异步电机的功率因数控制系统硬件设计毕业设计

1、毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题目： 异步电机的功率因数控制系统-硬件设计 学生姓名： 学号： 090060621 专业班级： 电气 6 班 学院： 信电学院 设计起止日期： 2013 年 4 月 1 日2013 年 6 月 9 日 题目性质一： 实际工程 设计项目 科学研究 理论研究 其他 题目性质二：真题 模拟题目 其他 技术要求及原始数据： 为提高异步电机运行时的效率，减少异步电机运行时的能耗，在三 相异步电动机运行过程中对电动机的功率因数进行控制，在保证系统控制性能指标的前提下， 实现异步电动机的高效运行。主要掌握异步电机的工作原理，晶闸管的工作原理，控制系统 的组成及

2、控制策略。所用异步电动机型号为 y100l1-4. 2.2kw，额定电压为 380v。系统主要 以 89c51 为控制核心；功能电路包括键盘操作、电机定子侧电压检测、电流检测、可控硅触 发电路等。 主要任务： (1) 异步电机主电路硬件设计；(2) 异步电机定子侧电压和电流的检测硬件电路 设计；(3) 异步电机可控硅控制的主电路设计。 学 生 （签 字）： 系主任（签字）： 指导教师（签字）： 院 长 （签字）： 摘 要 随着经济的发展，我国已经成为世界工业大国。而工业的主要动力是异步电动机， 异步电动机的效率取决于功率因数，所以在生产过程中，常常需要对异步电动机的功 率因数进行实时、准确的测

3、量和控制，以便提高实现异步电动机的效率，减少能源消 耗，减少污染。本文介绍的是利用单片机 at89c51 来对异步电机的功率因数进行测量 和控制的方法硬件电路设计。 本文介绍的是利用单片机 at89c51 来对异步电机的功率因数进行测量和控制的方 法硬件电路设计，原理是通过测量异步电机任意一相的相电流和另外两相的线电压之 间的相位关系来得到异步电机功率因数的在线检测方法，给出了一种实用的功率因数 测量电路，并对该测量方法的原理进行了详细说明。本设计的硬件部分由信号采集电 路、模数转换电路、可控硅触发电路和显示电路等构成。 硬件软件设计的主要任务是电压电流过零检测、晶闸管触发角的计算控制和功率

4、因数的显示等。本设计具有硬件连接简单、测量快速、实现方便的特点。 关键词：异步电动机；功率因数；at89c51；过零检测 abstract with economic development, china has become the worlds major industrial countries. the main drivers of industrial induction motor, induction motor efficiency depends on the power factor, so the production process, often need async

5、hronous motor power factor in real- time, accurate measurement and control, in order to improve the efficiency of asynchronous motors, reducing energy consumption and reduce pollution. this article describes the use of scm at89c51 to asynchronous motor power factor measurement and control hardware c

6、ircuit design methods. this article describes the use of scm at89c51 to asynchronous motor power factor measurement and control hardware circuit design methods, the principle is by measuring any one phase induction motor phase current and the other two phases of the phase relationship between the li

7、ne voltage to get induction motor power factor line detection method presents a practical power factor measurement circuit and the measuring principle of the method is described in detail. the design of the hardware part of the signal acquisition circuit, analog- digital conversion circuit scr trigg

8、er circuit and display circuit, and the like. hardware and software design of the main task is to voltage and current zero crossing detection, calculation of the thyristor firing angle control and power factor display. this design has the hardware connection is simple, rapid, and convenient features

9、 to achieve. keywords: asynchronous motor; power factor; at89c51;zero-crossing detection 目 录 摘要 .i abstract.ii 1 绪论.1 1.1 功率因数研究意义.1 1.2 国内外的研究现状.1 1.3 本文的主要研究内容.2 2 系统的工作原理.3 2.1 异步电机的工作原理.3 2.1.1 旋转磁场.3 2.1.2 旋转磁场的转向.5 2.2 影响功率因数的主要因素.6 2.2.1 负载变化对电动机功率因数的影响.6 2.2.2 电压变化对电动机功率因数的影响.6 2.3 功率因数测量原理.

