【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，通過靈活、精確地控制晶閘管的導(dǎo)通角或 IGBT 的占空比來調(diào)節(jié)電磁線圈中電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電 磁制動(dòng)器的數(shù)字化控制。其優(yōu)點(diǎn)是用到的器件較少，一塊單片機(jī)可以代替大量的數(shù)字 和模擬 器件，成本低；其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性問題一直讓可編程器件在工業(yè)控制領(lǐng)域止步不前。 2 利用運(yùn)算放大器、三極管、邏輯門電路等數(shù)字、模擬器件組成的硬件電路作為控制電路，主回路由整流二極管、晶閘管、續(xù)流二極管組成。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，執(zhí)行速度快；其缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，設(shè)計(jì)開發(fā)周期長(zhǎng) [1618]。 3 對(duì)于穩(wěn)定性、節(jié)能性和功率器件產(chǎn)生的 “電力公害 ”的研究，主要是針對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能控制以及減少器件產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響所進(jìn)行的研究 [1920]。 4 對(duì)于系統(tǒng)自動(dòng)智能控制方向的研究， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛 [2122]。保護(hù)、監(jiān)測(cè)和控制逐步達(dá)到自動(dòng)化，對(duì)于工業(yè)電磁制動(dòng)器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是十分重要的，且其重要性和作用正逐漸增大。在某些方面，比如溫度監(jiān)測(cè)、無線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字化控制 自動(dòng)化技術(shù) 是必不可少的。實(shí)現(xiàn)工業(yè)電磁制動(dòng)器自動(dòng)化控制 就是 采用現(xiàn)代電子、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)和裝備對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器 實(shí)行自動(dòng) 控制 ， 方便用戶對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器在正常運(yùn)行和事故情況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和 管燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 理，大大提高 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、 可操作性，提高了工作效率。 本論文的主要內(nèi)容 論文的主要內(nèi)容如下： 1 主要闡述工業(yè)電磁制動(dòng)器的 運(yùn)行 規(guī)律， 設(shè)計(jì)了 單片機(jī)對(duì)于晶閘管的控制方法，其中包括單片機(jī)過零檢測(cè)電路的實(shí)現(xiàn)、晶閘管的選型和 單片機(jī)控制 程序的編寫 。 2 闡述了 “電力公害 ”的產(chǎn)生原因以及 常用的抑制方法。 3 提出了控制系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案、單片機(jī)抗電磁干擾的電路設(shè)計(jì)方案、自動(dòng)復(fù)位及報(bào)警電路的設(shè)計(jì)方案，目的是最大限度的保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 通過實(shí)際調(diào)試總結(jié)了裝置存在的硬件原因，并提出了修改方案 ， 提出 了人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)方案，包括 LCM12864 液晶的控制、主從機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)方案。提出了信息無線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案，利用 無線通信模塊 24L01 將工業(yè)電磁制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋到主控室，大大方便了用戶操作。 4 介紹了電路仿真軟件 Multisim，并用 Multisim 進(jìn)行了主控電路的仿真，通過反復(fù)調(diào)節(jié)電路參數(shù)得到了 理想的 仿真數(shù)據(jù) 及其圖像。 