【文章內(nèi)容簡介】 .25 0.5 1 2 電阻 /Ω 100 80 40 20 10 5 2 抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 mU 的 ～ 倍。得 C=， R=100Ω，選 R 為 的 CZJD2 型金屬化紙介質(zhì)電容器。 PR=fCUm2 106=50 106 ( 2 120)2106= 106W，選 R 為 20Ω普通金屬膜電阻器， 。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 14 電流保護 快速熔斷器的斷流時間短，保護性能較好，是目前應用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。電壓上升率 dtdu/ ：正相電壓上升率 dtdu/ 較大時，會使晶閘管誤導通。因此作用于晶閘管的正相電壓上升率應有一定的限制。造成電壓上升率 dtdu/ 過大的原因一般有兩點：由電網(wǎng)侵入的過電壓；由于晶閘管換相時相當于線電壓短路，換相結(jié)束后線電壓有升高，每一次換相都可能造成 dtdu/ 過大。限制 dtdu/ 過大可在電源輸入端串聯(lián)電感和在晶閘管每個橋臂上串聯(lián)電感，利用電感的濾波特性，使 dtdu/ 降低。電流上升率 dtdi/ ：導通時電流上升率太大，則可能引起門極附近過熱，造成晶閘管損壞。因此對晶閘管的電流上升率dtdi/ 必須有所限制。產(chǎn)生 dtdi/ 過大的原因，一般有：晶閘管導通時，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過晶閘管向直流側(cè)保護電容充電；直流側(cè)負載突然短路等等。限制 dtdi/ ，除在阻 容保護中選擇合適的電阻外，也可采用與限制dtdu/ 相同的措施，即在每個橋臂上串聯(lián)一個電感。限制 dtdu/ 和dtdi/ 的電感，可采用空心電抗器，要求 L≥（ 20～ 30）μ H；也可采用鐵心電抗器， L 值可偏大些。在容量較小系統(tǒng)中，也可把接晶閘管的導線繞上一定圈數(shù)，或在導線上套上一個或幾個磁環(huán)來代替橋臂電抗器。所以為了防止 dtdi/ 和 dtdu/ ，每個橋臂上串聯(lián)一個 30μH的電感。 平波電抗器的計算 為了使直流負載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中西南科技大學本科生畢業(yè)論文 15 串入帶有氣隙的鐵心電抗器 dL ，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算。 1）算出電流連續(xù)的臨界電感量 1L 可用下式計算，單位 mH。 2）限制輸出電流脈動的電感量 2L 由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常負載需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量 會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。 3）電動機電感量 DL 和變壓器漏電感量 TL 電動機電感量 DL （單位為 mH）可按下式計算 4）實際串入電抗器的電感量 如上述條件均需滿足時，應取 1dL 和 2dL 中較大者作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取 2dL =6 mH 作為平波電抗器的電感值。 可逆系統(tǒng)中限制環(huán)流電抗器（又稱均衡電抗器），電感量 TL （單位為 mH）的計算公式為：一般說來，均衡電抗器 raL 和平波電抗器 DL分設(shè)的方案比較經(jīng)濟，故采用較為普遍。 勵磁電路元件的選擇 整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取 700V。額定電流可查得 K=， ID(AV)=(~2)K Ii .5~2)**= 可選用 ZP 型 3A、 700V 的二極管。 RPL 為與電動機配套的磁場變阻器，用來調(diào)節(jié)勵磁電流。 為實現(xiàn)弱磁保護，在磁場回路中串入了欠電流繼電器 KA ，動西南科技大學本科生畢業(yè)論文 16 作電流通過 RPI 調(diào)整。根據(jù)額定勵磁電流 Iex =，可選用吸引線圈電流為 的 JL1411ZQ 直流欠電流繼電器。 主電路及保護電路原理圖 圖 31 主電路及保護電路原理圖 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 17 第 4 章 控制電路與單片機系統(tǒng)設(shè)計 晶閘管觸發(fā)控制電路設(shè)計 晶閘管觸發(fā)方法 晶閘管三相全控橋式整流電路簡圖如圖 41 所示。 圖 41 三相全控橋式整流電路 圖 42 三相電壓曲線 三相全控橋式整流電路共有六個晶閘管，它們分為共陰極和共陽極兩組。