10、6 2.3.1 测量全阻抗法.7 2.3.2 直读法.7 2.3.3 相角差法.7 2.3.4 直流分量法.7 2.3.5 冲击系数法.8 2.4 本文采用的测量方法.9 3 硬件电路设计.11 3.1 系统的整体结构图.11 3.2.1 5v 直流电源电路 .12 3.2.2 12v 直流电源电路 .15 3.2.3 变压器的选择.18 3.3 驱动电路设计.20 3.3.1 晶闸管的触发系统.20 3.3.2 触发脉冲的要求.21 3.3.3 驱动电路设计.22 3.4 控制部分电路设计.23 3.4.1 at89c51 芯片简介.23 3.4.2 晶振电路 .25 3.4.3 复位电路.

11、28 3.5.2 电压过零检测电路.34 3.5.3 电压和电流的信号提取电路.34 3.6 显示电路.37 3.6.1 cd4511 七段译码器简介：.37 3.6.2 led 数码管 .39 4 软件设计.42 4.1 编程软件介绍.42 4.2 程序主题设计思路.42 5 系统的抗干扰设计.43 5.1 硬件抗干扰措施.43 5.2 软件抗干扰措施.44 结论.46 致谢.47 参考文献.48 附录 .49 1 绪论 1.1 功率因数研究意义 随着我国经济的日益发展,电力需求不断提高,伴随而来的突出问题是能源无效的 巨大消耗,资源利用率低下电力系统是一庞 大的系统,其电能损耗的数值相当可

12、观,能 源的合理配置是极需解决的问题。 功率因数是决定发供电系统经济效益的一个极为重要的因素,它直接反映了系统中 有功功率与无功功率的分配，对于发供电系统来说,对负荷不但要求有高的负荷率,而 且也要求有高的功率因数，电能紧缺成为目前的突出矛盾，所以对于风机、泵类负载 等工业电机的节能改造具有重要意义。但是，普通的变频调速装置在轻载或空载时效 率低，不能使电动机处在最经济的运行状态。因此本设计通过分析研究功率因数与电 机各项参数以及运行条件的关系，论证构成电机的功率因数控制系统，达到节能目的。 通过仿真数据证明在实际中实现电动机的功率因数控制，能够降低生产成本，提高经 济效率。通过仿真得出仿真结

13、果，从而验证了功率因数控制系统在节能方面应用的实 际意义。 1.2 国内外的研究现状 功率因数校正的概念起源于 1980 年，但被重视和推广则在上个世纪 80 年代末期 和 90 年代。通常有两大类 pfc 技术：一类是无源 pfc 技术；另一类是有源 pfc 技术。 前者采用无源元件来改善输入功率因数，减少电流谐波，以满足标准要求。其特点是 简单，但体积庞大、笨重，有些场合则无法满足要求；后者是用一个变换器串入整流 滤波与 dcdc 变换器之间，通过特殊的控制，使输入电流跟随输入电压，从而实现单 位功率因数，而且反馈输出电压使之稳定，从而使 dcdc 变换器的输入实现预稳。这 种方法的特点是

14、控制复杂，但体积大大减少。另外，第二级的设计也易于优化，进一 步提高性能。早期的有源功率因数校正(apfc)电路是晶闸管电路，进入 70 年代以后， 随着电力电子器件的发展，开关变换技术突飞猛进，到了 80 年代，现代有源 pfc 技术 应运而生，80 年代的有源功率因数技术可以说是基于 boost 变换器的功率因数校正的 年代，在此期间的研究工作主要集中在对工作在连续导电模式(ccm)下的 boost 变换器 的研究上。这类变换器的各种控制方式一般是基于所谓乘法器(multiplier)的原理， 连续导电模式下的功率因数校正技术可以获得很大的功率和转换容量，但是对于大量 应用的 200w 以

15、下的中小功率容量的情形，却不是非常合适，因为这种方式往往需要较 复杂的控制方式和电路，成本高。80 年代末期提出了利用工作在不连续导电模式(dcm) 下的变换器进行功率因数校正的技术，由于其输入电流自动跟踪输入电压，因而也可 实现接近 1 的输入功率因数。这种 pfc 技术在诸多文献中被称为自动功率因数校正技 术，也称为电压跟随器(voltage follower)。这种有源功率因数校正技术因其控制简 单(仅采用一个控制量，即输出电压)而备受青睐，但是一般不能应用于较大功率的场 合。80 年代是现代有源功率因数校正技术发展的初期阶段，这一时期提出的一些基本 技术是有源功率因数校正技术的基础。从

