電氣專(zhuān)科畢業(yè)論文

1、XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的晶閘管功率控制器題 目_專(zhuān) 業(yè)_班 級(jí)_姓 名_指導(dǎo)教師_年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 學(xué)院 年級(jí) 專(zhuān)業(yè) 層次： 科姓名性 別學(xué) 號(hào)題目基于單片機(jī)的晶閘管功率控制器 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容：調(diào)研資料的準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)的目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時(shí)間安排；完成設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素等。1、 調(diào)研資料的準(zhǔn)備：查閱相關(guān)資料 ，熟悉lpc2124單片機(jī)控制的單相晶閘管功率控制器，并進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。 2、 設(shè)計(jì)的目的：掌握LPC2124單片機(jī)控制的單相晶閘管功率控制器設(shè)計(jì)方法和技能，結(jié)合工作實(shí)際撰寫(xiě)論文。3、 要求的階段內(nèi)

2、容和時(shí)間安排3月-4月：根據(jù)任務(wù)的要求進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，進(jìn)行論文資料的查找。4月-5月：完成論文要求的工作，最終完成論文。4、 預(yù)期成果：完成設(shè)計(jì)圖樣、文件和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)LPC2124單片機(jī)的晶閘管功率控制器。5、 具備的條件因素：工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)四年，在大學(xué)學(xué)習(xí)和自學(xué)的相關(guān)知識(shí)技能，相關(guān)專(zhuān)家和教師的指導(dǎo)幫助。完成期限指導(dǎo)教師簽章摘要設(shè)計(jì)了一款基于LPC2124單片機(jī)控制的單相晶閘管功率控制器。LPC2124采集同步信號(hào)，依靠軟件定時(shí)，進(jìn)而輸出延時(shí)角的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后，送入晶閘管控制極，從而控制導(dǎo)通角。關(guān)鍵詞：LPC2124；晶閘管；功率控制器目錄引言11 調(diào)壓調(diào)功原理簡(jiǎn)介12系統(tǒng)電路組成2

3、3 觸發(fā)器硬件組成24軟件的實(shí)現(xiàn)45 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)56 protues仿真6結(jié)論7致謝9參考文獻(xiàn)10引言交流-交流變流電路，即把一種形式的交流變成另一種形式的交流電路。在進(jìn)行交流-交流變流時(shí)，可以改變相關(guān)的電壓（電流）、頻率和相數(shù)等。交流-交流變流電路可以分為直接方式（無(wú)中間直流環(huán)節(jié)方式）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)方式）兩種。而間接方式可以看做交流-直流變換電路和直流-交流變換電路的組合，故交-交變流主要指直接方式。其中，只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路稱(chēng)為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱(chēng)為變頻電路。采用相位控制的交流電力控制電路，即交流調(diào)壓電路；采用通斷控制的交

4、流電力控制電路，即交流調(diào)功電路和交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制）及異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)也用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在電力系統(tǒng)中，這種電路還常用于對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。在這些電源中如果采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)，十分不合理。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓、電流值都比較適中，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計(jì)制造。其分為單相和三相交流調(diào)壓電路，前者是

5、后者基礎(chǔ)，這里只討論單相問(wèn)題。交流調(diào)功電路常用于電爐的溫度控制，其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率。像電爐溫度這樣的控制對(duì)象，其時(shí)間常數(shù)往往很大，沒(méi)有必要對(duì)交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進(jìn)行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導(dǎo)通的時(shí)刻都是在電源電壓過(guò)零的時(shí)刻，這樣，在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電源都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。晶閘管也叫可控硅整流器是目前工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的大功率變換器件。晶閘管在燒結(jié)爐、電弧爐等整流場(chǎng)合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的相位實(shí)現(xiàn)控制輸出。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無(wú)法克服其固有缺點(diǎn)。數(shù)字式控制電路與

6、模擬式相比，主要優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，移相觸發(fā)角較大時(shí)控制精度不高。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由單片機(jī)組成的控制電路的優(yōu)勢(shì)越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點(diǎn)外，更因其移相觸發(fā)角通過(guò)軟件計(jì)算完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過(guò)軟件補(bǔ)償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，目前已獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可。本文介紹應(yīng)用單片機(jī)組成晶閘管功率控制器硬件電路的設(shè)計(jì)，以及軟件實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)脈沖控制的方法。1 調(diào)壓調(diào)功原理簡(jiǎn)介把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電的頻率，稱(chēng)為交流電力控制電路。在每半個(gè)周波內(nèi)通過(guò)對(duì)

