異步電機(jī)的功率因數(shù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 題目： 異步電機(jī)的功率因數(shù)控制系統(tǒng)-硬件設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 090060621 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣 6 班 學(xué)院： 信電學(xué)院 設(shè)計(jì)起止日期： 2013 年 4 月 1 日2013 年 6 月 9 日 題目性質(zhì)一： 實(shí)際工程 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 科學(xué)研究 理論研究 其他 題目性質(zhì)二：真題 模擬題目 其他 技術(shù)要求及原始數(shù)據(jù)： 為提高異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率，減少異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的能耗，在三 相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行控制，在保證系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的前提下， 實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行。主要掌握異步電機(jī)的工作原理，晶閘管的工作原理，控制系統(tǒng) 的組成及

2、控制策略。所用異步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 y100l1-4. 2.2kw，額定電壓為 380v。系統(tǒng)主要 以 89c51 為控制核心；功能電路包括鍵盤(pán)操作、電機(jī)定子側(cè)電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、可控硅觸 發(fā)電路等。 主要任務(wù)： (1) 異步電機(jī)主電路硬件設(shè)計(jì)；(2) 異步電機(jī)定子側(cè)電壓和電流的檢測(cè)硬件電路 設(shè)計(jì)；(3) 異步電機(jī)可控硅控制的主電路設(shè)計(jì)。 學(xué) 生 （簽 字）： 系主任（簽字）： 指導(dǎo)教師（簽字）： 院 長(zhǎng) （簽字）： 摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界工業(yè)大國(guó)。而工業(yè)的主要?jiǎng)恿κ钱惒诫妱?dòng)機(jī)， 異步電動(dòng)機(jī)的效率取決于功率因數(shù)，所以在生產(chǎn)過(guò)程中，常常需要對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的功 率因數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)

3、量和控制，以便提高實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的效率，減少能源消 耗，減少污染。本文介紹的是利用單片機(jī) at89c51 來(lái)對(duì)異步電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)量 和控制的方法硬件電路設(shè)計(jì)。 本文介紹的是利用單片機(jī) at89c51 來(lái)對(duì)異步電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制的方 法硬件電路設(shè)計(jì)，原理是通過(guò)測(cè)量異步電機(jī)任意一相的相電流和另外兩相的線(xiàn)電壓之 間的相位關(guān)系來(lái)得到異步電機(jī)功率因數(shù)的在線(xiàn)檢測(cè)方法，給出了一種實(shí)用的功率因數(shù) 測(cè)量電路，并對(duì)該測(cè)量方法的原理進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。本設(shè)計(jì)的硬件部分由信號(hào)采集電 路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、可控硅觸發(fā)電路和顯示電路等構(gòu)成。 硬件軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是電壓電流過(guò)零檢測(cè)、晶閘管觸發(fā)角的計(jì)算控制和功率

4、因數(shù)的顯示等。本設(shè)計(jì)具有硬件連接簡(jiǎn)單、測(cè)量快速、實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；功率因數(shù)；at89c51；過(guò)零檢測(cè) 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 錄 摘要 .i abstract.ii 1 緒論.1 1.1 功率因數(shù)研究意義.1 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀.1 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容.2 2 系統(tǒng)的工作原理.3 2.1 異步電機(jī)的工作原理.3 2.1.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng).3 2.1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向.5 2.2 影響功率因數(shù)的主要因素.6 2.2.1 負(fù)載變化對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響.6 2.2.2 電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響.6 2.3 功率因數(shù)測(cè)量原理.

10、6 2.3.1 測(cè)量全阻抗法.7 2.3.2 直讀法.7 2.3.3 相角差法.7 2.3.4 直流分量法.7 2.3.5 沖擊系數(shù)法.8 2.4 本文采用的測(cè)量方法.9 3 硬件電路設(shè)計(jì).11 3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖.11 3.2.1 5v 直流電源電路 .12 3.2.2 12v 直流電源電路 .15 3.2.3 變壓器的選擇.18 3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).20 3.3.1 晶閘管的觸發(fā)系統(tǒng).20 3.3.2 觸發(fā)脈沖的要求.21 3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).22 3.4 控制部分電路設(shè)計(jì).23 3.4.1 at89c51 芯片簡(jiǎn)介.23 3.4.2 晶振電路 .25 3.4.3 復(fù)位電路.

11、28 3.5.2 電壓過(guò)零檢測(cè)電路.34 3.5.3 電壓和電流的信號(hào)提取電路.34 3.6 顯示電路.37 3.6.1 cd4511 七段譯碼器簡(jiǎn)介：.37 3.6.2 led 數(shù)碼管 .39 4 軟件設(shè)計(jì).42 4.1 編程軟件介紹.42 4.2 程序主題設(shè)計(jì)思路.42 5 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì).43 5.1 硬件抗干擾措施.43 5.2 軟件抗干擾措施.44 結(jié)論.46 致謝.47 參考文獻(xiàn).48 附錄 .49 1 緒論 1.1 功率因數(shù)研究意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展,電力需求不斷提高,伴隨而來(lái)的突出問(wèn)題是能源無(wú)效的 巨大消耗,資源利用率低下電力系統(tǒng)是一龐 大的系統(tǒng),其電能損耗的數(shù)值相當(dāng)可