16、 90 年代至今，有源功率因数校正技术取得了 长足的进步。目前，单相功率因数校正技术在电路拓扑和控制方面已日趋成熟，仍在 发展，而三相整流器的功率大，对电网污染更大。因此三相高功率因数技术的研究近 年来成为研究热点。国外九十年代初开始涌现大量的有源功率因数校正的文献，国内 在有源功率校正方面起步较晚，直到近年来才出现一些有关有源功率因数校正的文献， 其中关于三相功率因数校正的文章不多。总之，应用现代高速开关器件及高频功率电 子电路构成的功率因数校正电路已经成为 pfc 电路的主流。随着电力电子技术的发展， pfc 技术也在发展。从资料上看，近几年功率因数校正技术的研究热点集中在以下几个 方面：

17、 （1）新电路拓扑结构的提出； （2）把 dcdc 变换器中的新技术应用到 afc 电路中(如：软开关技术、开关电源 功率网络等)； （3）新型控制方法以及基于新电路结构的特殊控制方法； 单级 pfc 以及稳压开关变换器的稳定性研究。 现有的功率因数校正技术给整流设备带 来的附加成本和其复杂性，极大的限制着这一技术的广泛应用，因此低成本、结构简 单、容易实现、具有软开关性能、响应速度快、低输出纹波的单级隔离高功率因数变 换器是目前科研人员所追求的目标。 1.3 本文的主要研究内容 功率因数是反映电气设备从电源取得有功功率的物理量。提高异步电机的功率因 数,降低其无功损耗,是电动机节能、高效率工

18、作的有效方法。 为了达到这一目的，本文采用 at89c51 单片机实现异步电机的功率因数的采集与控制， 本文研究的主要内容如下：本文在绪论中首先解释了异步电机功率因数的重要意义， 以及国内外对功率因数研究的发展与现状。在第二章中，本文着重介绍了实现功率因 数控制的原理，简要地概括了各自方法的优点、缺点及应用范围等。本文在第三章中 介绍了本控制系统的硬件设计及控制方法。在第四章中，介绍了单片机控制系统中有 关抗干扰设计的问题。 2 系统的工作原理 2.1 异步电机的工作原理 三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组，如果在定子绕组通 入三相对称的交流电流，就会在电动机内部建立起一个恒

19、速旋转的磁场，称为旋转磁 场，它是异步电动机工作的基本条件。因此，有必要先说明旋转磁场是如何产生的， 有什么特性，然后再讨论异步电动机的工作原理。 2.1.1 旋转磁场 （一）旋转磁场的产生 最简单的三相异步电动机的定子绕组，每相绕组只有一个线圈，三个相同的线圈 u1u2、v1v2、w1w2 在空间的位置彼此互差 120，分别放在定子铁心槽中。如 图 2-1： 图 2-1 三相异步电动机最简单的定子绕组 为当把三相线圈接成星形，并接通三相对称电源后，那么在定子绕组中便产生三 个对称电流，即： iu=imsint iv=imsin(t120) （2-1） iw=imsin(t+120) 其波形如

20、图 2-2 所示: 图 2-2 三相电流的波形 电流通过每个线圈要产生磁场，而现在通过定子绕组的三相交流电流的大小及方 向均随时间而变化，那么三个线圈所产生的合成磁场是怎样的呢？这可由每个线圈在 同一时刻各自产生的磁场进行叠加而得到。假如电流由线圈的始端流入、末端流出为 正，反之则为负。电流流入端用“”表示，流出端用“”表示。下面就分别取 t=0、t/6、t/3、t/2 四个时刻所产生的合成磁场作定性的分析（其中 t 为三相电流变 化的周期） 。 当 t=0 时，由三相电流的波形可见，电流瞬时值 iu=0，iv 为负值，iw 为正值。这 表示 u 相无电流，v 相电流是从线圈的末端 v2 流向

21、首端 v1，w 相电流是从线圈的始端 w1 流向末端 w2，这一时刻由三个线圈电流所产生的合成磁场如图 2-3 所示。它在空间 形成二极磁场，上为 s 极，下为 n 极（对定子而言） 。设此时 n、s 极的轴线（即合成 磁场的轴线）为零度。 图 2-3 两极旋转磁场 a)t=0；b)t=t/6；c)t=t/3；d)t=t/2 当 t=t/6 时，u 相电流为正，由 u1 端流向 u2 端，v 相电流为负，由 v2 端流向 v1 端，w 相电流为零。其合成磁场也是一个两极磁场，但 n、s 极的轴线在空间顺时针方 向转了 60。 当 t=t/3 时，iu 为正，由 u1 端流向 u2 端，iv=0

