电气专科毕业论文

XX大学

毕业设计

基于单片机的晶闸管功率控制器 题 目______________________________

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毕业设计（论文）任务书

摘要

设计了一款基于LPC2124单片机控制的单相晶闸管功率控制器。LPC2124采集同步信号，依靠软件定时，进而输出延时角的脉冲信号，经放大后，送入晶闸管控制极，从而控制导通角。

关键词：LPC2124；晶闸管；功率控制器

目录

引言 ...............................................................................................................1

1 调压调功原理简介 ...............................................................................1

2系统电路组成 ........................................................................................2

3 触发器硬件组成 ...................................................................................2

4软件的实现............................................................................................4

5 保护电路的设计 ...................................................................................5

6 protues仿真 ........................................................................................6

结论 ...............................................................................................................7

致谢 ...............................................................................................................8

参考文献........................................................................................................8

引言

交流-交流变流电路，即把一种形式的交流变成另一种形式的交流电路。在进行交流-交流变流时，可以改变相关的电压（电流）、频率和相数等。交流-交流变流电路可以分为直接方式（无中间直流环节方式）和间接方式（有中间直流环节方式）两种。而间接方式可以看做交流-直流变换电路和直流-交流变换电路的组合，故交-交变流主要指直接方式。其中，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。采用相位控制的交流电力控制电路，即交流调压电路；采用通断控制的交流电力控制电路，即交流调功电路和交流无触点开关。

交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动也用于异步电动机调速。在电力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。在这些电源中如果采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，十分不合理。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压、电流值都比较适中，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。其分为单相和三相交流调压电路，前者是后者基础，这里只讨论单相问题。

交流调功电路常用于电炉的温度控制，其直接调节对象是电路的平均输出功率。像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压电源都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。

晶闸管也叫可控硅整流器．是目前工业应用中最为广泛的大功率变换器件。晶闸管在烧结炉、电弧炉等整流场合主要采用移相触发控制，即通过调节晶闸管导通时刻的相位实现控制输出。传统的晶闸管触发器采用模拟控制电路，无法克服其固有缺点。数字式控制电路与模拟式相比，主要优点是输出波形稳定和可靠性高，但其缺点是电路比较复杂，移相触发角较大时控制精度不高。随着单片机技术的发展，由单片机组成的控制电路的优势越明显，除具有与数字式触发电路相同的优点外，更因其移相触发角通过软件计算完成，触发电路结构简单，控制灵活，温漂影响小，控制精度可通过软件补偿，移相范围可任意调节等特点，目前已获得业界的广泛认可。本文介绍应用单片机组成晶闸管功率控制器硬件电路的设计，以及软件实现移相触发脉冲控制的方法。 1 调压调功原理简介

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。

在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电路。

交流调功电路和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。

交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角α对输出电压波形进行控制，而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。

2系统电路组成

整套系统的硬件电路主要由主回路和微处理器控制电路组成。其中主回路包括同步信号产生电路和触发脉冲信号驱动电路。

本装置所用LPC2124单片机的定时／计数器，同步信号产生电路用以将从电网获得的220 V交流电压转换成同步脉冲，LPC2124用作接收同步信号和α角，并将α角转换为脉冲延时，从而控制晶闸管的门级，控制输出电流的大小；驱动电路用来将从单片机出来的脉冲信号进行功率放大；晶闸管整流电路实现对输出电流大小的控制。

单片机控制的晶闸管触发器主要由同步信号检测、CPU硬件电路、复位电路和触发脉冲驱动电路4部分组成，如图l所示。CPU通过检测电路获知触发信号，依据所要控制的电路要求，通过编程实现预定的程序流程，在相应时间段内通过单片机I/O端输出触发脉冲信号，复位电路可保证系统安全可靠的运行。

图1 系统组成电路

3 触发器硬件组成

单片机控制的移相触发脉冲控制硬件电路图如下。单片机选用LPC2124，共有64个引脚。同步信号的输入经电阻R1，R1起到限流和保护的作用，正弦同步信号经VD1和VD2两个限制比较器输入电压的箝位二极管削波后，送入比较器LM339的输入端，LM339输出为180°与电源相位相同的方波。同步检测信号发生正跳变时，经反相以中

断方式向单片机的INT0提供同步指令，以边沿触发中断，从表面上看好像是外部中断信号输入。使用该比较电路，无论输入的同步电压信号高还是低，LM339的输出信号都能较准确的反映同步输入信号的过零点，R2和C3对输出信号进行滤波，以避免输出信号出现波动。由于采用单片机进行延迟处理其触发角，其触发延迟角范围为0°～180°，控制精度非常高，虽然控制精度受到内部运算位数的限制，但足以满足一般控制要求。

