单片机控制的三相全控桥触发系统设计.docx
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单片机控制的三相全控桥触发系统设计
目 录
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ引言………………………………………………………………………………………11．1 研究背景和意义………………………………………………………………1
1．1．1 晶闸管的发展现状…………………………………………………1
1．1．2 电力电子技术的前景………………………………………………2
1．1．3 晶闸管的应用……………………………………………………………2
第二章 三相可控整流电路晶闸管的介绍……………………………………………5
2．1 三相桥式整流电路晶闸管的特征……………………………………………5
2．1．1 晶闸管的开关特点………………………………………………………5
2．1．2 晶闸管的几种导通方式………………………………………………6
2．1．3 晶闸管的基本特性…………………………………………………6
2．1．4 晶闸管的触发……………………………………………………………6
第三章 三相桥式全控整流电路……………………………………………………7
3．1 三相桥式全控整流电路电阻性负载………………………………………7
3．2 三相桥式全控整流电路电感性负载………………………………………12
第四章 AT89C52芯片介绍…………………………………………………………16
4．1 AT89C52主要性能参数………………………………………………………16
4．2 AT89C52引脚及内部器件功能说明…………………………………………17
第五章 控制系统原理………………………………………………………………45
5．1 系统结构框图………………………………………………………………45
5．2 触发器硬件组成………………………………………………………………45
5．3 移相触发脉冲的控制原理……………………………………………………47
第六章 系统硬件电路器件选择……………………………………………………50
6．1 晶闸管的参数及其选择……………………………………………………50
6．1．1 晶闸管及平波电抗器…………………………………………………50
6．1．2 晶闸管的保护…………………………………………………………51
6．2 具体器件的计算与选择……………………………………………………52
结论…………………………………………………………………………………65
致谢…………………………………………………………………………………66
参考文献……………………………………………………………………………67
摘要
本文主要介绍基于MCS—51系列单片机AT89C51芯片控制的三相桥式全控整流电路的主电路和触发电路的原理及控制电路，软件部分由C51高级语言编程。
具体运行由工频三相电压经变压器后在芯片控制下在不同的时刻发出不同的脉冲信号去控制相应的SCR可控硅整流为直流电给负载供电。
此种控制方式其主要优点是输出波形稳定和可靠性高抗干扰强的特点。
触发电路结构简单，控制灵活，温度影响小，控制精度可通过软件补偿，移相范围可任意调节等特点，目前已获得工业界的广泛认可。
并将在许多的工业控制中得到很好的应用。
关键词：
晶闸管MC-51单片机触发角同步信号
第一章 引言
1.1 研究背景和意义
基于AT89C51单片机的三相整流触发控制系统。
是应用于电力领域的电子技术，即使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
•1．2晶闸管的发展现状
晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在：
1904年出现了电子管（Valve），能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。
后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。
在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。
它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。
各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论己经发展成熟并广为应用。
在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。
交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机一直流发电机组，即变流机组。
和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今。
1947年美国贝尔实验室发明晶体管（Transistor），引发了电子技术的一场革命；晶闸管（1957年）SCR（SiliconControlledRectifier）可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用。
•1．3电力电子技术的前景
电力电子器件发展的目标是：
大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。
新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术；通过谐振电路使得器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）的状态下进行开关。
电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。
•1．4晶闸管的应用
一般工业：
直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置；近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。
几百W到数千KW的变频调速装置，软起动装置等；电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。
冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合，需要大容量整流电源。
电镀装置也需要整流电源。
交通运输：
电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。
直流斩波器也广泛用于铁道车辆。
在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。
除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。
一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。
以前的电梯大都采用直流调速系统，近年来交流变频调速成为主流。
电力系统：
电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。
最终用户在使用电能时常常需要进行预处理。
如降压、滤波、无功补偿等；据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60％以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。
电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。
毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置近年发展起来的柔性交流输电可以大幅度提高电网输电能力和稳定性；手段：
