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]。

2. 键盘与开关电路
表2 键盘电路按钮的名称和功能接口
使信号输入口可靠置位
图 5 键盘、开关电路
第五节脉冲输出电路
由图 6所示，触发脉冲通过 P1.2－P1.6输出，经光电隔离送至功放电路输出到晶闸管的基极。

为保证可靠地触发导通晶闸管或解决晶闸管串并联对触发脉冲上升率的要求，功放电路可设计成强触发脉冲电路。

另外，当晶闸管主电路出现各类故障时，应立即封锁触发脉冲的输出[6]。

图6 脉冲输出电路
第六节显示电路
图 7 显示电路
第七节故障及过流检测
当晶闸管主电路出现各类故障时，过电流及故障信号从串行口输入，单片机立即封锁触发脉冲的输出。

单片机接到故障信号过程序中，BXD中断响应，封锁触发脉冲，同时发出故障信号。

考虑到变流器在不同工作状态会有图 5脉冲输出电路不同的要求，电路不采用故障信号和脉冲信号与非门电路，而尽量利用软件来实现，在不改动硬件的情况下，只需稍改软件，就能满足要求。

第八节保护电路
1. 晶闸管过电压保护
晶闸管能否正常工作是整个电路的关键，为了保护晶闸管防止晶闸管因过电流或过电压而损坏本装置采用了电容串接电阻（称阻容吸收）防止电路振荡和限制管子开通损耗和电流上升率，阻容吸收电路尽量靠近晶闸管、引线短，保证了电路电气合理性[8]。

交流侧过电压及其保护解决办法是在意想变压器二次侧或三相变压器二次侧星形中点与地之间并联0.5uF左右电容。

过电压保护器件;目前已大量采用压敏电阻等非线性元件
2. 晶闸管过电流保护
在晶闸管桥臂串联一个快速熔断器，其值小于被保护晶闸管的额定有效值1.571I
保护直接效果好。

T(AV) ，
3. 线路故障保护
当晶闸管主电路出现各类故障时应立即封锁触发脉冲，同时发出故障信号。

第三章程序设计
第一节脉冲控制电路及控制角确定
控制器(主CPU)的控制信息是反映晶闸管电路输出电压大小的量。

可以理解成是最大输出电压U～与当前应输出电压U的比值。

由89C2052构成的晶闸管触发电路应首先根据这一信息确定出控制角a，然后转换成 C ／T1定时器的时间常数，确定晶闸管触发脉冲的发出时间。

最常用的8位计算机用于普通的自动控制系统，这个输出量通常是一个字节。

把由P3口读入的这一个字节的信息采用查表的方法转换成a，这样有利于提高系统响应的快速性，同时查表本身就是一种很好的线性化方法。

可以预先将u在整个取值范围分为255等份，并求出每等份中间值对应的a，编制1个 255字节的对应于a的表格存入程序存储器中，单片机在 P3口接收到中断后，用一条MOVC指令即可查出a的值[7]。

第二节脉宽形成
内部定时／计数器C／T0专门用作触发脉冲宽度的定时。

在每 1次 C ／T1定时终了，向P1口发控制字的同时，也启动 C／T0。

C／T0定时终了时触发脉冲结束，向P1口发00H。

C／T0的定时时间即为触发脉冲宽度。

一般双窄脉冲的宽度要求在100到300之间，本电路选取脉宽为300，对于50 Hz的交流电，对应的时间恰为0.1667ms。

第三节相移的实现
P1口的第 2到第6位的输出经功率放大后分别接 2—6号晶闸管的门极，采用双窄脉冲触发，依次向1，6—2，1—3，2—4，3—5，4—6，5号晶闸管输出脉冲。