图2同步信号电路

LPC2124的P0．3端口用于输出整流电路的触发脉冲信号，脉冲信号经74LS04反相放大，推动功率放大器TD62004，该器件的输出连接到脉冲变压器的初级绕组。

图3触发脉冲电路

LPC2124的模拟量输入端口可以为以后添加从整流端采集真有效值电压负反馈信号经A／D转换后进行数字PI调节，构成电压负反馈闭环控制，以保证整流输出端电压稳定。

4软件的实现

主程序中包括了系统初始化子程序，控制角的输入及计算，同步输入信号的检测，脉冲信号的输出，系统启动、复位或停机的控制。

主程序流程图如图

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图4主程序流程图

5 保护电路的设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。

1) 过电压的产生及过电压保护：

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：操作过电压、雷击过电压；内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：换相过电压、关断过电压。

过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到—定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。保护电路形式很多。

这里主要考虑晶闸管在实际应用中一般会承受的过电压，故可用阻容保护电路来实现保护。当电路中出现电压尖峰时，电容两端电压不能突发的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。阻容保护电路如图5所示。

图5 阻容保护电路

2) 过电流的产生及过电流保护：

图6 过电流各种保护措施及配置位置

引起过流的原因：当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。常见的过电流保护电路有如下一些形式。

变换器的过流一般主要

分为两类：过载过流和短路过流。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流。因而被广泛使用。

6 protues仿真

用protues进行原理性仿真,电路效果直观，重复性和再现性好，简单方便。 现用protues仿真单相交流调压电路。交流电源、两个晶闸管反向并联、阻性负载即构成了主电路，再给双向晶闸管提供触发脉冲。为了观察电路状态，在电源端、同步信号、触发信号和负载端加上示波器，同时观察四个波形。

仿真连线图如下：

图7 protues仿真连线图

仿真前，要设定好元器件的参数。将题目条件中交流调压电路阻感负载的阻抗代入，交流电源的频率设为50Hz，幅值设为12，脉冲宽度设好。根据示波器输入端口的顺序，波形图分别表示：同步信号、电源电压、触发脉冲、负载电压。其仿真波形如图8所示

图8 protues仿真示波器波形图

结论

此次实验中是晶闸管单相交流调压、调功电路，电路图比较简单，但必须弄清楚其原理及相互间的区别及联系。做了实验后，对交流调压和调功电路的了解更加深入，以前没有细究的问题都逐一查资料解决。特别是对调压电路中α的变化对波形的影响首次清楚认识，并且知道了不同导通角对调压电路的影响。

此次电路的难点在于同步信号的获取上，采用输入经电阻R1限流和保护的作用，再经VD1和VD2两个限制比较器输入电压的箝位二极管削波后，送入比较器的输入端，从而获得与电源相位相同的方波。

然后实际中要加入很多保护电路来保证电路的稳定、安全运行。这里因为其电流很大，又考虑到晶闸管的换相过电压，就加入了快速熔断器，并给晶闸管加了缓冲电路。平时设计对这些保护电路都没有怎么考虑，这让我对各种保护电路也有了个了解和学会选择。

此次仿真让我对protues仿真有了进一步的了解,对元器件的作用和选择，构成电路的大致步骤都加深了印象。仿真时出了一些问题，通过不断地努力都解决了。同时发现protues的功能真是十分强大，仿真方式和实际试验相比带来很多方便，当然也有失真的情况，在以后的工作和实验中可以互补。

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致谢

一直到今天，三年多的宿愿终于有了结果，我很激动。在此我特别感谢XXX老师的精心指导，不仅指导我们加深对论文的了解，更重要的是为我们指引了设计的思路并给我们讲解了设计中用到的实际工程设计经验。从而使我们在毕业设计中始终保持着清晰的思维，也少走了很多弯路，也使我们学会了综合应用所学知识，提高分析和解决实际问题的能力。非常感谢班主任王老师对我们学习的督促，让我们认识大学学习的重要性。

感谢同学们的热心帮助，院系领导对我们毕业设计的关心，使我们能够全身心的投入到设计中去，为更好、更快地完成毕业设计提供了重要保障。

感谢所有帮助我的人。通过本次毕业设计，不仅让我的专业水平更扎实了，也让我在知识面以及对工作和学习的态度上得到了很大的提高。

参考文献

晶闸管：http://wenku.baidu.com/view/5b2090679b6648d7c1c746f1.html 晶闸管的结构以及工作原理：

http://wenku.baidu.com/view/5b2090679b6648d7c1c746f1.html

LPC2124处理器工作原理：

http://wenku.baidu.com/view/96951d333968011ca30091a0.html?from=rec&pos=3&weight=91&lastweight=90&count=5

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