12、觀,能 源的合理配置是極需解決的問(wèn)題。 功率因數(shù)是決定發(fā)供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)極為重要的因素,它直接反映了系統(tǒng)中 有功功率與無(wú)功功率的分配，對(duì)于發(fā)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),對(duì)負(fù)荷不但要求有高的負(fù)荷率,而 且也要求有高的功率因數(shù)，電能緊缺成為目前的突出矛盾，所以對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載 等工業(yè)電機(jī)的節(jié)能改造具有重要意義。但是，普通的變頻調(diào)速裝置在輕載或空載時(shí)效 率低，不能使電動(dòng)機(jī)處在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)。因此本設(shè)計(jì)通過(guò)分析研究功率因數(shù)與電 機(jī)各項(xiàng)參數(shù)以及運(yùn)行條件的關(guān)系，論證構(gòu)成電機(jī)的功率因數(shù)控制系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能目的。 通過(guò)仿真數(shù)據(jù)證明在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)控制，能夠降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng) 濟(jì)效率。通過(guò)仿真得出仿真結(jié)

13、果，從而驗(yàn)證了功率因數(shù)控制系統(tǒng)在節(jié)能方面應(yīng)用的實(shí) 際意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 功率因數(shù)校正的概念起源于 1980 年，但被重視和推廣則在上個(gè)世紀(jì) 80 年代末期 和 90 年代。通常有兩大類(lèi) pfc 技術(shù)：一類(lèi)是無(wú)源 pfc 技術(shù)；另一類(lèi)是有源 pfc 技術(shù)。 前者采用無(wú)源元件來(lái)改善輸入功率因數(shù)，減少電流諧波，以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。其特點(diǎn)是 簡(jiǎn)單，但體積龐大、笨重，有些場(chǎng)合則無(wú)法滿(mǎn)足要求；后者是用一個(gè)變換器串入整流 濾波與 dcdc 變換器之間，通過(guò)特殊的控制，使輸入電流跟隨輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)單 位功率因數(shù)，而且反饋輸出電壓使之穩(wěn)定，從而使 dcdc 變換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這 種方法的特點(diǎn)是

14、控制復(fù)雜，但體積大大減少。另外，第二級(jí)的設(shè)計(jì)也易于優(yōu)化，進(jìn)一 步提高性能。早期的有源功率因數(shù)校正(apfc)電路是晶閘管電路，進(jìn)入 70 年代以后， 隨著電力電子器件的發(fā)展，開(kāi)關(guān)變換技術(shù)突飛猛進(jìn)，到了 80 年代，現(xiàn)代有源 pfc 技術(shù) 應(yīng)運(yùn)而生，80 年代的有源功率因數(shù)技術(shù)可以說(shuō)是基于 boost 變換器的功率因數(shù)校正的 年代，在此期間的研究工作主要集中在對(duì)工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(ccm)下的 boost 變換器 的研究上。這類(lèi)變換器的各種控制方式一般是基于所謂乘法器(multiplier)的原理， 連續(xù)導(dǎo)電模式下的功率因數(shù)校正技術(shù)可以獲得很大的功率和轉(zhuǎn)換容量，但是對(duì)于大量 應(yīng)用的 200w 以

15、下的中小功率容量的情形，卻不是非常合適，因?yàn)檫@種方式往往需要較 復(fù)雜的控制方式和電路，成本高。80 年代末期提出了利用工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(dcm) 下的變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正的技術(shù)，由于其輸入電流自動(dòng)跟蹤輸入電壓，因而也可 實(shí)現(xiàn)接近 1 的輸入功率因數(shù)。這種 pfc 技術(shù)在諸多文獻(xiàn)中被稱(chēng)為自動(dòng)功率因數(shù)校正技 術(shù)，也稱(chēng)為電壓跟隨器(voltage follower)。這種有源功率因數(shù)校正技術(shù)因其控制簡(jiǎn) 單(僅采用一個(gè)控制量，即輸出電壓)而備受青睞，但是一般不能應(yīng)用于較大功率的場(chǎng) 合。80 年代是現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的初期階段，這一時(shí)期提出的一些基本 技術(shù)是有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基礎(chǔ)。從

16、 90 年代至今，有源功率因數(shù)校正技術(shù)取得了 長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前，單相功率因數(shù)校正技術(shù)在電路拓?fù)浜涂刂品矫嬉讶遮叧墒?，仍?發(fā)展，而三相整流器的功率大，對(duì)電網(wǎng)污染更大。因此三相高功率因數(shù)技術(shù)的研究近 年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。國(guó)外九十年代初開(kāi)始涌現(xiàn)大量的有源功率因數(shù)校正的文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi) 在有源功率校正方面起步較晚，直到近年來(lái)才出現(xiàn)一些有關(guān)有源功率因數(shù)校正的文獻(xiàn)， 其中關(guān)于三相功率因數(shù)校正的文章不多?？傊瑧?yīng)用現(xiàn)代高速開(kāi)關(guān)器件及高頻功率電 子電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路已經(jīng)成為 pfc 電路的主流。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， pfc 技術(shù)也在發(fā)展。從資料上看，近幾年功率因數(shù)校正技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在以下幾個(gè) 方面：

17、 （1）新電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出； （2）把 dcdc 變換器中的新技術(shù)應(yīng)用到 afc 電路中(如：軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源 功率網(wǎng)絡(luò)等)； （3）新型控制方法以及基于新電路結(jié)構(gòu)的特殊控制方法； 單級(jí) pfc 以及穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)變換器的穩(wěn)定性研究。 現(xiàn)有的功率因數(shù)校正技術(shù)給整流設(shè)備帶 來(lái)的附加成本和其復(fù)雜性，極大的限制著這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、容易實(shí)現(xiàn)、具有軟開(kāi)關(guān)性能、響應(yīng)速度快、低輸出紋波的單級(jí)隔離高功率因數(shù)變 換器是目前科研人員所追求的目標(biāo)。 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 功率因數(shù)是反映電氣設(shè)備從電源取得有功功率的物理量。提高異步電機(jī)的功率因 數(shù),降低其無(wú)功損耗,是電動(dòng)機(jī)節(jié)能、高效率工

