三相调压器

引言

三相电路在工业领域中有广泛使用，但工业需求的电压大多不是直接的380V，经常需要用到变流装置。目前普遍采用的是三相全控桥式晶闸管变流电路。在三相变流控制电路中最主要的是晶闸管的触发电路，晶闸管的模拟触发技术已经很成熟，这类电路具有精度高、抗干扰能力较强、快速、性能显著、成本较低等优点。晶闸管触发器是以晶体管等为主要元件分立式元件所组成的电路，这种电路需使用6个这样功能上基本相同但触发控制相位角不同的电路组成。虽然晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，目前国内常用的有 KJ系列和 KC系列，但由这种集成电路组成的触发器仍需用几个集成块共同组成三相全控桥式电路中6个晶闸管的脉冲触发电路。三相全控制桥式变流电路的触发控制系统，不仅制作工艺繁杂，电路调试复杂，而且体积大，某些技术性能不是很好。个别有采用单片大规模高性能晶闸管三相触发器集成电路。但模拟触发器存在电路较复杂脉冲对称度差、调试困难、元器件受温度等环境因素影响较大而稳定性较差的缺点。

本三相调压器采用 AT89C2051单片机，利用三个过零检测变压器，防止误触发，借助巧妙的软件设计便实现了模拟触发器的所有功能，组成了以晶闸管触发的全数字智能化三相调压器。它仅用一片单片机就具有相序自适应，电压控制直观化、初始电压自动设置等功能。而且可根据晶闸管触发器在三相半控、半波电路和三相全控桥、三相交流调压电路等电路的需要选择触发脉冲为单列宽脉冲和双窄脉冲，并可以利用电位器和键盘联合使用来控制输出的电压，实时显示当前电压。

采用以单片机为核心控制的晶闸管脉冲触发器电路简单，操作方便，整个控制面板集成度高，面积比以往的控制电路缩减了许多。目前采用以单片机为核心控制晶闸管触发器的三相调压器的生产厂还很少，还处于研发阶段，因此具有较广阔的应用前景。

第一章AT89C2051性能参数简介

AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS－51 指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机可为您提供许多高生价比的应用场合[1]。

AT89C2051主要性能参数:

⑴与MCS-51产品指令系统完全兼容;

⑵2k字节可重擦写闪速存储器;

⑶1000次擦写周期;

⑷2.7－6v的工作电压范围;

⑸全静态操作：0Hz-24MHz;

⑹两级加密程序存储器;

⑺128×8字节内部RAM;

⑻15个可编程I/O口线;

⑼两个16位定时／计数器;

⑽6个中断源;

⑾可编程串行UART通道;

⑿可直接驱动LED的输出端口;

图1 AT89C2051管脚

⒀内置一个模拟比较器;

⒁低功耗空闲和掉电模式;

第二章硬件电路设计

该三相调压器由 AT89C2051单片机控制的晶闸管触发电路、相位电压采集电路、键盘控制电路、电压显示电路、同步电压取样电路、移相控制电路、脉冲选择电路、脉冲输出电路等组成，通过软件编程，实现触发电路的多功能触发。AT89C2051是一种带 2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低电压、高性能 CMOS8位微控制器．器件采用 ATML高密度，非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS－51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪速存器组合在单个芯片上中，ATMEL的 AT89C2051是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案．本装置所用单片机的定时／计数器，采用6M晶振定时器方式工作．P1口用作输出电压显示和输出脉冲，P3口用作键盘的输入其中外中断和定时器中断作为过零点的检测，串行口作为故障检测与过电流检测的输入。

第一节主原理电路

三相电路的组成如图２所示。由于晶闸管在一个电压周期的导通时间长短决定了负载的输出有效电压的大小，所以通过单片机对晶闸管的导通角的直接控制来间接改变输出的电压值。而且KP型晶闸管的门极触发电

流为3－400mA且门极相对的触发电压U

GT 5V实现了低电压对高电压的控制[2]。

图２ 基本原理电路

第二节 同步过零电路 同步信号的取样有多种方式，常用的方法是通过三相同步变压器获取 ，这种方法存在同步变压器接法复杂 ，相序及同名端难以确定，调试麻烦，体积大的缺点。本电路同步信号由整流变压器次级直接取出。同步信号取自变压器相电压Uac ，而不是线电压。这样即使在、电网电压不平衡的情况下，相电压的过零点总是不变的，从而避免了同步信号移位现象。另外，对相电压Ua 设置了有电阻电容组成的限流移相网络，可消除电网波动的干扰，并使相位后移 300，使其与线电压Uac 的相位相同［1］。如图1所示。限流移相阻容网络中电阻的选择应尽可能减少功耗 ，以提高线路板的可靠性。两个电阻分别为R 1=20K ，R 2=5K ，则移相电容可由下式求

出[3]：

阻容移相角 =02130R arctg ）＝＋（R

把 R 1=20K ，R 2=5K ，f=50Hz 代人上式得 C 1＝0.459uF ，为保证晶闸管电路

的正常工作 ，一般晶闸管变流器对触发移相角α有最小要求 ，所以C 取 0.47uF 。为保证可靠性和稳定性，移相阻容元件均要选用精度高、温度稳定性好的元件。

图3阻容移相电路

第三节移相控制电路

由图4所示，U

M 信号经移相后，得到 U

M

*信号，一方面送给比较器IC

2

，

比较器输出过零信号，经光耦隔离，送到单片机的，单片机中断响应；另

一方面送到三角波形成电路，产生一个同相的三角波电压U

N

，该电压和控

制移相电压U

K

经比较器IC比较输出一个移相脉冲，经光耦隔离，送图 2 电路结构图到单片机的，单片机中断响应，执行脉冲生成程序。

根据上面分析，可得触发电路的移相控制特性，通过调整R3限幅值，可方便的调整控制角的大小[4]。

图4移相控制电路

第四节键盘控制电路

1. 脉冲选择电路

为实现本触发电路多功能，满足三相半控桥电路、三相全控桥电路和三相交流调压电路对触发脉冲的需要，本电路采用了一个拨码开关。可以通过选择开关状态，来实现三种触发形式的转化。拨码开关的不同组合，分别代表不同的晶闸管主电路结构型式对单片微机输出相应要求的触发脉冲。如表1所示[5]。

拨码开关状态00 01

晶闸管结构三相半控三相全控

输出脉冲单宽脉冲双窄脉冲

对象键位名称选择脉冲长度接口

拨码开关（0）三相半控选择脉冲为双窄波脉冲间距120度P3.1 拨码开关（1）三相全桥选择脉冲为双窄波脉冲间距60度

2. 键盘与开关电路

表2 键盘电路按钮的名称和功能接口