中频淬火电气控制系统设计毕业论文.doc

专 科 毕 业 设 计 第 59 页 共 页中频淬火电气控制系统设计毕业论文目 录1 引言12 总体方案设计思路43 总设计方案的确定53.1主电路的设计方案确定53.2控制电路的方案确定103.3保护电路的选择114主电路设计124.1主电路参数计算与设计125控制电路的设计165.1单片机的设计175.2调理电路的设计205.3驱动电路的设计205.4键盘及显示电路236温度控制256.1温度检测电路设计256.2冷却系统的确定277软件设计307.1主程序流程图307.2温度控制流程图317.3 A/D转换器程序32结论34致谢35参考文献36附录 程序清单38附图 总设计电路图 中频淬火电气控制系统设计1引言随着工业的发展，热处理是机械工业中十分重要的基础工艺，对提高机电产品内在质量和使用寿命，加强产品在国内外市场竞争能力具有举足轻重的作用。感应加热技术在汽车、拖拉机、发动机工业中得到广泛应用。感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料（即工件）的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈、交流电源和工件。根据加热对象不同，可以把线圈制作成不同的外形。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场，该磁场使工件产生涡流来加热。感应加热是伴随着汽车工业和拖拉机工业的诞生而起步的。由于其具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化等优点。感应热处理具有加热速度快、节约能量、不氧化脱碳、不污染环境以及生产效率高等多方面优点，这些优越性为热处理工作者广泛认同，因此近十几年来发展很快。当然这一实际需求，也大大促进国产感应热处理设备的发展和技术提升。中频淬火,就是将金属件放在一个感应线圈内,感应线圈通交流电,产生交变电磁场,在金属件内感应出交变电流,由于趋肤效应,电流主要集中在金属件表面,所以表面的温度最高,在感应线圈下面紧跟着喷水冷却或其他冷却,由于加热及冷却主要集中在表面,所以表面改性很明显,而内部改性基本没有。可以有很特殊的热处理效果3，3。淬火工艺主要在汽车、拖拉机、发动机工业中得到广泛应用。在汽车制造中有200多种，近50%重量的零件采用感应加热淬火，例如曲轴、半轴、凸轮轴、刹车凸轮、转向节、变速导块槽口、气门调整螺栓，进排气阀端头等。其中东风汽车公司半轴的横向磁场加热淬火是最具代表性的先进技术。利用横向磁场的矩形感应器实现了半轴表面和圆角的一次加热淬火，使生产效率提高数倍、半轴的抗弯扭疲劳强度提高10倍。具有故障报警、诊断功能、由计算机自动控制的半轴感应淬火自动生产线已多年稳定投入生产。我国汽车工业的感应热处理已达到国际先进水平。因此，对中频淬火进行研究将有重大的现实意义8，10。我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50 年代，感应加热技术几乎全来自前苏联和捷克等国家，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后，由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产了容量在几百kW，频率500 Hz8 kHz的中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8200 kHz之间的频率缺口。感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20 多年间我国在感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化，此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置（含电源）。粗分类有：各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频钎焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热公司，彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高（国内同性能产品大约是其价格的1/10)，这才使技术落后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”以浙江大学为中心源，从技术和人事关系上衍生出浙江、上海、江苏一带的感应电炉公司，其代表有振吴、四达、兆力等公司，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂（现西安鹏远重型电炉厂）所在地西安为中心，衍生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。仅西安市感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的中国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有西安电炉研究所、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意机电制造有限公司、西安动化、博大、秦翔、华立等电炉公司。感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，在2006年、2007年的年产值均在几千万至一个亿之间，而且产值逐年度快速递增。其中电炉所、海意公司、机电所、动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家。据证实，仅海意公司一家2006年就向俄罗斯，哈萨克斯坦等国出口2 t、3 t感应炉7台套。