18、作的有效方法。 為了達(dá)到這一目的，本文采用 at89c51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的功率因數(shù)的采集與控制， 本文研究的主要內(nèi)容如下：本文在緒論中首先解釋了異步電機(jī)功率因數(shù)的重要意義， 以及國(guó)內(nèi)外對(duì)功率因數(shù)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀。在第二章中，本文著重介紹了實(shí)現(xiàn)功率因 數(shù)控制的原理，簡(jiǎn)要地概括了各自方法的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍等。本文在第三章中 介紹了本控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及控制方法。在第四章中，介紹了單片機(jī)控制系統(tǒng)中有 關(guān)抗干擾設(shè)計(jì)的問(wèn)題。 2 系統(tǒng)的工作原理 2.1 異步電機(jī)的工作原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是一個(gè)空間位置對(duì)稱(chēng)的三相繞組，如果在定子繞組通 入三相對(duì)稱(chēng)的交流電流，就會(huì)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部建立起一個(gè)恒

19、速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)，它是異步電動(dòng)機(jī)工作的基本條件。因此，有必要先說(shuō)明旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的， 有什么特性，然后再討論異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。 2.1.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) （一）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生 最簡(jiǎn)單的三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，每相繞組只有一個(gè)線(xiàn)圈，三個(gè)相同的線(xiàn)圈 u1u2、v1v2、w1w2 在空間的位置彼此互差 120，分別放在定子鐵心槽中。如 圖 2-1： 圖 2-1 三相異步電動(dòng)機(jī)最簡(jiǎn)單的定子繞組 為當(dāng)把三相線(xiàn)圈接成星形，并接通三相對(duì)稱(chēng)電源后，那么在定子繞組中便產(chǎn)生三 個(gè)對(duì)稱(chēng)電流，即： iu=imsint iv=imsin(t120) （2-1） iw=imsin(t+120) 其波形如

20、圖 2-2 所示: 圖 2-2 三相電流的波形 電流通過(guò)每個(gè)線(xiàn)圈要產(chǎn)生磁場(chǎng)，而現(xiàn)在通過(guò)定子繞組的三相交流電流的大小及方 向均隨時(shí)間而變化，那么三個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)是怎樣的呢？這可由每個(gè)線(xiàn)圈在 同一時(shí)刻各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行疊加而得到。假如電流由線(xiàn)圈的始端流入、末端流出為 正，反之則為負(fù)。電流流入端用“”表示，流出端用“”表示。下面就分別取 t=0、t/6、t/3、t/2 四個(gè)時(shí)刻所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)作定性的分析（其中 t 為三相電流變 化的周期） 。 當(dāng) t=0 時(shí)，由三相電流的波形可見(jiàn)，電流瞬時(shí)值 iu=0，iv 為負(fù)值，iw 為正值。這 表示 u 相無(wú)電流，v 相電流是從線(xiàn)圈的末端 v2 流向

21、首端 v1，w 相電流是從線(xiàn)圈的始端 w1 流向末端 w2，這一時(shí)刻由三個(gè)線(xiàn)圈電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)如圖 2-3 所示。它在空間 形成二極磁場(chǎng)，上為 s 極，下為 n 極（對(duì)定子而言） 。設(shè)此時(shí) n、s 極的軸線(xiàn)（即合成 磁場(chǎng)的軸線(xiàn)）為零度。 圖 2-3 兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) a)t=0；b)t=t/6；c)t=t/3；d)t=t/2 當(dāng) t=t/6 時(shí)，u 相電流為正，由 u1 端流向 u2 端，v 相電流為負(fù)，由 v2 端流向 v1 端，w 相電流為零。其合成磁場(chǎng)也是一個(gè)兩極磁場(chǎng)，但 n、s 極的軸線(xiàn)在空間順時(shí)針?lè)?向轉(zhuǎn)了 60。 當(dāng) t=t/3 時(shí)，iu 為正，由 u1 端流向 u2 端，iv=0

22、，iw 為負(fù)，由 w2 端流向 w1 端， 其合成磁場(chǎng)比上一時(shí)刻又向前轉(zhuǎn)過(guò)了 60，如圖 33c 所示。 用同樣的方法可得出當(dāng) t=t/2 時(shí)，合成磁場(chǎng)比上一時(shí)刻又轉(zhuǎn)過(guò)了 60空間角。由 此可見(jiàn)，是一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。但電流經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的變化時(shí)，磁場(chǎng)也沿著順時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)一周，即在空間旋轉(zhuǎn)的角度為 360。 上面分析說(shuō)明，當(dāng)空間互差 120的線(xiàn)圈通入對(duì)稱(chēng)的三相交流電流時(shí)，在空間就產(chǎn) 生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 國(guó)產(chǎn)的異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率通常為 50hz。對(duì)于已知磁極對(duì)數(shù)的異步電動(dòng)機(jī)，可 得出對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，如表 2-1 所示： 表 2-1 異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系表 p123

