毕业设计80交流电力控制调节器设计Word下载.docx

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3.6脉冲驱动电路12

3.7晶闸管控制电路13

3.8移相控制电路14

3．9电源电路设计15

3.10特殊元器件介绍17

3.10.1集成触发电路TCA78517

3.10.2六路双脉冲形成器KC4119

3.10.3温度传感器MAX661120

4.系统调试22

5．系统功能和指标参数24

5．1系统功能24

5.2指标参数24

6.设计总结25

6.1设计小结25

6.2设计的收获体会25

致谢26

【参考文献】27

附录：

交流调压器电路总图28

1.前言

60年代以前，作为交流功率（或电压）控制器（或调节器）的，主要有接触器、接触调压器、感应调压器、移圈式调压器和饱和电抗器等设备。

它们的共同特点是采用以电磁原理为基础的铁心与线圈结构。

然而，晶闸管的出现，使60年代的交流控制器增添了崭新的品种——晶闸管交流电力控制调节器。

晶闸管交流电力控制调节器在自动控制系统中的作用，实际上相当于一个在信息处理控制中心与交流负载之间的接口，在系统中起到了承上启下、强弱电交接转换的作用。

不难想象在这种先进的自动控制系统中，如果换用接触调压器、感应调压器或移圈调压器，由于这些产品的电磁及机械结构的灵敏度差、惯性大，必然会使整个系统的控制质量大为逊色。

然而晶闸管交流电力控制调节器却为自动控制系统提供了高精度及高动态指标的可能。

所谓的晶闸管交流电力控制调节器就是通过对晶闸管的控制，可把固定的交流电压转换成可调的交流电压。

根据对晶闸管的不同触发控制，可分为以下三种情况：

1）移相触发控制。

在电源电压的每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压器。

2）过零触发控制。

这种电路是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，这种电路称为交流调功器。

有全周波连续式和全周波间隔式两种型式。

3）通—断控制。

把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用，这就是交流电力电子开关。

交流电力控制调节器广泛应用于电炉的温度控制、舞台灯光的调节、中小功率异步电动机小范围调速以及电解电镀中整流变压器的一次绕组电压控制等。

作为交流电力电子开关，它可以控制交流电机间隙运行，也可控制电机正反转。

由于它属于无触点开关，所以没有火花及拉弧现象。

2．系统总体方案设计

2.1方案比较

方案一、采用交流调功电路来实现电炉的温度控制。

如果在单相或三相电路中将一对反并联晶闸管或一只双向晶闸管串接在电源与负载之间，并在设定运行周期内改变触发晶闸管的过零脉冲数目，就可以控制晶闸管的导通周波数（导通比），借以平滑地调节输出功率P2的大小。