P1口相应的输出控制字分别为：42H，06H，0CH，18H，30H，60H。

三相桥式全控电路每隔600换相 1次，对50 Hz的交流电该时间间隔为20／6~3．333 rrls。

1个交流电周期中触发电路向品闸管电路发6次脉冲，本电路由C／11的6次定时来完成。

无论控制角为多少，第1次定时都从 a相电压正半周的起点开始，此次定时的时间不超过 600(3．333 rrls)，后面的5次定时时间均为 600。

对不同的控制角α，首次定时的方法也不相同，现说明如下：
（1）、α小于 300。

1，6号晶闸管得到脉冲的时刻距 a相电压正半周起始点为 300+α。

(2)、a在300到600之间。

1，6号晶闸管的触发时刻距a相电压的过零点已超过600，所以应在第2次定时终了时触发 1，6号晶闸管，而在第 1
次定时终了时应向第6，5号晶闸管发脉冲(发控制字60H)。

此时第 1次定时对应的电角度为 300+α－600，第 1次定时时间 T。

为：T。

=20(α／360—1／12)，单位为 ms。

然后经 3．33 ms定时再发送触发的脉冲。

４、晶闸管电路驱动电阻性负载时，控制角有可能大于 900，如果 a在 900到 1500之间，第 1次定时终了向5，4号晶闸管发脉冲(控制字为 30H)，T。

由下式计算：T。

=20(α／360—1／4)，单位为ms。

如果 a在 1500到 1800之间，第 1次定时后触发 4，3号晶闸管，控制字为 18H。

定时时间 T 为：Tl=20(a／360—5／12)，单位为 ms。

图8 六相双窄脉冲
第四节程序流程
基本思想：触发脉冲 (单宽脉冲、双窄脉冲)直接由单片机生成，并且脉冲的宽度可根据用户的需要，方便地调节。

当出现过流。

固本控制程序由主程序、中断服务程序和运算程序组成
图9 程序流程图
1、主程序完成初始化、键盘扫描和开中断功能，其框图如图10所示。

2、中断服务程序。

本触发电路启用了的2051中断源。

外部 INTo和外中断INT1和定时器中断来完成电源同步信号的获取，外部中断实现脉冲移相控制功能。

计时器T。

对电源每个周期单相的过零点进行采样测量，跟
踪电源的变化，根据过零采样到电压与电位器的输出的对比电压进行比较决定脉冲的间距。

程序采用中断延时方式输出控制角，串行口中断完成脉冲的封锁功能。

第四章结论
本电路有以下特点:
1、功能多，通用性强，适用面广。

由于考虑到晶闸管主电路的多种结构型式，以及相应对触发脉冲的不同要求，
2、电路结构简单，性能可靠，体积小。

因同步信号的获取较可靠又方便。

信号的输入输出全部采用光电隔离，增强了抗电磁干扰能力。

3、触发电路输出的脉冲由程序生成，脉冲的对称性好。

并且脉冲的宽度可调，既方便又可保持脉宽相等。

该产品具有较高的实用和推广价值。

第七章附录主CPU控制程序
:
;AX_OUT对应外中断0 0003H
;BX_OUT对应外中断1 0013H
;CX_OUT对应定时器000BH
;P3.0过流检测
;P3.1键盘输入1
;P3.2AX_IN
;P3.3BX_IN
;P3.4CX_IN
;P3.7键盘输入2
;======================
HIDE_R0 EQU 30H
DISP_H EQU 31H
DISP_L EQU 32H
POINT EQU 01H
HIDE_R5 EQU 33H
;=======================
KEY EQU 20H
HAVEKEY EQU 34H
LASTKEY EQU 35H
;+++++++++++++++++++++++
DATE_H EQU 36H
DATE_L EQU 37H
TIME_H EQU 38H
TIME_L EQU 39H
;======程序开始==========
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0003H
AJMP AX_OUT
ORG 0013H
AJMP BX_OUT
ORG 000BH
AJMP CX_OUT
ORG 0100H
START: MOV PSW,#00H ;寄存器0组
MOV SP,#60H
CLR EA
CLR A
MOV PSW,A ;初始化
MOV IE,A
MOV R0,#7FH ;内部RAM清零QINGLING:MOV @R0,A
DEC R0
CJNE R0,#00H,QINGLING ;到此清零完毕;MOV TMOD,#04H ;计数0为计数方式MOV TMOD,#01H
MOV TH0,#00H
MOV TL0,#00H
CLR TR0
LJMP DEL10MS