23、456 n1(r/min)300015001000750600500 2.1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向 由圖 33 中各個(gè)瞬間磁場(chǎng)變化，可以看出，當(dāng)通入三相繞組中電流的相序?yàn)?iuiviw，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間是沿繞組始端 uvw 方向旋轉(zhuǎn)的，在圖中即按順時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)。如果把通入三相繞組中的電流相序任意調(diào)換其中兩相，例如，調(diào)換 v、w 兩 相，此時(shí)通入三相繞組電流的相序?yàn)?iuiwiv,則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。由此 可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向是由三相電流的相序決定的，即把通入三相繞組中的電流相序 任意調(diào)換其中的兩相，就可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向。 （1）異步轉(zhuǎn)動(dòng)原理 由上面分析可知，如果在定子繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)

24、電流，則定子內(nèi)部產(chǎn)生某個(gè)方 向轉(zhuǎn)速為 n1 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線(xiàn) 而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向可根據(jù)右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，于 是在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，繞組內(nèi)有電流流過(guò)，如圖 34 所示。轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 相互作用，便在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電磁力 f。力 f 的方向可由左手定則確定。該力對(duì)轉(zhuǎn)軸 形成了電磁轉(zhuǎn)矩 tem，使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間能量 的傳遞是靠電磁感應(yīng)作用的，故異步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 是否會(huì)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n1 相同呢？回答是不可能的。因?yàn)橐坏┺D(zhuǎn) 子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，

25、二者便無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子也不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和 感應(yīng)電流，也就沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩了。只有二者轉(zhuǎn)速有差異時(shí)，才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 n1。正是由于這個(gè)關(guān)系，這 個(gè)電動(dòng)機(jī)被稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)。 由上式可知 n1 與 n 有差異是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的必要條件。通常把同步轉(zhuǎn)速 n1 與 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 二者之差稱(chēng)為“轉(zhuǎn)差” ， “轉(zhuǎn)差”與同步轉(zhuǎn)速 n1 的比值稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率(也叫滑 差率)，用 s 表示，即 s=（n1n）/ n1 。 2.2 影響功率因數(shù)的主要因素 2.2.1 負(fù)載變化對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響 由異步電機(jī)等效電路求得的總阻抗是感性的，所以對(duì)電源來(lái)說(shuō)，異

26、步電動(dòng)機(jī)相當(dāng) 于一個(gè)感性阻抗，其功率因數(shù)小于 1?？蛰d時(shí)，定子電流基本上是無(wú)功的勵(lì)磁電流，所 以功率因數(shù)很低。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量隨 之增加，功率因數(shù)上升，由于在空載到額定負(fù)載范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率很小，所以 轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角幾乎不變，但負(fù)載超過(guò)額定值時(shí)，轉(zhuǎn)差率變大，功率因數(shù)角也增大， 轉(zhuǎn)子電流的無(wú)功分量增加，使電動(dòng)機(jī)的定子功率因數(shù)有所下降。 2.2.2 電壓變化對(duì)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的影響 由于電壓的降低總是使勵(lì)磁電流減小，轉(zhuǎn)子電流增大。盡管定子電流可能增大或 減小，但定子電流與電源電壓之間的相角總是減小的，所以，功率因數(shù)將隨電壓的增 加而減小，隨電壓的減小而增大

27、。 2.3 功率因數(shù)測(cè)量原理 交流試驗(yàn)電路的電流及電壓波形為正弦時(shí)，其功率因數(shù)為試驗(yàn)電源電壓 u(空載)與 試驗(yàn)電流 i 之間的夾角的余弦。功率因數(shù)的測(cè)量方法有很多種，其中較為常見(jiàn)的有 以下五種測(cè)量方法。 2.3.1 測(cè)量全阻抗法 測(cè)量全阻抗法是在沖擊變壓器的一次側(cè)施加一低電壓，用電壓表、電流表和瓦特 表直接測(cè)量功率因數(shù)。測(cè)量時(shí)，外施低電壓電源的電壓應(yīng)盡可能高，以消除附加的測(cè) 量誤差。該方法實(shí)質(zhì)上忽略了電網(wǎng)部分的阻抗，只適用于電網(wǎng)短路容量與試驗(yàn)容量之 比大于 10 的情況。 2.3.2 直讀法 直讀法其實(shí)是將全阻抗法的測(cè)量?jī)x表全部移到變壓器二次側(cè)，使得該方法測(cè)得的 實(shí)際上只是負(fù)載電路的功率因數(shù)

28、，而不是全電路的功率因數(shù)。另外，當(dāng)試驗(yàn)電流 cos 較大時(shí)，負(fù)載阻抗和連接導(dǎo)線(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致負(fù)載阻抗增大。故此方法只能在試驗(yàn)電 流不大的情況下使用。 2.3.3 相角差法 相角差法是通過(guò)測(cè)定電源的空載電壓與電流的周期分量之間的相角差來(lái)確定功率因 數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路的功率因數(shù)在很大的范圍內(nèi)都能測(cè)量；缺點(diǎn)是未計(jì)入電網(wǎng)部 分的阻抗對(duì)功率因數(shù)的影響，所測(cè)得的功率因數(shù)不是全電路功率因數(shù)。但是如果電網(wǎng) 短路容量比試驗(yàn)容量大 10 倍以上，該影響可以忽略不計(jì)。 2.3.4 直流分量法 預(yù)期電流 由周期分量(交流分量)和非周期分量(衰減的直流分量)兩部分 id i 組成。其中非周期分量電流在理論上可用下列