快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高。
如有源滤波器（APF Active PowerFilter）一可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。
不间断电源（UPS）和各种开关电源：
这一类的应用最为普遍各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。
通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在己改为采用全控型器件的高频开关电源。
大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。
在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在己逐渐取代了线性电源。
家用电器：
照明在家用电器中有卜分突出的地位。
由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。
电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。
此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。
新能源的开发和利用：
传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。
能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。
其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。
太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。
当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。
其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。
超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。
科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。
第二章三相可控整流电路晶闸管的介绍
•2．1 三相桥式整流电路晶闸管的特征
•2．1．1 晶闸管的开关特点：
（1） 当SCR的阳极和阴极电压UAK﹤0，即EA下正上负，无论门极G加什么电，SCR始终处于关断状态。
（图2—1）
（2）当UAK﹥0时，只有EGK﹥0,SCR才能导通。
说明SCR具有正向阻断能力。
（3）SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，一均保持导通状态。
SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定。
（4）当UAK﹤0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。
其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。
如果继续降低I，则SCR同样会关断。
该小电流称为SCR的维持电流。
综上所述：
SCR导通条件:
UAK﹥0同时UGK﹥0，由导通→关断的条件：
使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
（一般通过减小EA，直至EA﹤0来实现。
）
•2．1．2 晶闸管的几种导通方式：
（1）正常触发导通：
UAK﹥0，同时UGK﹥0。
（2）阳极电压作用：
当UAK上升至某个大数值，使V2的漏电流由于雪崩效应而加大，同时由于正反馈而使漏电流放大，最终使SCR饱和导通。
（3）dU／dt作用：
如果UAK以高速率上升，则在中间结电容上产生的电流可以引起导通。
（4）温度作用：
温度上升，V1，V2的漏电流加大，引起导通。
（5）光触发：
当强光直接照射在硅片上，产生电子空穴对，在电场的作用，产生触发SCR的电流。
目前，有一些场合使用这种方式来触发SCR，高压直流输电（HVDC）。
这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良
好的绝缘。
这种SCR又称为光控晶闸管。
•2．1．3 晶闸管的基本特性：
（1）承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
（2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。
（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
（4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以。
从这个角度可以看出，晶闸管是一种电流控制型的电力电子器件。
•2．1．4 晶闸管的触发：
（1）作用：
产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻
断转为导通。
（2）广义上讲，晶闸管触发电路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。
（3）晶闸管触发电路应满足下列要求：
•触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通门极电流应大于擎住电流；
•触发脉冲应有足够的幅度；
•不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内；
•应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
第三章 三相桥式全控整流电路
3．1 三相桥式全控整流电路电阻性负载
（图3—1三相桥式全控整流电路原理图）
三相全桥的特点：
•负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时使用三相整流电路。
•应用最为广泛。
•共阴极组—阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）。
•共阳极组—阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）。
•注意编号顺序：
1、3、5和4、6、2，一般不特别说明，均采用这样的编号顺序。
•由于零线平均电流为零，所以可以不用零线。
对于每相二次电源来说，每个工作周期中，即有电流，也有负电流，所以不存在直流磁化问题，提高了绕组利用率。
•1三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=0°时的情况
图3—2三相桥式全控整流电路（带电阻负载ａ=0°时的波形）
1）带电阻负载时的工作情况
（1）ａ=0°时的情况
•对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。
•对于共极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通。
•任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个SCR处于导通状态。
其余的均处于关断状态。
•触发角ａ的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。
•从线电压波形看，Ud为线电压中最大的一个，因此Ud波形为线电压的包络线。
2）
表3—3三相桥式全控整流电路电阻负载ａ=0°时晶闸管工作情况
时段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
