【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過(guò)的材料。均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬(wàn)字。有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行溫度控制。屬熱處理的加熱爐需要消耗大量的電能，而且溫度控制是純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)。求，顯而易見(jiàn)常規(guī)控制難以滿足這些工藝要求。輸出電壓平穩(wěn)，無(wú)電壓沖擊，能夠限制瞬時(shí)電流，適合各種類型的負(fù)載。

　　

【正文】 易與微處理器接口 , 進(jìn)行各種自動(dòng)控制設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本特性 MOC3061 系列采用雙列直插 6引腳封裝形式 ,如圖 。器件由輸入、輸出兩部分組成。 2 腳為輸入端 ,輸入級(jí)是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管 (LED),該二極管在 5～15mA 正向電流作用下 ,發(fā)出足夠 的紅外光 ,觸發(fā)輸出部分。 5 腳為空腳 , 6 腳為輸出端 , 輸出級(jí)為具有過(guò)零檢測(cè)的光控雙向可控硅。當(dāng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時(shí) ,光控雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。該器件的極限參數(shù)如表 , 電氣特性如表 。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 31 頁(yè) 共 56 頁(yè) 圖 MOC3061引腳排列及內(nèi)部電路 表 MOC3061極限參數(shù) ( = 25℃ ) 參 數(shù) 數(shù) 值 單 位 紅外發(fā)射二極管 反響電 壓 6 V 正向連續(xù)電流 60 mA 總功耗 120 mW 輸出驅(qū)動(dòng) 截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的端電壓 600 V 峰值重復(fù)浪涌電流 1 A 總功耗 150 mW 整個(gè)器件 絕緣電壓 7500 Vac 總功耗 250 mW 結(jié)溫范圍 40～ +100 ℃ 工作環(huán)境溫度范圍 40～ +85 ℃ 貯存溫度 40～ +150 ℃ 焊接溫度 260 ℃ 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 32 頁(yè) 共 56 頁(yè) 表 電學(xué)特性 電學(xué)特性 最小值 典型值 最大值 單位 輸入 LED 反向漏電流（≥6V） 100 uA 正向電壓 （ =30mA） V 輸出檢測(cè) 峰值阻塞電流兩個(gè)方向 60 500 nA 靜態(tài)電壓變化率 600 1500 V uS 耦合 LED觸發(fā)電流 mA MOC3061 15 mA MOC3062 10 mA MOC3063 5 mA 保持電流紅外發(fā)射二極管 100 uA 抑制電壓 5 20 V 峰值阻塞電流兩個(gè)方向 500 uA 絕緣電壓 7500 Vac 典型應(yīng)用電路 MOC3061在熱 線開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用電路如圖 ，在可控硅驅(qū)動(dòng)中的實(shí)際電路如圖。圖中 R1為限流電阻，使輸入的 LED電流分別為 15mA(MOC3061 )、 10mA(MOC3062 )、5mA (MOC3063)即可。 R1可按式（ ）計(jì)算 : ? ? FTFCC IVVR ??1 （ ） 式中 : FV — 為紅外發(fā)光二極管的正向電壓 ,可取 ～ ； FTI — 為紅外發(fā)光二極管觸發(fā)電流 ,可按表 2選擇 , 若工作溫度在 25 ℃以下， FTI 應(yīng)適當(dāng)增加。 R2 是雙向可控硅的門(mén)極電阻 ,當(dāng)可控硅靈敏度較高時(shí) , 門(mén)極阻抗也很高 , 并上 R2可提高抗干擾能力。 R3是觸發(fā)功率雙向可控硅的限流電阻 ,其值由交流電網(wǎng)電壓峰值及觸發(fā)器輸出端允 許重復(fù)沖擊 電流峰值決定 ,可按式（ ）選取 : TSMP IVR ?2 （ ） 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 33 頁(yè) 共 56 頁(yè) 式中 : PV — 為交流電路中的峰值電壓； TSMI — 為峰值重復(fù)浪涌電流 (一般可取 1A)。