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 試驗(yàn)電路全電路的時(shí)間常數(shù)。 t 根據(jù)全電流波形，分別量取第一個(gè)與第二個(gè)電流峰值(和)和相應(yīng)的時(shí)間( 和 1a i 2a i 1 t )以及電流周期分量(即達(dá)到穩(wěn)態(tài)的電流)峰值。對(duì)應(yīng)于時(shí)間 和的直流分量和 2 t m i 1 t 2 t 1d i 為： 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 將上述二式相除并變化可得： (2-5) 21 1 2 () ln d d tt t i i 式中 試驗(yàn)電路的

30、時(shí)間常數(shù)(即)。t/tl r 而功率因數(shù)可表示為：cos (2-6) 222 2 11 cos 2 (2)1 (2) 1 () rr zfl rflft r 將式(2-5)中計(jì)算得到的數(shù)據(jù)代入式(2-6)中即可算出。cos 直流分量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)得的是試驗(yàn)全電路的功率因數(shù)，缺點(diǎn)是只適用于非周cos 期分量電流值較大時(shí)。越小，越大，故此方法只適用于值較小的情況 d icos d icos 下。從式(2-6)中可以看出，還與電源頻率值有關(guān)。因此，采用此方法時(shí)還必cosf 須測(cè)量實(shí)際電源的頻率。 2.3.5 沖擊系數(shù)法 沖擊系數(shù)法與直流分量法相同，都是利用電路閉合初始過(guò)程中電流呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)這一 特性。沖

31、擊系數(shù)法同樣適用于值較小的情況。cos 沖擊系數(shù)法的測(cè)量過(guò)程如下： 首先，利用電路中的選相合閘開(kāi)關(guān)，選取電源電壓過(guò)零瞬間閉合電路，拍攝相應(yīng)的 預(yù)期電流波形,接著，從預(yù)期電流波形上量取第一半波峰值電流()和電流周期分量 1a i (即穩(wěn)態(tài)電流)峰值()。 m i 最后，根據(jù)和的比值計(jì)算出沖擊系數(shù),即 1a i m ik (2-7) 1a m i k i 接著根據(jù)值查表 2-2，即可得到電路的功率因數(shù)值。k 表 2-2 沖擊系數(shù)與功率因數(shù) 功率因 數(shù) 沖擊系數(shù) 功率因 數(shù) 沖擊系數(shù) 功率因 數(shù) 沖擊系數(shù) 功率因 數(shù) 沖擊系數(shù) 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 該方法具有實(shí)現(xiàn)過(guò)程十分簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。只需在預(yù)期電流的波形圖上測(cè)量出兩個(gè)數(shù) 據(jù)，且所測(cè)得的是全電路功率因數(shù)。但是缺點(diǎn)是必須配備選相合閘開(kāi)關(guān)，對(duì)選相 cos 合閘開(kāi)關(guān)的精度要求較高，以確保在電壓過(guò)零瞬間閉合電路。 在本次設(shè)計(jì)中，將選用適合于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及具有較廣應(yīng)用范圍的相角差法進(jìn)行 功率因數(shù)的測(cè)量計(jì)算。 2.4 本文采用的測(cè)量方法 利用相角差法求功率因數(shù)，最主要的就是求出電源電壓與試驗(yàn)電流的相角差。在單 片機(jī)上可以對(duì)相角差進(jìn)行計(jì)算。 在對(duì)波形信號(hào)的處理中，首先對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析，并記下過(guò)零點(diǎn)的位置，記為 k。接著對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行分析，從

34、 k 值開(kāi)始計(jì)數(shù)，尋找電流從正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值的采樣點(diǎn)， 記為 k1。則所經(jīng)過(guò)的采樣點(diǎn)數(shù)為(k1-k)點(diǎn)。如圖 2-4 所示: 圖 2-4 相位前推法 則相位角差為： (2-8) 式中 電壓信號(hào)頻率；f 波形信號(hào)采樣頻率。 0 f 此時(shí)，算出來(lái)的相角差的數(shù)值是大于的。為了得到較為規(guī)范的相角差，可考慮 360 將減去的整數(shù)倍。根據(jù)得到的相角差，求其余弦值，即可得到電路的功率因數(shù)。 360 0 ( 1)360 f kk f 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的主電路由電流過(guò)零檢測(cè)電路、電壓過(guò)零檢測(cè)電路、電源模塊電路以及驅(qū)動(dòng) 電路構(gòu)成，控制部分以單片機(jī)芯片 at89c51 為核心，輔以抗負(fù)

35、載干擾電路加上顯示電 路來(lái)實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)顯示、檢測(cè)、控制。 系統(tǒng)由單片機(jī)負(fù)責(zé)收集電壓電流相位差值，計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，同時(shí)輸出控制信號(hào)， 經(jīng)過(guò)光電隔離電路后，驅(qū)動(dòng)晶閘管產(chǎn)生期望的輸出電壓波形來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1： 圖 3-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 3.23.2 電源電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì) 電源電路的分析： 功率因數(shù)表工作電壓范圍很寬，所以對(duì)穩(wěn)壓電源有特殊要求。一般電網(wǎng)電壓在 130250v 或 250500v 之間，考慮到一定的余量，其電壓適應(yīng)能力至少在 3 倍以上， 此外還要有一定的安全區(qū)，電源部分可采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的可控硅式3或磁飽和式寬動(dòng)態(tài) 范圍穩(wěn)壓電源?？煽毓枋诫?/p>

