的發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………………………… ..........3 1． 1． 2 電力電子技術(shù)的前景 …………………………………………………… ......… 3 1． 1． 3 晶閘管的應用 …………………………………………………………… ......… 4 第二章 三相可控整流電路晶閘管的介紹 …………………………… ...............5 2． 1 三相橋式整流電路晶閘管的特征 ………………………………………… ......… 5 2． 1． 1 晶閘管的開關(guān)特點 …………………………………………………… .......…… 5 2． 1． 2 晶閘管的幾種導通方式 ………………………………………………… .......… 6 2． 1． 3 晶閘管的基本特性 ……………………………………………… ………… ........6 2． 1． 4 晶閘管的觸發(fā) …………………………………………………………… ........… 6 第三章 三相橋式全控整流電路 ………………………………………………… .… 7 3． 1 三相橋式全控整流電路電阻性負載 …………………………………… .........… 7 3． 2 三相橋式全控整流電路電感性負載 ……………………………………… .........11 第四章 AT89C51 芯片介紹 ……………………………………………………… ....… 15 4． 1 AT89C52 主要性 能參數(shù) …………………………………………………… ..........… .15 4． 2 AT89C52 引腳及內(nèi)部器件功能說明 ……………………………………… ..............15 4． 3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能介紹 …………………………………………… .................................22 第五章 控制系統(tǒng)原理 ……………………………………………………………… .… 28 5． 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 …………………………… ..……………………………… .............… 28 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 2 5． 2 觸發(fā)器硬件組成 ………… ..…………………………………………… .............…… 29 5． 3 移相觸發(fā)脈沖的控制原理 ……………………………………… ............…………… 29 第六章 系統(tǒng)硬件電路器件選擇 ……………………………………………………… 31 6． 1 晶閘管的參數(shù)及其選擇 ……………………………………………… ............…… ....31 6． 1． 1 晶閘管及平波電抗器 …………………………………………… .......…… ...… ....31 6． 1． 2 晶閘管 的保護 ……………………………………………………… ...........… ...… 32 6． 2 具體器件的計算與選擇 ………………………………………… ........………… ....… 34第七章 設計分析總結(jié) ……………………………………………… .............................36 參考文獻 ………………………………………………………………………………… ...… .37 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 3 第一章 引 言 研究背景和意義 基于 AT89C51 單片機的三相整流觸發(fā)控制系統(tǒng)。是應用于電力 領域的電子技術(shù)，即使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。 1． 1． 1 晶閘管的發(fā)展現(xiàn)狀 晶閘管出現(xiàn)前的時期，用于電力變換的電子技術(shù)已經(jīng)存在： 1904 年出現(xiàn)了電子管(Valve)，能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開了電子技術(shù)之先河。 后來出現(xiàn)了水銀整流器（ Mercuryvapour thyratrons），其性能和晶閘管很相似。在 30 年代到 50 年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應用的時期。它廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論己經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當一段時期內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式。交流電變?yōu)橹绷麟姷姆椒ǔy整流器外，還有發(fā)展更早的電動機一直流發(fā)電機組，即變流機組。和旋轉(zhuǎn)變流機組相對應，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始并沿用至今。 1947 年美國貝爾實驗室發(fā)明晶體管（ Transistor），引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命；晶閘管（ 1957 年） SCR（ Silicon Controlled Rectifier）可通過門極控制開通，但通過門極不能控制關(guān)斷，屬于半控型器件目前 由于其能承受的電壓、電流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以許多大容量場合仍大量使用。 1． 1． 2 電力電子技術(shù)的前景 電力電子器件發(fā)展的目標是：大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗、小體積（高芯片利用率）、模塊化。新的控制技術(shù)的使用，以減小電力電子器件的開關(guān)損耗，如軟開關(guān)技術(shù)；通過諧振電路使得器件在零電壓（ ZVS）或零電流（ ZCS）的狀態(tài)下進行開關(guān)。電力電子應用系統(tǒng)向著高效、節(jié)能、小型化和智能化的方向發(fā)展。 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 4 1． 1． 