介紹了 PCB制作軟件 Altium Designer，用 Altium Designer 軟件繪制出控制電路和信號(hào)電路的原理圖、 PCB 圖，并用熱轉(zhuǎn)印的方法制作出了實(shí)物硬件電 路，經(jīng)過測(cè)試，電路運(yùn)行狀態(tài)良好。 第 2 章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 5 第 2章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 設(shè)計(jì)要求 產(chǎn)品 應(yīng)用于 工業(yè)控制場(chǎng)合，要求具有較高的穩(wěn)定性，因此在選用器件時(shí)要注意預(yù)留一定的余量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器的精確控制，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，系統(tǒng)的電源要求用市電即220V 交流電，其電源質(zhì)量一定要符合工業(yè)要求。為了方便用戶管理和操作，系統(tǒng)的人機(jī)交互界面要求簡(jiǎn)潔實(shí)用，可以實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。為了 監(jiān)測(cè) 主控芯片的 狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)溫度 監(jiān)測(cè) 模塊，防止芯片因溫度過高而燒毀。 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，系統(tǒng)需要設(shè) 計(jì)信息無線傳輸部分。 工業(yè)電磁制動(dòng)器控制方案的 選擇 工業(yè)電磁制動(dòng)器的控制規(guī)律是 高電壓或大電流啟動(dòng)，低電壓或小電流維持。根據(jù)實(shí)際參數(shù)得出工業(yè)電磁制動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)需要一個(gè)大約持續(xù) 的高電壓或大電流，之后只需要一個(gè)小的電流維持其運(yùn)行即可。因此決定采用晶閘管作為主控器件，在工業(yè)電磁制動(dòng)器開始啟動(dòng)時(shí)給予晶閘管一個(gè)大的導(dǎo)通角， 后在給予晶閘管一個(gè)較小的導(dǎo)通角，讓其維持運(yùn)行狀態(tài)。目前的控制方案有兩種：一種是采用模擬器件組成控制電路，另一種是采用可編程數(shù)字器件組成 的控制電路。 1 采用模擬器件組成控制電路 模擬電路具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)， 在可編程數(shù)字器件廣泛應(yīng)用之前都是應(yīng)用模擬器件搭建控制電路， 但其缺點(diǎn)是 電路復(fù)雜， 修改參數(shù)困難，開發(fā)周期長(zhǎng)，控制精度不高、易受溫度漂移的影響。 2 采用可編程數(shù)字器件組成控制電路 數(shù)字式觸發(fā)電路是通過脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角的延遲計(jì)算。與模擬方式相比，其控制精度高，但其主要缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，程序容易出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象，因此采用可編程數(shù)字器件組成的控制電路需要充分考慮電磁兼容的問題，提高 可編程數(shù)字器件的 穩(wěn)定性。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 考慮到模擬和數(shù)字電路各自的優(yōu)缺點(diǎn)， 為了調(diào)試系統(tǒng)方便 ，得到較高的控制精度， 本次 畢業(yè) 設(shè)計(jì)決定采用可編程數(shù)字器件組成控制電路，即采用單片機(jī)作為主控芯片，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的相位來達(dá)到控制 晶閘管 輸出 電流大小 的目的。晶閘管的移相觸發(fā)方式具有調(diào)節(jié)周期短，調(diào)節(jié)分辨率高的特點(diǎn)。 晶閘管型號(hào)的選擇 根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)得到工業(yè)電磁制動(dòng)器的阻抗約為 ，其供電電源采用 220V 交流電，因此器件大約要經(jīng)受住 40A 電流。為了減小晶閘管產(chǎn)生的電流諧波問題，決定采用雙向晶閘管，根據(jù)仔細(xì)分析比較決定采用BTA40600B， 其中 BT 的含義是雙向可控硅系列， A 的含義是絕緣， 40 的含義是可流過的最大電流為 40A， 600 的 含義是耐受電壓為 600V， B 的含義是觸發(fā)電流 50mA， BTA40 適用于通用交流電源，可以很好的對(duì)抗沖擊電流， 器件溫度范圍為 40~+150℃ ，封裝類型為 TOP3，可以加裝散熱片。 晶閘管 觸發(fā) 方案的選擇 晶閘管作為一種可靠的控制器件，廣泛地被用作各種控制系統(tǒng)的執(zhí)行器件。晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件，具有弱電控制，強(qiáng)電輸出的特點(diǎn)，只需要很小的功率，就可以控制較大的電流。 