36、源工作電壓動(dòng)態(tài)范圍寬，損耗小，性能好，技術(shù)要求較高； 磁飽和式電源技術(shù)要求較低，但總損耗較大，工作電壓動(dòng)態(tài)范圍也較窄。 3.2.1 5v 直流電源電路 5v 直流電源采用 lm7805 集成穩(wěn)壓器的，這是一個(gè)輸出正 5v 直流電壓的穩(wěn)壓電源 電路。采用集成穩(wěn)壓器 7805，cb、cc、c8、c9 分別為輸入端和輸出端濾波電容，r 為 負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電較大時(shí)，7805 應(yīng)配上散熱板。 d5、d6、d7、d8 都是作為整流使用。 電源電路圖如圖 3-2： 圖 3-2 電源電路 lm7805 資料和典型電路圖 表 3-1 lm7805 資料 mc7805/lm7805mc7805/lm7805 單

37、位單位 parameterparameter 參數(shù)參數(shù) symbosymbo l l 符符 號(hào)號(hào) conditionsconditions 條件條件 最小最小 典型典型 最大最大 tj =+25 oc 4.8 5.0 5.2 output voltage 輸出 電壓 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 線(xiàn)性 調(diào)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 負(fù)載 調(diào)整率(note1) reglo ad tj=+25 io =250ma to 750ma -4 50 mv quiescent current 靜 態(tài)電流 iq tj =+25 -5.0 8.0 ma io =5ma to 1.0a -0.03 0.5 quiescent current 靜 態(tài)電流變化 iq vi=7v to 25v -0.3 1.3 ma output voltage 輸出 電壓 drift vo/ t io=5ma -0.8 -mv/ output noise voltage 輸出噪聲電壓 vn f =10hz

39、 to 100khz, ta=+25 -42 -v/vo dropout voltage 電壓 差 vdrop io =1a, tj =+25 -2 -v output resistance 輸 出電阻 ro f =1khz -15 -m short circuit current 短路電流 isc vi =35v, ta =+25 -230 -ma 內(nèi)部電路圖如圖 3-3： 圖 3-3 內(nèi)部電路圖 外形引腳排列圖管腳圖圖 3-4： peak current 峰值電流 ipk tj =+25 -2.2 -a 圖 3-4 外形引腳排列圖管腳圖 3.2.2 12v 直流電源電路 12v 直流電源采

40、用 lm7812 集成穩(wěn)壓器的，這是一個(gè)輸出正 12v 直流電壓的穩(wěn)壓電 源電路。采用集成穩(wěn)壓器 7805，ca、c5、c7 分別為輸入端和輸出端濾波電容，r 為負(fù) 載電阻。當(dāng)輸出電較大時(shí)，7805 應(yīng)配上散熱板。 電源輸入端采用整流橋整流。 電源電路圖如圖 3-5： 圖 3-5 電源電路 lm7812 資料和典型電路圖 三端穩(wěn)壓集成電路 lm7812。電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出 的 lm78 系列和負(fù)電壓輸出的 lm79 系列。顧名思義，三端 ic 是指這種穩(wěn)壓用的集成電 路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極 管，to- 220 的標(biāo)

41、準(zhǔn)封裝。 用 lm78 系列三端穩(wěn)壓 ic 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò) 流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn) 壓 ic 型號(hào)中的 lm78 或 lm79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 lm7806 表示輸出電壓為正 6v，lm7909 表示輸出電壓為負(fù) 9v。 因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 最大輸出電流 1.5a，lm78xx 系列輸出電壓分別為 5v;6v;8v;9v;10v;12v;15v;18v;24v。 圖 3-6 lm7812 內(nèi)部電路圖 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝

42、足夠大的散熱器,小功率 穩(wěn)壓管溫度過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出 1.5a 以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路 并聯(lián)起來(lái)，使其最大輸出電流為 n 個(gè) 1.5a，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電 路應(yīng)采用同一廠(chǎng)家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一 定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。 在 lm78 * 、lm79 * 系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是 to-220 和 to-202 兩種封 裝。 表 3-2 lm7812 電參數(shù) 參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件 最小 值 典型 值 最大 值 單 位 輸出電壓 votj=25

43、4.85.05.2v 5.0ma1o1.0a,po15w vi=7.5v to 20v 4.755.005.25v 線(xiàn)性調(diào)整率 votj=25,vi=7.5v to 25v4.0100mv tj=25,vi=8v to 12v1.650mv 負(fù)載調(diào)整率 votj=25,lo=5.0ma to 1.5a9100mv tj=25,lo=250ma to 750m a 450mv 靜態(tài)電流 iqtj=255.08ma 靜態(tài)電流變 化率 iqlo=5ma to 1.0a 0.030.5ma vi=8v to 25v0.30.8ma 輸出電壓溫 漂 vo/ t lo=5ma 0.8 mv/ 輸出噪音電

44、壓 vnf=10hz to 100khz,ta=2542v 紋波抑制比 rrf=120hz,vi=8v to 18v 6273db 輸入輸出電 壓差 volo=1.0a,tj=252v 輸出阻抗 rof=1khz15m 短路電流 1scvi=35v,ta=25230ma 峰值電流 1pktj=252.2a 3.2.3 變壓器的選擇 (1)單相控制隔離變壓器 hs-35-24 220v/15v 簡(jiǎn)介： 表 3-3 變壓器參數(shù) 外形結(jié)構(gòu)：立式電源相數(shù)：?jiǎn)蜗?鐵心形狀：ei 型加工定制：是 冷卻形式：液/油浸式頻率特性：低頻 應(yīng)用范圍：防水防潮方式：灌封式 鐵心形式：殼式冷卻方式：油浸自冷式 型號(hào)：