22、，iw 为负，由 w2 端流向 w1 端， 其合成磁场比上一时刻又向前转过了 60，如图 33c 所示。 用同样的方法可得出当 t=t/2 时，合成磁场比上一时刻又转过了 60空间角。由 此可见，是一对磁极的旋转磁场。但电流经过一个周期的变化时，磁场也沿着顺时针 方向旋转一周，即在空间旋转的角度为 360。 上面分析说明，当空间互差 120的线圈通入对称的三相交流电流时，在空间就产 生了一个旋转磁场。 国产的异步电动机的电源频率通常为 50hz。对于已知磁极对数的异步电动机，可 得出对应的旋转磁场的转速，如表 2-1 所示： 表 2-1 异步电动机磁极对数和对应的旋转磁场的转速关系表 p123

23、456 n1(r/min)300015001000750600500 2.1.2 旋转磁场的转向 由图 33 中各个瞬间磁场变化，可以看出，当通入三相绕组中电流的相序为 iuiviw，旋转磁场在空间是沿绕组始端 uvw 方向旋转的，在图中即按顺时针 方向旋转。如果把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中两相，例如，调换 v、w 两 相，此时通入三相绕组电流的相序为 iuiwiv,则旋转磁场按逆时针方向旋转。由此 可见，旋转磁场的方向是由三相电流的相序决定的，即把通入三相绕组中的电流相序 任意调换其中的两相，就可改变旋转磁场的方向。 （1）异步转动原理 由上面分析可知，如果在定子绕组中通入三相对称

24、电流，则定子内部产生某个方 向转速为 n1 的旋转磁场。这时转子导体与旋转磁场之间存在着相对运动，切割磁力线 而产生感应电动势。电动势的方向可根据右手定则确定。由于转子绕组是闭合的，于 是在感应电动势的作用下，绕组内有电流流过，如图 34 所示。转子电流与旋转磁场 相互作用，便在转子绕组中产生电磁力 f。力 f 的方向可由左手定则确定。该力对转轴 形成了电磁转矩 tem，使转子按旋转磁场方向转动。异步电动机的定子和转子之间能量 的传递是靠电磁感应作用的，故异步电动机又称感应电动机。 转子的转速 n 是否会与旋转磁场的转速 n1 相同呢？回答是不可能的。因为一旦转 子的转速和旋转磁场的转速相同，

25、二者便无相对运动，转子也不能产生感应电动势和 感应电流，也就没有电磁转矩了。只有二者转速有差异时，才能产生电磁转矩，驱使 转子转动。可见，转子转速 n 总是略小于旋转磁场的转速 n1。正是由于这个关系，这 个电动机被称为异步电动机。 由上式可知 n1 与 n 有差异是异步电动机运行的必要条件。通常把同步转速 n1 与 转子转速 n 二者之差称为“转差” ， “转差”与同步转速 n1 的比值称为转差率(也叫滑 差率)，用 s 表示，即 s=（n1n）/ n1 。 2.2 影响功率因数的主要因素 2.2.1 负载变化对电动机功率因数的影响 由异步电机等效电路求得的总阻抗是感性的，所以对电源来说，异

26、步电动机相当 于一个感性阻抗，其功率因数小于 1。空载时，定子电流基本上是无功的励磁电流，所 以功率因数很低。当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量随 之增加，功率因数上升，由于在空载到额定负载范围内，电动机的转差率很小，所以 转子功率因数角几乎不变，但负载超过额定值时，转差率变大，功率因数角也增大， 转子电流的无功分量增加，使电动机的定子功率因数有所下降。 2.2.2 电压变化对电动机功率因数的影响 由于电压的降低总是使励磁电流减小，转子电流增大。尽管定子电流可能增大或 减小，但定子电流与电源电压之间的相角总是减小的，所以，功率因数将随电压的增 加而减小，随电压的减小而增大

27、。 2.3 功率因数测量原理 交流试验电路的电流及电压波形为正弦时，其功率因数为试验电源电压 u(空载)与 试验电流 i 之间的夹角的余弦。功率因数的测量方法有很多种，其中较为常见的有 以下五种测量方法。 2.3.1 测量全阻抗法 测量全阻抗法是在冲击变压器的一次侧施加一低电压，用电压表、电流表和瓦特 表直接测量功率因数。测量时，外施低电压电源的电压应尽可能高，以消除附加的测 量误差。该方法实质上忽略了电网部分的阻抗，只适用于电网短路容量与试验容量之 比大于 10 的情况。 2.3.2 直读法 直读法其实是将全阻抗法的测量仪表全部移到变压器二次侧，使得该方法测得的 实际上只是负载电路的功率因数