P2与导通比Ka的函数关系为：

；

式中，=设定运行周期（s）；

f=电源频率（Hz）；

n=设定运行周期内的导通周波数；

=额定输出容量；

m=相数；

=每相额定负载电压（V）；

=每相额定负载电流（V）；

=，导通比。

图2.1为半周波控制的交流调功器用于温度控制的原理方框图。

图中，点画线部分为调功器。

快速熔断器FU、反并联晶闸管VT、电流互感器TA等组成调功器主电路。

零脉冲电路

（1）、导通比电路

（2）、过流截止电路（3）、“与”门电路（4）和脉冲变压器（5）组成晶闸管控制电路。

电炉负载RL，温度传感器BST及PID调节器通过外控开关S与调功器组成闭环控制，可自动调节电路温度。

　　“与”门电路（4）接受三个信号。

首先是电路

（1）发出的与电源电压波形过零点同步的触发脉冲，即“零脉冲”信号；

其次是电路

（2）周期性输出的高电平连续可调的导通比（占空比）信号；

第三是过电流截止信号。

只要主电路没有出现过电流，电路（3）就输出高电平，“与”门电路与脉冲变压器均输出与电源电压过零点同步的、数目连续可调的触发脉冲，使VT相应导通。

所以，调功器输出功率可在零与全功率（导通比为1，既连续导通时的输出功率）输出之间平滑可调。

如果主电流发生过流，过流截止电路（3）从电流互感器测知过流信号并立即动作，输出低电平信号，使双向晶闸管截止。

快速熔断器RD对主电路实行短路保护，发生过流时，过流截止能在RD动作之前截止电流，增加了一次保护。

图2．１　方案一原理方框图

方案二、采用交流调压器实现电炉的温度控制。

它采用集成电路TCA785来触发晶闸管的导通。

图中，虚线框内为交流调压器，快速熔断器和双向晶闸管构成调压器主路，有源滤波器、同步整形电路、脉冲调制电路、TCA785、六脉冲形成电路、脉冲驱动电路构成晶闸管控制电路。

电炉负载RL，温度传感器及PID控制器通过外控开关S与调压器组成闭环控制，可自动调节电路温度。

有源滤波器只允许50Hz左右的频率通过，而将其它频率成分滤掉，这样可以保证三相同步，而且还有效抑制了电网干扰因素的影响。

整形电路的作用是把正弦波同步电压与零电平比较变为同周期的方波信号，经此处理使触发器的工作与同步电压的幅值和正弦波的波形失真与否没有多大关系。

图2.2方案二原理方框图

方案三、采用MOC3061过零触发晶闸管构成炉温控制系统。

MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件,它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。

用该器件触发晶闸管,具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。

图2.3是电路原理图。

该电路由锯齿波发生器，电压控制占空比调节电路和光电隔离过零触发电路组成。

图中恒流充电电容器C4及单结晶体管VT11组成锯齿波发生器，以单运放IC4作比较器，将来自手动设定器或控温仪表的0-8V（可由0-10mA转换而来）控制信号与锯齿波电压比较。

当控制电压高于锯齿波电压时，IC4输出为低电平，驱动MOC3061（三相触发时为3个输入端串联）的输入LED工作。

三相电压按A、B、C相序，则线UAB、UBC、UCA、每隔60°

顺序过零。

当LED电流作用时，在三相中线电压先过零的任意两相将同时触发导通（如UAB先过零，则A、B相先触发导通）。

第三相（C相）将在与其相序最近的A相电压等于其相电压（UCA=0）时导通。

这就保证了无论负载是星形接法还是三角形接法，都是零电流出发导通。

当LED电流为零时，三相中的任意之间的电流降到保持电流以下时，这两相将截止，剩下的一相也将在同一时刻截止。

另外39Ω电阻和0.01μF电容组成浪涌吸收电路,防止浪涌电压损坏双向可控硅。

图2.3方案三原理方框图

方案四、采用全数字移相触发电路构成交流调压器。

整个电路按功能可分为A／D转换模块、移相模块、脉冲产生模块、缺相保护模块、时钟模块、脉冲放大和隔离模块等六个模块组成。

其电路原理框图如图2.4所示。

该电路在工作时，首先使正弦交流电压经过过零比较器以产生工频方波A并进入移相模块，同时将外部控制电压经过A／D转换的数字量也送人移相模块，然后由移相电路根据A／D转换的结果和相对于工频方波的正负半周移动相应的角度后产生一窄脉冲PA（PAl、PA2）；

再在PA的上升沿来触发脉冲产生电路以在相同的位置产生要求的脉宽的脉冲GA（GA1、GA2）；

此脉冲经过时钟电路调制后产生要求的输出脉冲（OA1，OA2）。

另外，缺相保护电路可对三相电源的相序和缺相进行检测，当缺相或相序混乱时，保护模块将输出控制信号，禁止输出并给出相应的指示。

移相角度由外界控制电压VCON控制；

采样脉冲Sample-pulse可由施密特电路产生，通过调整电阻和电容值可获得任意的采样频率。

图2.4方案四原理方框图

2.2方案论证

晶闸管交流调功器不能平滑调节电压，不能用普通电压表，电流表测量，在晶闸管断续通断时，电源变压器和负载受到电流通——断冲击，且负载电流中存在次谐波（频率低于基波的谐波）分量，所以调功器的应用范围受到一定的限制。