45、 rco 繞組形式：自耦 品牌：瑞科 變壓器外觀如圖 3-7： 圖 3-7 變壓器外觀 (2)單相變壓器 rco220v/9v 簡(jiǎn)介： 表 3-4 變壓器參數(shù) 外形 結(jié)構(gòu)：立式電源相數(shù)：?jiǎn)蜗?鐵心 形狀：e 型加工定制：是 冷卻 形式：干式頻率特性：低頻 應(yīng)用 范圍：控制防潮方式：開(kāi)放式 鐵心 形式：殼式冷卻方式：油浸自冷式 型號(hào)： bk sbk dg jbk5 qzb 繞組形式：自耦 品牌： 宏名 變壓器外觀圖如圖 3-8： 圖 3-8 變壓器外觀 光纖傳輸 功率輸出觸發(fā)脈沖控制信號(hào) 控制系統(tǒng)觸發(fā)電路 主電路 圖 3-10 觸發(fā)電路在晶閘管裝置中的地位 3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 晶閘管因受其自身

46、工藝條件的限制，晶閘管的耐壓不可能無(wú)限制地提高，但 晶閘管的應(yīng)用環(huán)境所要求的耐壓卻越來(lái)越高。為了滿(mǎn)足高耐壓就不得不采用晶閘管串 聯(lián)技術(shù)，為保證高壓串聯(lián)晶閘管安全可靠地運(yùn)行，高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)必將 成為所有晶閘管應(yīng)用廠(chǎng)家必須研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)課題。筆者根據(jù)晶閘管自身的性能特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了一種完善的高壓晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路，可靠地避免了晶閘管在應(yīng)用的過(guò)程 中因觸發(fā)不可靠及諧波而損壞。 3.3.1 晶閘管的觸發(fā)系統(tǒng) 晶閘管一般觸發(fā)電路圖如下圖 3-9： 圖 3-9 觸發(fā)系統(tǒng)圖 晶閘管觸發(fā)電路的作用是將控制信號(hào) uk 轉(zhuǎn)變成延遲角 （或 ）信號(hào)，通過(guò)觸 發(fā)電路向晶閘管提供門(mén)極電流，決定各個(gè)晶閘管的

47、導(dǎo)通時(shí)刻。因此，觸發(fā)電路與主回 路一樣是晶閘管裝置中的重要部分。兩者之間即相對(duì)獨(dú)立，相互依存。正確設(shè)計(jì)的觸 發(fā)電路可以充分發(fā)揮晶閘管裝置的潛力，保證運(yùn)行的安全可靠。觸發(fā)電路在晶閘管變 流裝置中的地位如圖 3-10 所示，可把觸發(fā)電路和主回路看成一個(gè)功率放大器，以小功 率的輸入信號(hào)直接控制大功率的輸出。 ibm i o t1t2t3 ib1 圖 3-11 強(qiáng)觸發(fā)脈沖波形 3.3.2 觸發(fā)脈沖的要求 晶閘管裝置種類(lèi)很多，工作方式也不同，故對(duì)觸發(fā)電路的要求也不同。具體如下： 觸發(fā)信號(hào)可以是交流，直流或脈沖形式。由于晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，門(mén)極即失去控 制作用，為減少門(mén)極損耗，一般觸發(fā)信號(hào)采用脈沖形式。 觸

48、發(fā)信號(hào)應(yīng)有一定的功率及寬度。觸發(fā)電路的任務(wù)是提供控制晶閘管的門(mén)極觸發(fā) 信號(hào)。由于晶閘管門(mén)極參數(shù)的分散性以及其觸發(fā)電壓、電流隨溫度變化的特性，為使 各合格元件在各種條件下均能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電流、電壓必須大于門(mén)極觸發(fā)電流 igt 和觸發(fā)電壓 ugt，既脈沖信號(hào)出發(fā)功率必須保證在各種工作條件下都能使晶閘管可靠導(dǎo) 通。觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的寬度，脈沖前沿要陡，保證觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通。如 果觸發(fā)脈沖過(guò)窄，在脈沖終止時(shí)主回路電流還未上升到晶閘管的擎住電流，則晶閘管 會(huì)重新關(guān)斷。對(duì)于三相全橋是整流電路，要求觸發(fā)脈沖信號(hào)是間隔 600 的雙窄脈沖或 大于 600 小于 1200 的寬脈沖或脈沖列。 為使串聯(lián)

49、晶閘管元件能同時(shí)導(dǎo)通，觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖。在大電流晶閘 管串聯(lián)電路中，要求串聯(lián)元件能同時(shí)導(dǎo)通，各元件的 di/dt 都應(yīng)在允許范圍之內(nèi)。由 于元件特性的分散性，先導(dǎo)通元件的 di/dt 就會(huì)超過(guò)允許值而損壞，故應(yīng)采取圖 1-3 所示的強(qiáng)觸發(fā)脈沖。強(qiáng)觸發(fā)電流幅度為觸發(fā)電流值的 5 倍左右，前沿陡度應(yīng)不小于 0.5a/us，最好大于 1a/us(即 0t1d 段)；強(qiáng)觸發(fā)寬度對(duì)應(yīng)時(shí)間 t2 應(yīng)大于 50us，脈沖 持續(xù)時(shí)間 t3 應(yīng)大于 550us。脈沖如圖 3-11： 觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。為使晶閘管在每個(gè)周期都在相同的控制角 下觸發(fā) 導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，也就是說(shuō)觸發(fā)信號(hào)應(yīng)