另外 39Ω電阻和 收電路 ,防止浪涌電壓損壞雙向可控硅。建議用該電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)反并聯(lián) (背對(duì)背 )的可控硅開(kāi)關(guān) (元件 ) ,圖中穩(wěn)壓管可選用 1N4001 ,電阻 R2和 R3可選擇 300Ω。 圖 熱線開(kāi)關(guān)應(yīng)用電路 圖 可控硅驅(qū)動(dòng)電路 在本設(shè)計(jì)中用 MOC3061觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管的電路如圖 。導(dǎo)通比信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)DIP5接到 T1管的基極。當(dāng)導(dǎo)通比信號(hào)為高電平時(shí) T1管導(dǎo)通從而使 MOC3061的輸入端導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)出紅外光。輸出部分受到紅外光照射，同時(shí)輸出端電壓接近零時(shí)才導(dǎo)通。實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管的觸發(fā) [19]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 34 頁(yè) 共 56 頁(yè) 圖 基于 MOC3061的晶閘管觸發(fā)電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 35 頁(yè) 共 56 頁(yè) 4 控溫系統(tǒng)的整體分析 調(diào)功器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的手動(dòng)和自動(dòng)控制。電阻爐、熱電偶、溫控調(diào)節(jié)儀表、控制電路和主電路組成了閉環(huán)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。 控溫電路的分析 （ 1）手動(dòng)溫控調(diào)節(jié)模式： 0～ 10V 的控制信號(hào)從外接電位器 R中點(diǎn)經(jīng)端子 JP25（ +） /JP23（ GND）接入控制電路。調(diào)節(jié)電位器即可改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)控制主電路輸出正弦波周波數(shù)的多少，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載或電加熱功率的目的。 （ 2）自動(dòng)溫控調(diào)節(jié)模式： 調(diào)功器的控制電 路與溫控調(diào)節(jié)儀表及相應(yīng)的溫度檢測(cè)傳感器可以組成自動(dòng)控溫系統(tǒng)。 1） 0～ 10V/0～ 5V 模擬量調(diào)節(jié)自動(dòng)控溫系統(tǒng) 溫控調(diào)節(jié)儀表輸出的 0～ 10V 模擬量控制信號(hào)從控制電路端子 JP24（ +） /JP23（ GND）接入。 0～ 5V 模擬量控制信號(hào)從控制電路端子 JP34（ +） /JP35（ GND）接入。溫控儀表輸出的模擬量調(diào)節(jié)電壓大小，即可改變調(diào)功器輸出的正弦周波的數(shù)量，通過(guò)改變負(fù)載功率達(dá)到自動(dòng)控溫的目的。 2） 0～ 10V/0～ 5V 開(kāi)關(guān)量交流開(kāi)關(guān)系統(tǒng) 調(diào)節(jié)儀表輸出的 0～ 10V 開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)從控制電路端子 JP24（ +） /JP23（ GND）接入。 0～ 5V 開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)從控制電路端子 JP34（ +） /JP35（ GND）接入。當(dāng)調(diào)節(jié)儀表輸出的開(kāi)關(guān)量為低電平 (0V)時(shí)，可控硅處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)調(diào)節(jié)儀表輸出的開(kāi)關(guān)量為高電平 (10V 或 5V)時(shí)，可控硅處于全導(dǎo)通狀態(tài)。 3） 4～ 20mA 模擬量調(diào)節(jié)自動(dòng)控溫系統(tǒng) 溫控調(diào)節(jié)儀表輸出的 4～ 20mA 模擬量控制信號(hào)從控制電路端子 JP32（ +） /JP31（ GND）接入。