28、，而不是全电路的功率因数。另外，当试验电流 cos 较大时，负载阻抗和连接导线严重发热，导致负载阻抗增大。故此方法只能在试验电 流不大的情况下使用。 2.3.3 相角差法 相角差法是通过测定电源的空载电压与电流的周期分量之间的相角差来确定功率因 数。该方法的优点是电路的功率因数在很大的范围内都能测量；缺点是未计入电网部 分的阻抗对功率因数的影响，所测得的功率因数不是全电路功率因数。但是如果电网 短路容量比试验容量大 10 倍以上，该影响可以忽略不计。 2.3.4 直流分量法 预期电流 由周期分量(交流分量)和非周期分量(衰减的直流分量)两部分 id i 组成。其中非周期分量电流在理论上可用下列

29、式子表示： d i （2- 0 t t dd ii e 2） 式中 的初始值； 0d i d i 试验电路全电路的时间常数。 t 根据全电流波形，分别量取第一个与第二个电流峰值(和)和相应的时间( 和 1a i 2a i 1 t )以及电流周期分量(即达到稳态的电流)峰值。对应于时间 和的直流分量和 2 t m i 1 t 2 t 1d i 为： 2d i 11dam iii （2- 22dam iii 3） 由式(2-3)可得到下列二式： (2-4) 2 20 t t dd ii e 将上述二式相除并变化可得： (2-5) 21 1 2 () ln d d tt t i i 式中 试验电路的

30、时间常数(即)。t/tl r 而功率因数可表示为：cos (2-6) 222 2 11 cos 2 (2)1 (2) 1 () rr zfl rflft r 将式(2-5)中计算得到的数据代入式(2-6)中即可算出。cos 直流分量法的优点是测得的是试验全电路的功率因数，缺点是只适用于非周cos 期分量电流值较大时。越小，越大，故此方法只适用于值较小的情况 d icos d icos 下。从式(2-6)中可以看出，还与电源频率值有关。因此，采用此方法时还必cosf 须测量实际电源的频率。 2.3.5 冲击系数法 冲击系数法与直流分量法相同，都是利用电路闭合初始过程中电流呈现不对称这一 特性。冲

31、击系数法同样适用于值较小的情况。cos 冲击系数法的测量过程如下： 首先，利用电路中的选相合闸开关，选取电源电压过零瞬间闭合电路，拍摄相应的 预期电流波形,接着，从预期电流波形上量取第一半波峰值电流()和电流周期分量 1a i (即稳态电流)峰值()。 m i 最后，根据和的比值计算出冲击系数,即 1a i m ik (2-7) 1a m i k i 接着根据值查表 2-2，即可得到电路的功率因数值。k 表 2-2 冲击系数与功率因数 功率因 数 冲击系数 功率因 数 冲击系数 功率因 数 冲击系数 功率因 数 冲击系数 02.0000.141.6520.241.4810.341.350 0.

32、051.8560.151.6330.251.4670.351.339 0.061.8310.161.6140.261.4520.401.286 0.071.8060.171.5960.271.4380.451.239 0.081.7820.181.5780.281.4250.501.198 0.091.7580.191.5610.291.4120.601.127 0.101.7360.201.5440.301.3990.701.073 0.111.7140.211.5280.311.3860.801.032 0.121.6930.221.5120.321.3740.901.007 0.131.

33、6720.231.4960.331.3621.001.000 该方法具有实现过程十分简便的特点。只需在预期电流的波形图上测量出两个数 据，且所测得的是全电路功率因数。但是缺点是必须配备选相合闸开关，对选相 cos 合闸开关的精度要求较高，以确保在电压过零瞬间闭合电路。 在本次设计中，将选用适合于数据处理系统以及具有较广应用范围的相角差法进行 功率因数的测量计算。 2.4 本文采用的测量方法 利用相角差法求功率因数，最主要的就是求出电源电压与试验电流的相角差。在单 片机上可以对相角差进行计算。 在对波形信号的处理中，首先对电压信号进行分析，并记下过零点的位置，记为 k。接着对电流信号进行分析，从