在觸發(fā)時，采用雙脈沖觸發(fā)方式，每次兩組各有一個晶閘管導通。六個晶閘管的導通順序為 SCR SCR SCR SCR SCRSCR6，如圖 42 所示。相電壓曲線的交點 t1～ t6,就是晶閘管 SCR1～SCR6 的控制角起點。取線電壓 Uac 從負半波的過零點 G（ t1）作為同步基準點，則應觸發(fā)導通的第一對晶閘管為 SCR1 、 SCR6。 單片機在觸發(fā)晶閘管時 ,根據(jù)電流控制器的輸出控制值 uk，以同步基 準點位參考點，算出晶閘管控制角α的大小，再通過定時器按控制角的大小以及觸發(fā)順序，準確地向各個晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖。 在控制觸發(fā)時，有兩種觸發(fā)方法：絕對觸發(fā)方法和相對觸發(fā)方西南科技大學本科生畢業(yè)論文 18 法。所謂絕對觸發(fā)方法就是指觸發(fā)脈沖形成的時刻都直接取決于基準時刻點。對三相全控橋式整流電路，在交流電的一個周期內(nèi)需要6個（或者 3 個）基準點。相對觸發(fā)方式是以前一觸發(fā)脈沖為基準來確定后一觸發(fā)脈沖時刻，它用加長或縮短相鄰兩次觸發(fā)脈沖之間的間距來改變控制角，在穩(wěn)態(tài)時，這個間距等于 600，控制角α改變時，該間距應相應改變。但由于電網(wǎng)頻率的波動以及計算 機定時器的誤差，會使控制角偏離要求值。因此，在相對觸發(fā)方式時，應在一個周期內(nèi)用同步脈沖信號進行一次校正，以避免誤差的積累。 對于單相電路，均使用絕對觸發(fā)方式。在三相全控橋式整流電路中，一般則常使用相對觸發(fā)方式。 綜上本次設(shè)計使用相對觸發(fā)的觸發(fā)控制方法。 控制算法 設(shè)相鄰控硅之間觸發(fā)脈沖間距角為Δ。在穩(wěn)定情況下，Δ =600。當α由α k1 變?yōu)棣?k 時，應有：Δ =α kα k1+600 在控制時，一般均使用單片機的定時器來完成觸發(fā)脈沖輸出。這樣，須把角度轉(zhuǎn)換成時間值。交流電的一個周期（對頻率為 50Hz為 20ms）對應于 3600，故 600 對應于 10/3 ms。 為了避免觸發(fā)錯誤，必須加入同步校正。每隔 3600 來一個同步脈沖（取自線電壓 uac 的過零點），以此為基準點，校正觸發(fā)第一對晶閘管 的控制角。這可采用在每個周期用定時器計數(shù)同步脈沖發(fā)生時刻與實際同步脈沖發(fā)生時刻之差 Te，然后在計算第一對晶閘管的控制時刻時，按以下公式進行計算： 控制角的計算 對于數(shù)字調(diào)節(jié)器，要求對象為線性系統(tǒng)。如果控制角α與控制輸出 uk 為線性關(guān)系，則輸出電壓 ud 與控制輸出 Uk 之間為非線性關(guān)系（余弦關(guān)系），這是我們所 不希望的。如要求觸發(fā)整流環(huán)節(jié)為一個西南科技大學本科生畢業(yè)論文 19 放大系數(shù)為 Ks 的線性環(huán)節(jié)。 脈沖分配表 在觸發(fā)六個晶閘管時，要按照圖 43 的順序，依次發(fā)出控制信號。為了方便起見，可建立一個脈沖分配表，如表 41，它放于程序存儲器中。每當觸發(fā)時間到，按指針從表中取出一個數(shù)據(jù)從單片機的 I/O 口輸出，經(jīng)光電隔離去觸發(fā)晶閘管。 表 41 脈沖分配表（ 0 有效） 單元地址 數(shù)據(jù)（由 I/O 口輸出） 被觸發(fā)晶閘管 M M+1 M+2 M+3 M+4 M+5 X X 0 1 1 1 1 0 X X 1 1 1 1 0 0 X X 1 1 1 0 0 1 X X 1 1 0 0 1 1 X X 1 0 0 1 1 1 X X 0 0 1 1 1 1 SCR6,1 SCR1,2 SCR2,3 SCR3,4 SCR4,5 SCR5,6 單片機系統(tǒng)設(shè)計 雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)得采樣周期比較快，計算和控制任務也比較繁忙，因此需要使用高性能的單片機。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 20 對于用于軋機傳動等要求響應快、精度高的調(diào)速系統(tǒng)，一般需要使用 16位的單片機，如 Inter的 MCS96或者 Motorola 的 M68HC16等。它們能在幾微秒內(nèi)完成 16 位加法和乘法，并且有 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 16 位高性能多功能定時器系統(tǒng)，可完成調(diào)速系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、控制輸出等功能。 