經(jīng)內(nèi)部變換后輸出后，從端子 JP33 輸出 0～ 10V 的控制信號(hào)；此信號(hào)又從端子 JP24接回控制電路內(nèi)，溫控 儀表輸出的模擬量調(diào)節(jié)電流的大小即可改變調(diào)功器輸出正弦周波的數(shù)量，達(dá)到改變負(fù)載功率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫的目的。 (3) DIP 開(kāi)關(guān)控制功能 DIP1：當(dāng)開(kāi)關(guān)置 on 位， 0～ 10V 自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入端 JP24 接入輸入電路；當(dāng)開(kāi)關(guān)置 off 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 36 頁(yè) 共 56 頁(yè) 位， JP24 與輸入回路斷開(kāi)。 DIP2：當(dāng)開(kāi)關(guān)置 on 位， 0～ 10V 手動(dòng)調(diào)節(jié)輸入端 JP25 接入輸入電路；當(dāng)開(kāi)關(guān)置 off 位， JP25 與輸入回路斷開(kāi)。 DIP3：當(dāng)開(kāi)關(guān)置 on 位， 0～ 10V 輸入信號(hào)接入導(dǎo)通比調(diào)節(jié)電路；當(dāng)開(kāi)關(guān)置 off 位，0～ 10V輸入信號(hào)與導(dǎo)通比調(diào)節(jié)電 路斷開(kāi)。 DIP4：當(dāng)開(kāi)關(guān)置 on 位， 0～ 5V 輸入信號(hào)接入導(dǎo)通比調(diào)節(jié)電路；當(dāng)開(kāi)關(guān)置 off 位， 0～5V輸入信號(hào)與導(dǎo)通比調(diào)節(jié)電路斷開(kāi)。 DIP5：當(dāng)開(kāi)關(guān)置 on 位，導(dǎo)通比信號(hào)控制輸出回路導(dǎo)通比；當(dāng)開(kāi)關(guān)置 off 位，導(dǎo)通比信號(hào)禁止輸出。 （ 4）過(guò)流保護(hù)與外脈沖封鎖： 電流互感器取樣的電信號(hào)經(jīng)整流后，與 WR7的過(guò)流設(shè)定值比較后輸出高電平， SCR2 導(dǎo)通，將六路觸發(fā)脈沖輸出封鎖，過(guò)流指示燈 DF5 亮。 外加 +5V 的直流脈沖電壓于 JP2 JP23(GND)端子即可直接封鎖 6路觸發(fā)脈沖輸出。 功率調(diào) 節(jié)與控溫精度 調(diào)功器的輸出功率與導(dǎo)通比 0K 關(guān)系為 ? ?kV APKPfTnP NN 002 ?? （ ） 式中： NP — 調(diào)功器額定輸出容量 (晶閘管連續(xù)導(dǎo)通時(shí)獲得的全功率 )； n — 定運(yùn)行周期 0T 內(nèi)的導(dǎo)通周波數(shù)； f — 源頻率 Hz。 在設(shè)定運(yùn)行周期后，調(diào)功器輸出功率與 n 成線性關(guān)系。設(shè)計(jì)良好的調(diào)功器，其 PID輸出電流 kI 與周波數(shù)成線性關(guān)系，則可以得到，輸出功率 2P 與控制電流 kI 成線性關(guān)系。調(diào)功器用于阻性負(fù)載，以半周波為控制單位。設(shè)運(yùn)行周期 0T 為 1s(遠(yuǎn)小于電爐的熱時(shí)間常數(shù) )。當(dāng)工頻電源供電時(shí)，調(diào)功器的最“細(xì)”輸出功率 ? ?k V APPPNN 1001501 ???。 晶閘管調(diào)功器能線性平滑地調(diào)節(jié)功率、快速響應(yīng)的優(yōu)良調(diào)功性能是傳統(tǒng)的控溫 方法 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 37 頁(yè) 共 56 頁(yè) 難以做到的。 調(diào)功器、溫度傳感器和電爐構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制對(duì)象是溫度。當(dāng)電爐溫度大大低于設(shè)定值時(shí)， PID輸出信號(hào)大。在本設(shè)計(jì)中由于溫控調(diào)節(jié)儀表輸出的是 0～ 10V的控制信號(hào)，而鋸齒波發(fā)生電路輸出的鋸齒波幅值為 10V，當(dāng)溫差很大時(shí)溫控調(diào)節(jié)儀表輸出的 PID控制信號(hào)為 10V。此時(shí)，控制信號(hào)與鋸齒波信號(hào)沒(méi)有交點(diǎn)，導(dǎo)通比信號(hào)是幅值為10V的高電平。 10?K ，調(diào)功器連續(xù)全輸出。