　　但晶闸管交流调功器，以改变周期内周波数连续控温，精度高，温度波动小，是一种新型的控温方式；

其采取正弦波过零触发方式；

输出为完整的正弦波，因而其辐射干扰、传导干扰和负载电流的瞬态浪涌也最小；

其运行时无噪音，寿命长，效率比电磁装置高（达99%），功率因数也较高,有利于节约电能。

而晶闸管交流调压器正好与之相反，两者各有优缺点。

目前国内较多采用TCA785组成的模拟式触发电路和单片机组成的数字式触发电路。

数字式触发电路触发效果好，但触发板本身适应电网电压波动能力较差，时常烧毁，且造价较高；

模拟式触发电路容易受电网中各种因素影响，触发效果差一些，脉冲放大器易发热，触发功率低，影响了模拟式触发板的应用。

2.3方案选择

综上所述,晶闸管交流调压器能够平滑地调节电压,而调功器能够连续地调节输出功率,在控温系统中比调压器控温精度高,但在调功器的两个方案中,一个设计起来比较复杂,一个设计较简单,在方案框图中已给出具体电路,因此,本设计决定采用调压器;

至于数字式触发电路,虽然触发效果好，但触发板本身适应电网电压波动能力较差，时常烧毁，且造价较高,尽管模拟式触发电路也有缺点,但只要经过改进就可得到改善,因而本设计采用模拟式触发晶闸管交流调压器.

3.单元模块电路设计

3.1有源带通滤波器的设计

当负载电流大于l0A或电网电压波形畸变时，从示波器观察到三相交流输入ABC三相电压和经过降压限幅后进入TCA785的输出电压UTA、出现了不同步，造成触发后的直流输出波形出现了缺相或波头波尾参差不齐，且各相交替出现波形长短不齐，输出电压不稳，交流纹波增大，并影响到整流变压器，使整流变压器噪音增大，不能达到直流电源对稳压精度的要求。

采用有源带通滤波器就可很好的解决这个问题。

该电路工作原理是：

交流电压经降压电阻降压后输入有源带通滤波器的输入端，通过公式计算选择好各元件参数，就可只允许50Hz左右的工频信号通过，其它频率的信号则迅速衰减，有效地抑制了电网中各种谐波对触发板的干扰，使输入信号ABC三相电压与输出信号同步。

图3.1有源带通滤波器

3.2同步信号整形电路

从同步变压器过来的信号都是正弦信号，由于ＴＣＡ７８５是利用检测过零点的原理来实现同步的，因此，如果正弦波的幅值过小，那么，就不能提供清晰的过零点，同时，电磁干扰也可能导致过零点检测错误，但是，正弦波的幅值过大又会超过芯片的同步电压输入范围，所以应当将同步信号整形成方波，具体的整形电路如图７所示。

图3.2中运算放大器（LM324）用作比较器，其作用是把正弦波同步电压与零电平比较变为同周期的方波信号，当同相输入端电压大于反相输入端电压时,运放输出和电源正电压相同的高电平,当同相输入端电压小于反相输入端电压时,运放输出和电源负电压相同的低电平,经此处理使触发器的工作与同步电压的幅值和正弦波的波形失真与否没有多大关系。

图3.2同步信号整形电路

3.3脉冲形成电路

图3.3中专用集成电路TCA785担当触发脉冲的形成环节，它的脚13接高电平则输出为窄脉冲，脉冲的宽度由脚12所接的电容Cp决定，脚11为移相电压输入端，脚5为同步电压输入端，脚15与脚14分别为对应同步电压负正半周的触发脉冲输出端，在TCA785的内部集成了给脚10外接的电容充电的恒流源，该恒流源输出电流的大小由其引脚9对接地端（引脚1）所接电阻的大小唯一决定，图3.3中引脚9通过电阻接地，因而采用的是内部恒流源,恒流源的输出电流给电容CT充电形成锯齿波，该锯齿波与脚11输入的移相控制电压进行比较，从而形成移相触发脉冲。