7、晶閘管開(kāi)通相位的控制可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱(chēng)為交流調(diào)壓電路。交流調(diào)功電路和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。交流調(diào)功電路不是在每個(gè)交流電源周期都通過(guò)觸發(fā)延遲角對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制，而是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周波，再斷開(kāi)幾個(gè)整周波，通過(guò)改變接通周波數(shù)與斷開(kāi)周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。2系統(tǒng)電路組成整套系統(tǒng)的硬件電路主要由主回路和微處理器控制電路組成。其中主回路包括同步信號(hào)產(chǎn)生電路和觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。本裝置所用LPC2124單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器，同步信號(hào)產(chǎn)生電路用以將從電網(wǎng)獲得的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成同步脈沖，LPC2124用作接收同步信號(hào)和

8、角，并將角轉(zhuǎn)換為脈沖延時(shí)，從而控制晶閘管的門(mén)級(jí)，控制輸出電流的大??；驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)將從單片機(jī)出來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大；晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流大小的控制。單片機(jī)控制的晶閘管觸發(fā)器主要由同步信號(hào)檢測(cè)、CPU硬件電路、復(fù)位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路4部分組成，如圖l所示。CPU通過(guò)檢測(cè)電路獲知觸發(fā)信號(hào)，依據(jù)所要控制的電路要求，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)單片機(jī)I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，復(fù)位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。圖1 系統(tǒng)組成電路3 觸發(fā)器硬件組成單片機(jī)控制的移相觸發(fā)脈沖控制硬件電路圖如下。單片機(jī)選用LPC2124，共有64個(gè)引腳。同步信號(hào)的輸入經(jīng)電阻R1，R1起到限流和保

9、護(hù)的作用，正弦同步信號(hào)經(jīng)VD1和VD2兩個(gè)限制比較器輸入電壓的箝位二極管削波后，送入比較器LM339的輸入端，LM339輸出為180°與電源相位相同的方波。同步檢測(cè)信號(hào)發(fā)生正跳變時(shí)，經(jīng)反相以中斷方式向單片機(jī)的INT0提供同步指令，以邊沿觸發(fā)中斷，從表面上看好像是外部中斷信號(hào)輸入。使用該比較電路，無(wú)論輸入的同步電壓信號(hào)高還是低，LM339的輸出信號(hào)都能較準(zhǔn)確的反映同步輸入信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，R2和C3對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，以避免輸出信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。由于采用單片機(jī)進(jìn)行延遲處理其觸發(fā)角，其觸發(fā)延遲角范圍為0°180°，控制精度非常高，雖然控制精度受到內(nèi)部運(yùn)算位數(shù)的限制，但足以滿(mǎn)足

10、一般控制要求。圖2同步信號(hào)電路LPC2124的P03端口用于輸出整流電路的觸發(fā)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)74LS04反相放大，推動(dòng)功率放大器TD62004，該器件的輸出連接到脈沖變壓器的初級(jí)繞組。圖3觸發(fā)脈沖電路LPC2124的模擬量輸入端口可以為以后添加從整流端采集真有效值電壓負(fù)反饋信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字PI調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，以保證整流輸出端電壓穩(wěn)定。4軟件的實(shí)現(xiàn)主程序中包括了系統(tǒng)初始化子程序，控制角的輸入及計(jì)算，同步輸入信號(hào)的檢測(cè)，脈沖信號(hào)的輸出，系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位或停機(jī)的控制。主程序流程圖如圖4圖4主程序流程圖5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路

11、設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。1)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)：電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類(lèi)。外因過(guò)電壓主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外部原因，包括：操作過(guò)電壓、雷擊過(guò)電壓；內(nèi)因過(guò)電壓主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程，包括：換相過(guò)電壓、關(guān)斷過(guò)電壓。過(guò)壓保護(hù)的基本原則是：根據(jù)電路中過(guò)壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到定過(guò)壓值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)通附加電路，使過(guò)壓通過(guò)附加電路形成通路，消耗過(guò)壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過(guò)壓的能量不會(huì)加到主開(kāi)關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多。這里主要考慮晶閘管在實(shí)

12、際應(yīng)用中一般會(huì)承受的過(guò)電壓，故可用阻容保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時(shí)，電容兩端電壓不能突發(fā)的特性，可以有效地抑制電路中的過(guò)壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過(guò)壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩。阻容保護(hù)電路如圖5所示。圖5 阻容保護(hù)電路2)過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)：圖6 過(guò)電流各種保護(hù)措施及配置位置引起過(guò)流的原因：當(dāng)電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過(guò)載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、缺相等，均可引起變換器內(nèi)元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)流。由于電力電子器件的電流過(guò)載能力比一般電氣設(shè)備差得多，