34、 k 值开始计数，寻找电流从正值转变为负值的采样点， 记为 k1。则所经过的采样点数为(k1-k)点。如图 2-4 所示: 图 2-4 相位前推法 则相位角差为： (2-8) 式中 电压信号频率；f 波形信号采样频率。 0 f 此时，算出来的相角差的数值是大于的。为了得到较为规范的相角差，可考虑 360 将减去的整数倍。根据得到的相角差，求其余弦值，即可得到电路的功率因数。 360 0 ( 1)360 f kk f 3 硬件电路设计 3.1 系统的整体结构图 系统的主电路由电流过零检测电路、电压过零检测电路、电源模块电路以及驱动 电路构成，控制部分以单片机芯片 at89c51 为核心，辅以抗负

35、载干扰电路加上显示电 路来实现异步电动机的功率因数显示、检测、控制。 系统由单片机负责收集电压电流相位差值，计算电动机功率因数，同时输出控制信号， 经过光电隔离电路后，驱动晶闸管产生期望的输出电压波形来控制电机运行。 系统整体结构图如图 3-1： 图 3-1 系统整体结构图 3.23.2 电源电路设计电源电路设计 电源电路的分析： 功率因数表工作电压范围很宽，所以对稳压电源有特殊要求。一般电网电压在 130250v 或 250500v 之间，考虑到一定的余量，其电压适应能力至少在 3 倍以上， 此外还要有一定的安全区，电源部分可采用专门设计的可控硅式3或磁饱和式宽动态 范围稳压电源。可控硅式电

36、源工作电压动态范围宽，损耗小，性能好，技术要求较高； 磁饱和式电源技术要求较低，但总损耗较大，工作电压动态范围也较窄。 3.2.1 5v 直流电源电路 5v 直流电源采用 lm7805 集成稳压器的，这是一个输出正 5v 直流电压的稳压电源 电路。采用集成稳压器 7805，cb、cc、c8、c9 分别为输入端和输出端滤波电容，r 为 负载电阻。当输出电较大时，7805 应配上散热板。 d5、d6、d7、d8 都是作为整流使用。 电源电路图如图 3-2： 图 3-2 电源电路 lm7805 资料和典型电路图 表 3-1 lm7805 资料 mc7805/lm7805mc7805/lm7805 单

37、位单位 parameterparameter 参数参数 symbosymbo l l 符符 号号 conditionsconditions 条件条件 最小最小 典型典型 最大最大 tj =+25 oc 4.8 5.0 5.2 output voltage 输出 电压 vo 5.0ma io 1.0a, po 15w vi = 7v to 20v 4.75 5.0 5.25 v vo =7v to 25v -4.0 100 line regulation 线性 调整率(note1) regli ne tj=+25 oc vi =8v to 12v -1.6 50 mv io =5.0ma to1

38、.5a -9 100 load regulation 负载 调整率(note1) reglo ad tj=+25 io =250ma to 750ma -4 50 mv quiescent current 静 态电流 iq tj =+25 -5.0 8.0 ma io =5ma to 1.0a -0.03 0.5 quiescent current 静 态电流变化 iq vi=7v to 25v -0.3 1.3 ma output voltage 输出 电压 drift vo/ t io=5ma -0.8 -mv/ output noise voltage 输出噪声电压 vn f =10hz

39、 to 100khz, ta=+25 -42 -v/vo dropout voltage 电压 差 vdrop io =1a, tj =+25 -2 -v output resistance 输 出电阻 ro f =1khz -15 -m short circuit current 短路电流 isc vi =35v, ta =+25 -230 -ma 内部电路图如图 3-3： 图 3-3 内部电路图 外形引脚排列图管脚图图 3-4： peak current 峰值电流 ipk tj =+25 -2.2 -a 图 3-4 外形引脚排列图管脚图 3.2.2 12v 直流电源电路 12v 直流电源采

40、用 lm7812 集成稳压器的，这是一个输出正 12v 直流电压的稳压电 源电路。采用集成稳压器 7805，ca、c5、c7 分别为输入端和输出端滤波电容，r 为负 载电阻。当输出电较大时，7805 应配上散热板。 电源输入端采用整流桥整流。 电源电路图如图 3-5： 图 3-5 电源电路 lm7812 资料和典型电路图 三端稳压集成电路 lm7812。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出 的 lm78 系列和负电压输出的 lm79 系列。顾名思义，三端 ic 是指这种稳压用的集成电 路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极 管，to- 220 的标