對于快速性和控制精度要求較低的調(diào)速系統(tǒng)，可選用高性能 8位單片機，如 Inter 的 MCS51 或者 Motorola 的 M68HC0 M68HC11，其中后者有 16 位運算功能，并有片內(nèi) 8 位高速 A/D 和 16 位多功能定時器系統(tǒng)，還有 Watchdog 等各種其他外用功能，非常適合于調(diào)速控制系統(tǒng)。 綜上，本系統(tǒng)采用 Inter 的 MCS51 中的 80C31 單片機。 80C31 單片機簡介 80C31 單片機屬于基本型的 51 系列單片機，它采用 HMOS 工藝，片內(nèi)集成有 8 位 CPU；片內(nèi)駐留 128 字節(jié)的 RAM 以及 21 個特殊功能寄存器；片內(nèi)還包括兩個 16 位定時器 /計數(shù)器、一個全雙工串行 I/O口（ UART）、 32 條 I/O 線、 5 個中斷源和兩級中斷，尋址能力達 128K字節(jié)（其中程序存儲器 ROM 和數(shù)據(jù)存儲器 RAM 各 64K 字節(jié)）。指令系統(tǒng)中設(shè)置了乘、除運算指令、數(shù)據(jù)查找指令和位處理指令等。主時鐘頻率為 12MHz，大部分指令周期只需 1μ s，乘除指令也僅需 4μ s。 單片機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 80C31 外接 27128EPROM 作為 16K 程序存儲器，存放全部控制軟件。用兩片 74LS374 和四個 PNP 中功率三極管以動態(tài)掃描方式驅(qū)動四位 LED 數(shù)字，以顯示轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度、電流等數(shù)據(jù)，兩片 74LS374采用線選法與 80C31 接口，地址分別為 0DFFFH 和 0BFFFH。在 80C31的 P3 口上外接三個按鍵，一個為啟動 /停止鍵，用于啟動或停止電機運轉(zhuǎn)；另兩個為顯示選擇鍵，一個用于控制顯示速度設(shè)定值，另西南科技大學本科生畢業(yè)論文 21 一個用于控制顯示電流值，不按這兩個鍵時，顯示實際電機轉(zhuǎn)速。另外利用一片 74LS374 的多余輸出線，外接兩個 LED 發(fā)光管，一 個用于顯示工作正常與否，它每隔 1 秒 閃亮一次；另一個用于顯示是否處于運行狀態(tài)。使用 80C31 的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路圖見附頁 1 所示。 電流測量和速度給定值輸入 本系統(tǒng)使用 ADC0808 8 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，它的地址為 7FFFH。寫入該地址，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器，通道地址由 A A A0 決定。 A/D轉(zhuǎn)換完成，產(chǎn)生 EOC 脈沖和 1INT 中斷。這時， MCU 可讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于需要較高精度的調(diào)速控制系統(tǒng)，可采用 10 位或者更高分辨率的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。但這時，一方面成本將較高，另一方面計算將大大復雜，因為必須采用 16 位計算，所以在選型時應該多方面考慮。 速度測量 速度檢測有模擬和數(shù)字兩種檢測方法。模擬測速一般采用測速發(fā)電機，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。不過模擬測速方法的精度不夠高，在低速時更為嚴重。對于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測速，即數(shù)字測速。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的檢測元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當電動機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器在碼盤上 分層刻上表示角度的二進制數(shù)碼或循環(huán)碼，通過接受器將該數(shù)碼送入計算機。絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角，若需得到轉(zhuǎn)速信號，必須對轉(zhuǎn)角進行微分處理。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，如圖西南科技大學本科生畢業(yè)論文 22 43 所示，當電動機旋轉(zhuǎn)時，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動。通過光柵的作用，持續(xù)不斷地開發(fā)或封閉光通路