晶閘管的 觸發(fā) 方案 通常有兩種，一種是 經(jīng)脈沖變壓器 觸發(fā)，一種是用光耦合器隔離觸發(fā)。 1 使用光 耦隔離器的觸發(fā)方案 在要求觸發(fā)脈沖較寬的晶閘管控制系統(tǒng)中，常用光耦合器組成晶閘管觸發(fā)電路。常用的觸發(fā)器件有 MOC304 MOC3061 等，但是 MOC3061自帶過零檢測(cè)電路，不能實(shí)現(xiàn)移相控制， 所以 不能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器的精確控制。 因此決定采用 MOC3041 作為觸發(fā)器件。 MOC3041 是雙向晶閘管輸出型的光耦合器，輸出端的額定電壓為 400V，最大輸出電流為 1A，最大隔離電壓 7500V，輸入端控制電流小于 15mA。 MOC3041 作用是隔離單片機(jī)系統(tǒng)和觸發(fā)外部的雙向晶閘管。 當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由于電壓上升率 dtdv 較大，有可能超出 MOC3041 允許的范圍。在阻斷的狀態(tài)下，晶閘管的 PN 結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電容，如果突然收到正向電壓，充電電流 流過門極第 2 章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 7 PN 結(jié)時(shí)，起到了觸發(fā)電流的作用。當(dāng)電壓上升率 dtdv 較大時(shí)，就會(huì)造成MOC3041 的輸出晶閘管誤導(dǎo)通。因此，在 MOC3041 的輸出回路中加入電阻和電容組成的 RC 回路，降低電壓上升率 dtdv ， 使 dtdv 在允許的范圍內(nèi)。按照 MOC3041 的技術(shù)指標(biāo)，允許最大電壓上升率 dtdv =10V/us。結(jié)溫上升時(shí) ， dtdv 下降，在極端的工作條件下， dtdv =。在實(shí)際應(yīng)用中 ，太大的電壓上升率，對(duì)于雙向晶閘管是不允許的，所以在控制功率較大的使用場(chǎng)合，雙向晶閘管需要加電阻電容串聯(lián)的 RC 回路。 2 使用脈沖變壓器的觸發(fā)方案 脈沖變壓器觸發(fā)方式可以減少晶閘管門極的功耗以及觸發(fā)信號(hào)放大電路的功耗。脈沖變壓器用于隔離主回路與觸發(fā)電路， 并把觸發(fā)脈沖加到晶閘管的門極上。使用 脈沖變壓器，可以把脈沖電壓升高或降低，改變脈沖的極性以及使阻抗匹配。脈沖變壓器在結(jié)構(gòu)上與普通變壓器相似，但其工作情況卻有很大區(qū)別。普通變壓器一次側(cè)加的是正弦電壓，而脈沖變壓器一次側(cè)加的是周期脈沖電壓。因而它們的電磁過程各有特點(diǎn)，計(jì)算方法也不相同。 脈沖變壓器在傳送脈沖信號(hào)時(shí)，脈沖波形不應(yīng)發(fā)生畸變，因此對(duì)于傳送一定寬度矩形脈沖的脈沖變壓器，在矩形脈沖電壓作用期間，鐵心不能飽和。這也是確定脈沖變壓器鐵心截面積的基本條件。脈沖變壓器工作時(shí)，加在脈沖變壓器上 的電壓 為單向脈沖電壓。 由于鐵磁材料具有磁滯和剩磁特性，在單向脈沖電壓 作用下，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度 cB 是在剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 rB 和未飽和時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 mB 之間變化。鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量為 cB? = mB rB 因此 脈沖變壓器工作期間，其鐵心中磁 感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍較窄，鐵心利用率不高。 觸發(fā)脈沖的寬度 由單片機(jī)設(shè)定。為了保證觸發(fā)晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖具有一定 寬度。一般晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為 6us，故觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)有 6us 以上，一般取 2050us。對(duì)于感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖寬度還應(yīng)加大，否則在脈沖終止時(shí)，主回路電流還未上升到晶閘管的維持電流以上，則晶閘管又重新關(guān)斷，故脈沖寬度不應(yīng)小于 100us，一般用 1ms。 由于脈沖變壓器的體積較大，價(jià)格較貴，控制復(fù)雜，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度考慮決定采用光耦器件 MOC3041 作為晶閘管的觸發(fā)元件。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 電力公害的 產(chǎn)生 原因 及其抑制方法 電力公害的產(chǎn)生原因及其分類 電力電子裝置如整流器、逆變器和斬波器等對(duì)于電網(wǎng)來說屬于非線性負(fù)載，它產(chǎn)生的有害高次諧波電流 “注入 ”電網(wǎng)，造成電網(wǎng) 的 嚴(yán)重污染。