NOSIGNAL:MOV C,P
JNC NOSIGNAL
MOV TMOD,#10H
SETB TR0
;LCALL START_TIME ;启动定时器NOSIGNAL1: JC NOSIGNAL1
NOSIGNAL2: JNC NOSIGNAL2
;判断为一周期完成计时
CLR TR0
MOV TIME_H,TH0
MOV TIME_L,TL0
MOV TH0,#00H
MOV TL0,#00H
;脉冲长度已经放入TIME_H,和TIME_L中MOV A,TIME_L
MOV B,#06
MUL A,B
MOV TIME_L,A
MOV R7,B
MOV A,TIME_H
MOV B,#06
MUL A,B
ADD A,R7
MOV TIME_H,A
; 键盘扫描程序
;************************* SCANKEY:JB P3.2,ADD_1P
CALL DELAY10MS
JB P3.2,ADD_1P
MOV R0,TIME
DENG1:CALL DISPLAY
JNB P3.2,DENG1
SETB ET0
SETB TR0
ADD_1P:JB P3.3,DEC_1P
CALL DELAY10MS
JB P3.3,DEC_1P
DENG2:CALL DISPLAY
JNB P3.3,DENG2
MOV A,#1
ADD A,R0
MOV R0,A
MOV TIME,A
CJNE A,#255,DEC_1P
MOV R0,#1
MOV TIME,#1
DEC_1P:JB P3.4,STOPKEY
CALL DELAY10MS
JB P3.4,STOPKEY
DENG3:CALL DISPLAY
JNB P3.4,DENG3
DEC R0
MOV A,R0
MOV TIME,A
CJNE A,#0,STOPKEY
MOV R0,#255
MOV TIME,#255
STOPKEY:JB P3.5,STOP_OUT
CALL DELAY10MS
JB P3.5,STOP_OUT
CLR TR0
DENG4:CALL DISPLAY
JNB P3.5,DENG4
MOV R0,TIME
MOV TL0,#0B0H ;50MS定时初值 MOV TH0,#3CH ;50MS定时初值 MOV R4,#14H
STOP_OUT: RET
;=========以下为延时程序============ ;周期20MS以下为输出15度所用的时间DEIAY_15D:PUSH PSW
MOV PSW,#10H
PUSH 14H
PUSH 13H
MOV R4,#04H
DEL_15D:MOV R3,#0D3H
DJNZ R3,$
DJNZ R4,DEL_15D
POP 13H
POP 14H
POP PSW
RET
DEL_30D:LCALL DEIAY_15D
LCALL DEIAY_15D
RET
DEL_60D:LCALL DEL_30D
LCALL DEL_30D
RET
;=================
SETB TR0 ;启动T0
SETB ETO ;允许T0中断
SETB EA ;开放CPU中断
;定时器T0的入口矢量地址000BH ;外中断0地址0003H
;外中断1地址0013H
;计时器T0溢出000BH
;串行口中断0023H
;复位或非屏蔽中断
;============================== ;脉冲输出程序,即中断程序。

AX_OUT: SETB C
OUT_1: CLR P1.4 ;输出第一个脉冲LCALL DEL_30D
SETB P1.4 ;停止输出脉冲
LCALL DEL_30D
CLR P1.4 ;输出第二个脉冲LCALL DEL_30D
SETB P1.4 ;停止输出脉冲
LCALL DEL_30D
LCALL DEL_60D
CPL C
JNC OUT_1
RETI
BX_OUT: SETB B
OUT_2: CLR P1.5 ;输出第一个脉冲LCALL DEL_30D
SETB P1.5 ;停止输出脉冲
LCALL DEL_30D
CLR P1.5 ;输出第二个脉冲LCALL DEL_30D
SETB P1.5 ;停止输出脉冲
LCALL DEL_30D
LCALL DEL_60D
CPL B
JNC OUT_2
RETI
CX_OUT: SETB A
OUT_1: CLR P1.6 ;输出第一个脉冲LCALL DEL_30D
SETB P1.6 ;停止输出脉冲LCALL DEL_30D
CLR P1.6 ;输出第二个脉冲LCALL DEL_30D
SETB P1.6 ;停止输出脉冲LCALL DEL_30D
LCALL DEL_60D
CPL A
JNC OUT_1
RETI
END。