隨著溫度上升， PID進(jìn)入比例帶工作，輸出直流控制信號(hào)按 PID規(guī)律變化， 0K 逐漸減少，調(diào)功器向電爐供給功率相應(yīng)減少。溫度向設(shè)定值逼近時(shí)， PID維持一定的輸出信號(hào)，使調(diào)功器輸出一定的微小功率，保持熱元件的發(fā)熱和爐體散熱的平衡，溫度幾乎保持不變。當(dāng)設(shè)定溫度為 1000℃時(shí)誤差約為 1～ 5℃。調(diào)功器溫控系統(tǒng)充分利用了電爐的熱慣性，連續(xù)的 P1D調(diào)節(jié)使深度超調(diào)量相當(dāng)小。相反，在傳統(tǒng)的位式控制中，即使有時(shí)間比例調(diào)節(jié)，也會(huì)因電爐熱慣性的影響，使溫度超調(diào)和欠調(diào)很大。而晶閘管調(diào)壓器在晶閘管深調(diào)時(shí)，其諧波危害又相 當(dāng)嚴(yán)重。 由上分析可見(jiàn)，一個(gè)高精度的調(diào)功器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要注意： ? 調(diào)功器與 PID的匹配； ? PID調(diào)節(jié)器不靈敏區(qū)要小， P、 I、 D值合理選?。? ? 電爐溫度均勻，且熱擾動(dòng)小。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 38 頁(yè) 共 56 頁(yè) 5 交流調(diào)功電路的諧波分析與抑制 采用交流調(diào)功電路可以對(duì)功率進(jìn)行無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)，能提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，同時(shí)還有溫度控制精度高，熱量浪費(fèi)小，延長(zhǎng)加熱元件壽命的特點(diǎn) [20]。交流調(diào)功電路的工作周期為交流電網(wǎng)周期的整數(shù)倍，在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通整數(shù)個(gè)周波，這對(duì)電網(wǎng)來(lái)講是非線性負(fù)載，存在諧波污染。由于交流調(diào)功電路工作頻率低于電網(wǎng)頻率，因 此諧波次數(shù)為分?jǐn)?shù)次，不能用電源頻率作為基頻來(lái)進(jìn)行 Fourier分析。下面針對(duì)單相交流調(diào)功電路的工作過(guò)程，運(yùn)用 Fourie方法，推導(dǎo)諧波分析的統(tǒng)一公式，分析交流調(diào)功電路的諧波特性，最后提出了抑制諧波的方法。這些方法也適用于三相交流調(diào)功電路。 單相交流調(diào)功電路工作原理 單相交流調(diào)功電路如圖 ，其中 us為交流電源電壓， uT為反并聯(lián)晶閘管兩端電壓， R 為負(fù)載電阻， u 為負(fù)載電壓， i 為負(fù)載電流，各變量正方向如圖 。單相交流調(diào)功電路在整數(shù)倍交流電源周期內(nèi)，使反并聯(lián)的晶閘管在電源電壓過(guò)零時(shí)刻導(dǎo)通整數(shù)個(gè)電源周期。此時(shí)，電源頻率 f 不能作為 Fourier分析的基頻，最低頻率是分?jǐn)?shù)次諧波頻率。 假設(shè)交流調(diào)功電路工作周期為 M個(gè)電源周期，則 fMT? ，此時(shí)的基頻為 Mf (Hz)，晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電流 i 就可表示為 us uT i u R 圖 單相交流調(diào)功電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 39 頁(yè) 共 56 頁(yè) ? ?tMIi ?sinmax? () 式中： maxI — 為電流瞬時(shí)最大值； T?? 2?為最低角頻率。 在工作周期內(nèi)，以 N個(gè)導(dǎo)通 交流電源周期的中點(diǎn)為零點(diǎn)，左右對(duì)稱選取 fM2 構(gòu)成完整的工作周期。如：當(dāng) f =50Hz， M=5， N=3時(shí)，負(fù)載電流參考坐標(biāo)系如圖 ，此時(shí)負(fù)載電流 i 可以表示為 ? ?? ?? ? ? ?? ?? ??????????????????fMtfNfNtfNtMIfNtfMti N22022s i n1220m a x ? （ ） 當(dāng)自變量為 t? 時(shí)，式（ 52）可化為 ? ?? ?? ? ? ?? ?? ???????????????????????????tMNMNtMNtMIMNtti N0s i n10m a x