50、與電源保持固定的相位關(guān)系。 同時(shí)，未了使電路在給定的范圍內(nèi)工作，應(yīng)保證觸發(fā)脈沖能在相應(yīng)范圍內(nèi)工作，應(yīng)保 證觸發(fā)脈沖能在相應(yīng)的范圍內(nèi)進(jìn)行移相。為保證逆變工作安全可靠，對(duì)最小的逆變角 min 也應(yīng)加以限制，一般 min=300350。 隔離輸出方式及抗干擾能力。觸發(fā)電路通常采用單獨(dú)的低電壓電源供電，因此應(yīng) 采用某種方法將其與主回路電源隔離。常用的是在觸發(fā)電路與主回路之間連接脈沖變 壓器。此類(lèi)脈沖變壓器需做專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路正確可靠的運(yùn)行是對(duì)晶閘管設(shè)備的安 全運(yùn)行極為重要的環(huán)節(jié)。引起出發(fā)電路誤動(dòng)作的主要原因之一是從主回路或安裝在觸 發(fā)電路附近的繼電器和接觸器引起的干擾。主電路的干擾常通過(guò)觸發(fā)電路的輸

51、出級(jí)而 進(jìn)入觸發(fā)電路，常用的干擾措施為：脈沖變壓器采用靜電屏蔽，串聯(lián)二極管、并聯(lián)電 容等（如圖 1-1） 。 3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 針對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)通過(guò)詳細(xì)的分析觸發(fā)脈沖的寬度及強(qiáng)度提出了具體的參數(shù)與指 標(biāo)；同樣也通過(guò)詳細(xì)的分析對(duì)高壓串聯(lián)晶閘管的保護(hù)提出了均壓與過(guò)壓保護(hù)相關(guān)技術(shù) 參數(shù)。隨著晶閘管制作技術(shù)與工藝水平的不斷提高，晶閘管也在朝著更高等級(jí)的方向 發(fā)展。本文采用最基本的方法制作晶閘管驅(qū)動(dòng)，其中數(shù)字控制信號(hào)通過(guò)三級(jí)管放大， 經(jīng)過(guò)脈沖變壓器向晶閘管輸出導(dǎo)通信號(hào)。 電路圖如圖 3-12： 圖 3-12 驅(qū)動(dòng)電路圖 3.43.4 控制部分電路設(shè)計(jì)控制部分電路設(shè)計(jì) 3.4.1 at89c51

52、芯片簡(jiǎn)介 at89c51 是一種帶 4k 字節(jié) flash 存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能 cmos 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。 at89c2051 是一種帶 2k 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除 只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 atmel 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制 造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 mcs-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 cpu 和閃爍存 儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel 的 at89c51 是一種高效微控制器，at89c

53、2051 是它的一 種精簡(jiǎn)版本。at89c51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 外形及引腳排列如圖 3-13 所示 ： 圖 3-13 at89c51 外形及引腳 at89c51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié) flash 閃速存儲(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部 ram，32 個(gè) i/o 口線(xiàn)，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通 信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51 可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩 種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 cpu 的工作，但允許 ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器， 串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方

54、式保存 ram 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并 禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 引腳說(shuō)明 vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0 口：p0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 i/o 口，每腳可吸收 8ttl 門(mén)電流。當(dāng) p0 口 的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。p0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以 被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在 fiash 編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng) fiash 進(jìn) 行校驗(yàn)時(shí)，p0 輸出原碼，此時(shí) p0 外部必須接上拉電阻。 p1 口：p1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 口緩沖器能接收輸出 4ttl 門(mén)電流。p1 口管腳

55、寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1 口被外部下拉為 低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)，p1 口作 為低八位地址接收。 p2 口：p2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) ttl 門(mén)電流，當(dāng) p2 口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并 因此作為輸入時(shí)，p2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 p2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2 口輸出地址 的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

56、 進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，p2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2 口在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高 八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 p3 口：p3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 i/o 口，可接收輸出 4 個(gè) ttl 門(mén)電 流。當(dāng) p3 口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于 外部下拉為低電平，p3 口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3 口也可作為 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷 0） p3.3 /int1（外部中斷 1） p3.

57、4 t0（計(jì)時(shí)器 0 外部輸入） p3.5 t1（計(jì)時(shí)器 1 外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） p3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 rst 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ale/prog：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位 字節(jié)。在 flash 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale 端以不變的頻率周期輸出 正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí) 目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，

58、將跳過(guò)一個(gè) ale 脈沖。如想禁 止 ale 的輸出可在 sfr8eh 地址上置 0。此時(shí)， ale 只有在執(zhí)行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ale 禁止，置位 無(wú)效。 /psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周 期兩次/psen 有效。但在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當(dāng)/ea 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh） ，不 管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)，/ea 將內(nèi)部鎖定為 reset；當(dāng)/ea 端保

59、 持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 flash 編程期間，此引腳也用于施加 12v 編程 電源（vpp） 。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: xtal1 和 xtal2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振 蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，xtal2 應(yīng)不接。有 余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何 要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除 整個(gè) perom 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持

60、ale 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空 存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，at89c51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟 件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu 停止工作。但 ram，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和 中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 ram 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他 芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 3.4.2 晶振電路 晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱(chēng)晶振。在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián) 一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的 頻率是串