41、准封装。 用 lm78 系列三端稳压 ic 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过 流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳 压 ic 型号中的 lm78 或 lm79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 lm7806 表示输出电压为正 6v，lm7909 表示输出电压为负 9v。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 最大输出电流 1.5a，lm78xx 系列输出电压分别为 5v;6v;8v;9v;10v;12v;15v;18v;24v。 图 3-6 lm7812 内部电路图 在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装

42、足够大的散热器,小功率 稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出 1.5a 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路 并联起来，使其最大输出电流为 n 个 1.5a，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电 路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一 定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 在 lm78 * 、lm79 * 系列三端稳压器中最常应用的是 to-220 和 to-202 两种封 装。 表 3-2 lm7812 电参数 参数符号测试条件 最小 值 典型 值 最大 值 单 位 输出电压 votj=25

43、4.85.05.2v 5.0ma1o1.0a,po15w vi=7.5v to 20v 4.755.005.25v 线性调整率 votj=25,vi=7.5v to 25v4.0100mv tj=25,vi=8v to 12v1.650mv 负载调整率 votj=25,lo=5.0ma to 1.5a9100mv tj=25,lo=250ma to 750m a 450mv 静态电流 iqtj=255.08ma 静态电流变 化率 iqlo=5ma to 1.0a 0.030.5ma vi=8v to 25v0.30.8ma 输出电压温 漂 vo/ t lo=5ma 0.8 mv/ 输出噪音电

44、压 vnf=10hz to 100khz,ta=2542v 纹波抑制比 rrf=120hz,vi=8v to 18v 6273db 输入输出电 压差 volo=1.0a,tj=252v 输出阻抗 rof=1khz15m 短路电流 1scvi=35v,ta=25230ma 峰值电流 1pktj=252.2a 3.2.3 变压器的选择 (1)单相控制隔离变压器 hs-35-24 220v/15v 简介： 表 3-3 变压器参数 外形结构：立式电源相数：单相 铁心形状：ei 型加工定制：是 冷却形式：液/油浸式频率特性：低频 应用范围：防水防潮方式：灌封式 铁心形式：壳式冷却方式：油浸自冷式 型号：

45、 rco 绕组形式：自耦 品牌：瑞科 变压器外观如图 3-7： 图 3-7 变压器外观 (2)单相变压器 rco220v/9v 简介： 表 3-4 变压器参数 外形 结构：立式电源相数：单相 铁心 形状：e 型加工定制：是 冷却 形式：干式频率特性：低频 应用 范围：控制防潮方式：开放式 铁心 形式：壳式冷却方式：油浸自冷式 型号： bk sbk dg jbk5 qzb 绕组形式：自耦 品牌： 宏名 变压器外观图如图 3-8： 图 3-8 变压器外观 光纤传输 功率输出触发脉冲控制信号 控制系统触发电路 主电路 图 3-10 触发电路在晶闸管装置中的地位 3.3 驱动电路设计 晶闸管因受其自身

46、工艺条件的限制，晶闸管的耐压不可能无限制地提高，但 晶闸管的应用环境所要求的耐压却越来越高。为了满足高耐压就不得不采用晶闸管串 联技术，为保证高压串联晶闸管安全可靠地运行，高压串联晶闸管的驱动与保护必将 成为所有晶闸管应用厂家必须研究开发的重点课题。笔者根据晶闸管自身的性能特点， 设计了一种完善的高压晶闸管的驱动与保护电路，可靠地避免了晶闸管在应用的过程 中因触发不可靠及谐波而损坏。 3.3.1 晶闸管的触发系统 晶闸管一般触发电路图如下图 3-9： 图 3-9 触发系统图 晶闸管触发电路的作用是将控制信号 uk 转变成延迟角 （或 ）信号，通过触 发电路向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的

47、导通时刻。因此，触发电路与主回 路一样是晶闸管装置中的重要部分。两者之间即相对独立，相互依存。正确设计的触 发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力，保证运行的安全可靠。触发电路在晶闸管变 流装置中的地位如图 3-10 所示，可把触发电路和主回路看成一个功率放大器，以小功 率的输入信号直接控制大功率的输出。 ibm i o t1t2t3 ib1 图 3-11 强触发脉冲波形 3.3.2 触发脉冲的要求 晶闸管装置种类很多，工作方式也不同，故对触发电路的要求也不同。具体如下： 触发信号可以是交流，直流或脉冲形式。由于晶闸管触发导通后，门极即失去控 制作用，为减少门极损耗，一般触发信号采用脉冲形式。 触