在高頻開關(guān)器件大量應(yīng)用電力電子裝置中，由于高電壓和大電流脈沖的前后沿很陡峭，會(huì)產(chǎn)生頻段很寬的電磁干擾信號(hào)，這些電磁信號(hào)是嚴(yán)重的電磁干擾源，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和其他設(shè)備構(gòu)成相當(dāng)大的危害。整流器等電力電子裝置往往使網(wǎng)側(cè)電流滯后于網(wǎng)側(cè)電壓，造成電力電子裝置功率因數(shù)降低，使電網(wǎng)無功功率增加，給電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān)，并影響供電質(zhì) 量。 電力 公害的分類： 1 諧波公害：會(huì)使電網(wǎng)供電電壓波形畸變，供電質(zhì)量降低，產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)過電壓和過電流，使供用電系統(tǒng)的能量損耗增加，供用電設(shè)備的壽命縮短。 2 電磁干擾公害：高頻開關(guān)變換器工作時(shí)，內(nèi)部的高電壓或大電流波形以極短的時(shí)間上升或下降，這些具有陡變沿的脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)。這些電磁干擾信號(hào)一方面會(huì)污染電網(wǎng)，通過電網(wǎng)干擾其他用電設(shè)備；另一方面通過傳輸線的傳導(dǎo)或經(jīng)過空間進(jìn)行輻射而對(duì)電子設(shè)備的正常工作造成威脅。 3 功率因數(shù)公害： 按照定義，功率因數(shù)是變流裝置電網(wǎng)側(cè)有功功率與視在功率之比。電網(wǎng)接變流裝置之后 ，功率因數(shù)必然降低，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸入電流有效值增大，使得熔斷器、斷路器及傳輸線的規(guī)格及電源濾波器的容量增大。在三相四線制整流電源中不但使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，而且由于它的三次諧波電流在零線中相位相同，這些諧波電流合成后使零線電流增大，有時(shí)可能超過各相相電流。因?yàn)榘窗踩珮?biāo)準(zhǔn)規(guī)定，零線不能裝設(shè)保護(hù)裝置，所以可能使零線因過熱而損壞。 諧波的產(chǎn)生 機(jī)理 在電力電子變換電路中存在著周期性非正弦電流，它使得供電系統(tǒng)中不僅有基波電流，而且還有大量諧波電流，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，采用晶閘管作為控制電流的器件其產(chǎn)生的主要電力公 害就是諧波公害。其諧波產(chǎn)生第 2 章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 9 原因與帶電感性負(fù)載的單相橋式整流電路相似。當(dāng)觸發(fā)角為 α 時(shí)，變壓器次級(jí)電壓和電流波形如圖 21 所示，對(duì)次級(jí)電流波形 2i 進(jìn)行傅里葉分解，得 2 4 1 1(si n s i n 3 s i n 5 ... )35di I t t t? ? ??? ? ? ? (21) 基波電流有效值為： 21 224 2d dIII???? (22) 所以： 21222 ??? ? ? (23) 式中 ： 21I / 2I 為電流基波有效值同變壓器次級(jí)電流有效值之比，它表示了電流波形含高次諧波的程度，稱為畸變因數(shù)，用 ? 表示。 ?u 2 t?i 2 i21I dO 圖 21 整流變壓器次級(jí)電壓和電流波形 諧波的抑制對(duì)策 1 LC 無源濾波器 利用 LC 電路串聯(lián)諧振特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。在諧振頻率上電路的阻抗最小，而非諧振頻率上，阻抗增大。將諧振點(diǎn)調(diào)整至某特征諧波頻率，即可濾去某一高次諧波。 LC 無源濾波器如圖 22 所示，圖中包含有 5 次諧波濾波器， 7 次諧波濾波器， 11 次諧波濾波器。在工業(yè)電磁制動(dòng)器運(yùn)行的電網(wǎng)中加入 LC 無源濾波器能有效的抑制諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危 害。 L r5 次諧波濾波器 7 次諧波濾波器 11 次諧波濾波器 圖 22 LC 無源濾波器 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 2 靜止無功補(bǔ)償器 在網(wǎng)側(cè)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置 (Static Var Compensator， SVC)用于 補(bǔ)償諧波造成 的無功功率，以提高功率因數(shù)。 合理設(shè)置無功補(bǔ)償裝置中 的 電感 L 和電容 C，使其能在某次頻率產(chǎn)生諧振，從而濾除該頻率的諧波。 L電力電子設(shè)備或其他諧波源