共阴极组中导通的晶闸管
VT1
VT1
VT3
VT3
VT5
VT5
共阳极组中导通的晶闸管
VT6
VT2
VT2
VT4
VT4
VT6
整流输出电压Ud
Ua–Ub
=Uab
Ua–Uc
=Uac
Ub–Uc
=Ubc
Ub–Ua
=Uba
Uc–Ub
=Uca
Uc–Ub
=Ucb
（2）三相桥式全控整流电路的特点：
（三相全控桥）
▼两个同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个导通，且不能为同相的两个否则没有输出。
▼对触发脉冲的要求：
●按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60°。
●共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。
●同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。
▼Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，所以三相全桥电路称为6脉波整流电路。
▼需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲（采用两种方法：
一种是宽脉冲
触发（大于60°）。
▼另一种是双脉冲触发（常用）：
在Ud的6个时间段，均给应该导通的SCR提供触发脉冲，而不管其原来是否导通。
所以每隔60°就需要提供两个触发脉冲。
▼实际提供脉冲的顺序为：
VT1，VT2—VT2，VT3—VT3，VT4—VT4，VT5—VT5，VT6—VT6，VT1—VT1，VT2，不断重复。
▼晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电
压的关系也相同为：
UFM=URM=2.45U2
•2 三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=30°时的情况
图3—4 三相桥式全控整流电路（带电阻负载ａ=30°时的波形）
晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成的每一段线电压因此推迟30°。
●从Ut1开始把一周期等分为6段，Ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表3-3的规律。
●变压器二次侧电流iu波形的特点：
在VT1处于通态的120°期间，iu为正，iu波形的形状与同时段的Ud波形相同，在VT4处于通态的120°期间，iu波形的形状也与同时段的Ud波形相同，但为负值。
•3三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=60°时工作情况
Ud波形中每段线电压的波形继续后移，平均值继续降低。
ａ=60°时Ud
出现为零的点。
（因为在该点处，线电压为零）
•4三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ﹥60°时工作情况
当ａ﹥60°时，如ａ=90°时电阻负载情况下的工作波形如图3—5所示：
图3—5三相桥式全控整流电路带电阻负载ａ=90°时的波形
小结
●当ａ≦60°时，Ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与Ud波形一样，也连续；
●当ａ﹥60°时，Ud波形每60°中有一段为零，Ud波形不能出现负值；
●带电阻负载时三相桥式全控整流电路ａ角的移相范围是120°。
3．2 三相桥式全控整流电路电感性负载
•1 三相桥式全控整流电路电感性负载时的工作情况：
当ａ≦60°时：
Ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样；
区别在于：
由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流波形不同。
电感性负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。
图3—6三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=0°时的波形
图3—7三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=30°时的波形
图3—8三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=60°时的波形
图3—9三相桥式全控整流电路带电感性负载ａ=90°时的波形
（1）当ａ﹥60°时：
电感性负载时的工作情况与电阻负载时不同，Ud时波形不会出现负的部分，而电感性负载时，由于电感L的作用，Ud波形会出现负的部分；带电感性负载时，三相桥式全控整流电路的角ａ移相范围为90°。
因为在ａ=90°时，Ud波形上下对称，平均值为零。
（2）基本参数关系
●当整流输出电压连续时（即带电感性负载或带电阻负载ａ≦60°时）的平均值为：
Ud= U2Sinωtd（ωt）=2.34U2cosα
●带电阻负载且ａ﹥60°时，整流电压平均值为：
Ud= U2Sinωtd（ωt）=2.34U2[1＋cos（＋α）]
●输出电流平均值为：
Id=
•2 三相桥式全控整流的电流有效值
当三相整流变压器供电，变压器次级接为星形，初级接三角形以减少三次谐
波的影响，带电感性负载时，变压器二次侧电流波形，为正负半周各宽120°
前沿相差180°的矩形波，其有效值为：
I2=Id=0.816Id
晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
三相桥式全控整流电路接反电势电感性负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电动势电感性负载时的Id为：
Id=、
小结：
变压器二次侧每相有两个匝数相同、极性相反（同名端相反）的绕组。
分别构成a、b、c和-a、-b、-c两组。
电路中设置了平衡电抗器来保证两组三相半波电路能同时导电，每相的触发脉冲，从第一个正自然换相点开始计算起，分别为1、3、5和2、4、6。
这样，在不同的时刻导通的SCR分别为6，1、1，2、2，3、3，4、4，5、5，6、6，1………。
实际上，通过每个时刻的等效电路，发现和分析变压器漏感作用时的电路十分类似，输出电压Ud的瞬时电压为导通两相电压瞬时值的平均值。
第四章 AT89C51芯片介绍
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL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和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机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。
外形及引脚排列如图所示
•4．1 AT89C51主要性能参数:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
功能特性概述：
AT89C51提供以下标准功能：
8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级终端结构，一个全双工串行通信口，片内振荡及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电模式。
空闲方式停止CPU的工作，但是允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
•4．2 AT89C51引脚及内部器件功能说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输
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