48、发信号应有一定的功率及宽度。触发电路的任务是提供控制晶闸管的门极触发 信号。由于晶闸管门极参数的分散性以及其触发电压、电流随温度变化的特性，为使 各合格元件在各种条件下均能可靠触发，触发电流、电压必须大于门极触发电流 igt 和触发电压 ugt，既脉冲信号出发功率必须保证在各种工作条件下都能使晶闸管可靠导 通。触发脉冲信号应有一定的宽度，脉冲前沿要陡，保证触发的晶闸管可靠导通。如 果触发脉冲过窄，在脉冲终止时主回路电流还未上升到晶闸管的擎住电流，则晶闸管 会重新关断。对于三相全桥是整流电路，要求触发脉冲信号是间隔 600 的双窄脉冲或 大于 600 小于 1200 的宽脉冲或脉冲列。 为使串联

49、晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲。在大电流晶闸 管串联电路中，要求串联元件能同时导通，各元件的 di/dt 都应在允许范围之内。由 于元件特性的分散性，先导通元件的 di/dt 就会超过允许值而损坏，故应采取图 1-3 所示的强触发脉冲。强触发电流幅度为触发电流值的 5 倍左右，前沿陡度应不小于 0.5a/us，最好大于 1a/us(即 0t1d 段)；强触发宽度对应时间 t2 应大于 50us，脉冲 持续时间 t3 应大于 550us。脉冲如图 3-11： 触发脉冲的同步及移相范围。为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角 下触发 导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应

50、与电源保持固定的相位关系。 同时，未了使电路在给定的范围内工作，应保证触发脉冲能在相应范围内工作，应保 证触发脉冲能在相应的范围内进行移相。为保证逆变工作安全可靠，对最小的逆变角 min 也应加以限制，一般 min=300350。 隔离输出方式及抗干扰能力。触发电路通常采用单独的低电压电源供电，因此应 采用某种方法将其与主回路电源隔离。常用的是在触发电路与主回路之间连接脉冲变 压器。此类脉冲变压器需做专门设计。触发电路正确可靠的运行是对晶闸管设备的安 全运行极为重要的环节。引起出发电路误动作的主要原因之一是从主回路或安装在触 发电路附近的继电器和接触器引起的干扰。主电路的干扰常通过触发电路的输

51、出级而 进入触发电路，常用的干扰措施为：脉冲变压器采用静电屏蔽，串联二极管、并联电 容等（如图 1-1） 。 3.3.3 驱动电路设计 针对晶闸管的驱动通过详细的分析触发脉冲的宽度及强度提出了具体的参数与指 标；同样也通过详细的分析对高压串联晶闸管的保护提出了均压与过压保护相关技术 参数。随着晶闸管制作技术与工艺水平的不断提高，晶闸管也在朝着更高等级的方向 发展。本文采用最基本的方法制作晶闸管驱动，其中数字控制信号通过三级管放大， 经过脉冲变压器向晶闸管输出导通信号。 电路图如图 3-12： 图 3-12 驱动电路图 3.43.4 控制部分电路设计控制部分电路设计 3.4.1 at89c51

52、芯片简介 at89c51 是一种带 4k 字节 flash 存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能 cmos 8 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，at89c

53、2051 是它的一 种精简版本。at89c51 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 3-13 所示 ： 图 3-13 at89c51 外形及引脚 at89c51 提供以下标准功能：4k 字节 flash 闪速存储器，128 字节内部 ram，32 个 i/o 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通 信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两 种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram，定时/计数器， 串行通信口及中断系统继续工作。掉电方

54、式保存 ram 中的内容，但振荡器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 引脚说明 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/地址的低八位。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 外部必须接上拉电阻。 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

55、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 为低八位地址接收。 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

56、 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 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.

57、4 t0（计时器 0 外部输入） p3.5 t1（计时器 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低位 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出 正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时 目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，

58、将跳过一个 ale 脉冲。如想禁 止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ale 禁止，置位 无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh） ，不 管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保

59、 持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程 电源（vpp） 。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振 荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2 应不接。有 余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何 要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除 整个 perom 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持

60、ale 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空 存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，at89c51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软 件可选的掉电模式。在闲置模式下，cpu 停止工作。但 ram，定时器，计数器，串口和 中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 ram 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他 芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.4.2 晶振电路 晶体振荡器，简称晶振。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联 一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的 频率是串