3 晶閘管的應用 一 般工業(yè)： 直流電動機有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源 或直流斬波電源都是電力電子裝置；近年來電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機的調(diào)速性能可與直流電機媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應用并占據(jù)主導地位。幾百 W 到數(shù)千 KW 的變頻調(diào)速裝置，軟起動裝置等；電化學工業(yè)大量使用直流電源，如電解鋁、電解食鹽水等。冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合，需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。 交通運輸： 電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機 傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)電動汽車的電機靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制飛機、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開電力電子技術(shù)如果把電梯也算做交通運輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，近年來交流變頻調(diào)速成為主流。 電力系統(tǒng)： 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應用。最終用戶在使用電能時常常需要進行預處理。如降壓、濾波、無功補償?shù)?；?jù)估計， 發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中有 60％以上至少經(jīng)過一次電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。毫不夸張地說，離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置近年發(fā)展起來的柔性交流輸電可以大幅度提高電網(wǎng)輸電能力和穩(wěn)定性；手段：快速、精確、連續(xù)地控制大容量有功和無功等參數(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)潮流變化、功率流向、輸送能力、阻尼振蕩的性能加以改進和提高。如有源濾波器（ APF Active Power Filter）一可進行用戶端的無功補償和諧波抑制。 不間斷電源（ UPS）和各種開關(guān)電源： 這一類的應用最為普遍各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在己改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在己逐漸取代了線性電源。 家用電器： 照明在家用電器中有卜分突出的地位。由于電力電 子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱為“節(jié)能燈”，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈變頻空調(diào)器是家用電器中應用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機、音響設備、家單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 5 用計算機等電子設備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術(shù)。 新能源的開發(fā)和利用： 傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水力發(fā)電以及后來興起的核能發(fā)電。能源危機后，各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來越受到重視。其中太陽能發(fā)電、風力發(fā)電的發(fā)展較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽能發(fā)電和風力發(fā)電受環(huán)境的 制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，也離不開電力電子技術(shù)為了合理地利用水力發(fā)電資源，近年來抽水儲能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動機的起動和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)核聚變反應堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù) 的用武之地。 第二章 三相可控整流電路 晶閘管的介紹 2． 1 三相橋式整流電路晶閘管的特征 2． 1． 1 晶閘管的開關(guān)特點： （ 1）當 SCR 的陽極和陰極電壓 UAK﹤ 0，即 EA 下正上負，無論門極 G 加什么電， SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)。 （圖 2— 1） （ 2）當 UAK﹥ 0 時，只有 EGK﹥ 0,SCR 才能導通。說明 SCR 具有正向阻斷能力。 單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設計 6 （ 3） SCR 一旦導通，門極 G 將失去控制作用 ，即無論 EG 如何，一均保持導通狀態(tài)。SCR 導通后的管壓降為 1V 左右，主電路中的電流 I 由 R 和 RW以及 EA 的大小決定。 （ 4）當 UAK﹤ 0 時，無論 SCR 原來的狀態(tài)，都會使 R 熄滅，即此時 SCR 關(guān)斷。其實，在 I 逐漸降低（通過調(diào)整 RW）至某一個小數(shù)值時，剛剛能夠維持 SCR 導通。如果繼續(xù)降低 I，則 SCR 同樣會關(guān)斷。該小電流稱為 SCR 的維持電流。 綜上所述： SCR 導通條件 : UAK﹥ 0 同時 UGK﹥ 0，由導通→關(guān)斷的條件：使流過 SCR 的電流降低至維持電流以下。（一般通過減小 EA，直至 EA﹤ 0 來實現(xiàn)。） 2． 1． 2 晶閘管的幾種導通方式： （ 1）正常觸發(fā)導通： UAK﹥ 0