13、因此，必須對(duì)變換器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)流保護(hù)。常見(jiàn)的過(guò)電流保護(hù)電路有如下一些形式。變換器的過(guò)流一般主要分為兩類(lèi)：過(guò)載過(guò)流和短路過(guò)流。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過(guò)流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。其中交流側(cè)接快速熔斷器能對(duì)晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，但要求正常工作時(shí)，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對(duì)元件的短路故障所起的保護(hù)作用較差。直流側(cè)接快速熔斷器只對(duì)負(fù)載短路起保護(hù)作用，對(duì)元件無(wú)保護(hù)作用。只有晶閘管直接串接快速熔斷器才對(duì)元件的保護(hù)作用最好，因?yàn)樗鼈兞鬟^(guò)同個(gè)電流。因而被廣泛使用。6 protues仿真用protues進(jìn)行原理性仿真,電路效果直觀(guān)，重

14、復(fù)性和再現(xiàn)性好，簡(jiǎn)單方便?，F(xiàn)用protues仿真單相交流調(diào)壓電路。交流電源、兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)、阻性負(fù)載即構(gòu)成了主電路，再給雙向晶閘管提供觸發(fā)脈沖。為了觀(guān)察電路狀態(tài)，在電源端、同步信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)和負(fù)載端加上示波器，同時(shí)觀(guān)察四個(gè)波形。仿真連線(xiàn)圖如下：圖7 protues仿真連線(xiàn)圖仿真前，要設(shè)定好元器件的參數(shù)。將題目條件中交流調(diào)壓電路阻感負(fù)載的阻抗代入，交流電源的頻率設(shè)為50Hz，幅值設(shè)為12，脈沖寬度設(shè)好。根據(jù)示波器輸入端口的順序，波形圖分別表示：同步信號(hào)、電源電壓、觸發(fā)脈沖、負(fù)載電壓。其仿真波形如圖8所示圖8 protues仿真示波器波形圖結(jié)論此次實(shí)驗(yàn)中是晶閘管單相交流調(diào)壓、調(diào)功電路，電路圖比

15、較簡(jiǎn)單，但必須弄清楚其原理及相互間的區(qū)別及聯(lián)系。做了實(shí)驗(yàn)后，對(duì)交流調(diào)壓和調(diào)功電路的了解更加深入，以前沒(méi)有細(xì)究的問(wèn)題都逐一查資料解決。特別是對(duì)調(diào)壓電路中的變化對(duì)波形的影響首次清楚認(rèn)識(shí)，并且知道了不同導(dǎo)通角對(duì)調(diào)壓電路的影響。此次電路的難點(diǎn)在于同步信號(hào)的獲取上，采用輸入經(jīng)電阻R1限流和保護(hù)的作用，再經(jīng)VD1和VD2兩個(gè)限制比較器輸入電壓的箝位二極管削波后，送入比較器的輸入端，從而獲得與電源相位相同的方波。然后實(shí)際中要加入很多保護(hù)電路來(lái)保證電路的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。這里因?yàn)槠潆娏骱艽螅挚紤]到晶閘管的換相過(guò)電壓，就加入了快速熔斷器，并給晶閘管加了緩沖電路。平時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)這些保護(hù)電路都沒(méi)有怎么考慮，這讓我對(duì)各種保護(hù)電路也有了個(gè)了解和學(xué)會(huì)選擇。此次仿真讓我對(duì)protues仿真有了進(jìn)一步的了解,對(duì)元器件的作用和選擇，構(gòu)成電路的大致步驟都加深了印象。仿真時(shí)出了一些問(wèn)題，通過(guò)不斷地努力都解決了。同時(shí)發(fā)現(xiàn)protues的功能真是十分強(qiáng)大，仿真方式和實(shí)際試驗(yàn)相比帶來(lái)很多方便，當(dāng)然也有失真的情況，在以后的工作和實(shí)驗(yàn)中可以互補(bǔ)。致謝一直到今天，三年多的宿愿終于有了結(jié)果，我很激動(dòng)。在此我特別感謝XXX老師的精心指導(dǎo)，不僅指導(dǎo)我們加深對(duì)論文的了解，更重要的是為我們指引了設(shè)計(jì)的思路并給我們講解了設(shè)計(jì)中用到的實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。從而使我們?cè)诋?/p>