为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体，即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，余下小功率分配给保温炉。两台炉的功率可自由互补的调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时将小功率输出到两台炉体用以保温。市场上称这种电源为DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上的，前端电路是可控或不控的三相整流电路；中间是直流电路，由电容进行滤波；后端电路由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路输出频率和功率可各自调节的中频电压。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，也有选IGBT的，这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。这里特别要说明的是“一拖二”变频电源在国外主电路有两种形式：美国应达、比乐电炉公司开发的为串联谐振的“一拖二”；德国容克、ABP公司生产的是并联谐振的“一拖二”。单机容量功率一般在MW到10 MW。“一拖二”电源尽管市场需求量不大，但很有卖点，是代表感应电炉公司电源开发能力的标志。近年来，国外感应加热公司的一些新产品，例举如下：(1)德国SMS Elotherm 公司（原AEG-Elotherm 公司）是国际上著名的感应加热设备制造商，我国进口的曲轴旋转淬火机床，从1966年半自动浸液式曲轴旋转淬火机开始 全自动曲轴淬火机 柔性全自动曲轴淬火机等，加上通用淬火机床有数十台之多。最近该公司又推出具有自动更换感应器的柔性曲轴淬火机，使设备更便于调整。(2)美国应达公司近年推出固定加热曲轴颈淬火机床。它首先是功率高、时间短，工件不转动；其次淬火与回火工序在一台设备上进行，称为Sharp-C工艺。其感应器是分合型的，但不接触。(3)美国Welduction公司前几年推出半环锁相工艺（SemiCycle Phase Locked），其感应器是特殊的，不但用于曲轴，并且用于凸轮轴等工件。上述列举的一些新产品，国内应奋起直追，开发出高水平的产品。此外，在冶金工业，大功率的厚板感应加热装置等，目前仍依赖进口，国内应该进行开发，改变众多企业集中、重复在汽车工业、机械行业这一领域的现状。总之，淬火技术的应用范围十分广泛，对工业发展起到很大的推动作用，工业中的各个领域都离不开淬火工艺的支持。2 总体方案设计思路晶闸管变频电路可以分为两大类：交-交变频电路和交-直-交变频电路，前者的特点是将50HZ的工频交流电变为一定频率的中频交流电，没有中间直流环节。这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。交-直-交变频电路的特点是有中间直流环节，通过整流电路先将工频交流电先整流成直流电，再通过逆变电路将它变成一定频率的中频电。这种电路具有结构简单，调试方便，运行可靠，效率高等优点，目前国内外应用较多。本设计主电路采用交-直-交电流型变频器，逆变器采用电流型并联谐振（8000HZ），控制电路以单片机为中心，通过传感器控制工件的加热温度和通过驱动电路为整流和逆变的器件进行触发导通。如下图2.1所示：三 相全 控整 流滤波电 路单相逆 变负载AT89C51单片机驱动电路驱动电 路LED显示传感器A/D键 盘图2.1 中频淬火设计框图图2.1为中频电源主电路的框图。整流部分将工频交流电整流成脉动的直流电可以通过调节晶闸管的触发角来调节直流电压，从而调节负载电流，并用大的电感来将直流电流滤成比较平滑的波形。逆变部分是将直流电逆变为交流方波，并送入负载电路。负载电路是由感应器和电容器组成的并联谐振电路对工件进行加热。逆变电路输出的中频电流的频率受触发脉冲的控制。当频率接近并联电路的谐振频率时振荡电路阻抗很小，发生谐振，方波在并联振荡电路谐振的作用下波形变得接近正弦波。3 总设计方案的确定晶闸管中频电源主电路从原理上分为整流和逆变两部分。本文主要从这两点分析中频感应电源的工作原理，整流、逆变的工作过程。确定整体方案。3.1 主电路的设计方案确定主电路由整流、滤波、逆变、负载四部分组成，采用交直交变频电流谐振电路。它具有接线简单、输出频率任意可调、功率因数高等优点3。如图3.1图3.1 主电路设计3.1.1 整流电路的设计整流，就是把交流电变为直流电的过程。其利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流电路有多种分类方法，按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。单相可控硅整流电路虽然简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。这种电路还会导致三相电源的不平衡对电网波形的影响较大，所以只用在小容量的设备中。当整流负载容量较大或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。以及六相、十二相脉波可控整流电路等。三相半波可控整流电路与单相电路相比较，整流电压脉动又要较小些，而且三相负载平衡，电路比较简单，在一定范围内得到广泛应用。但该整流电路变压器二次电流中含有直流分量，且每相只有1/3周期导电，利用率低。所以较大功率的三相整流电路常常采用三相桥式整流电路。目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。这种电路在一个周期的换相次数比三相半波整流电路多一倍，即换相六次。整流变压器二次电流中不含有直流分量，利用率高。且这种整流电路的滞后时间为3.3毫秒，为三相半波整流电路的一半。三相桥式全控整流电路大多用于阻感负载和反电动势阻感负载供电4。此外，还有六相整流电路，十二相整流电路等。它们的技术性能要比三相桥式的好，但它们用的晶闸管数量多，投资也多，经济性差。综上所述，三相桥式全控整流电路较其他几种电路更符合本设计系统的要求，所以本设计采用三相全控整流电路。图3.2 三相全控整流电路 整流电路的组成见图3.2，图中Ld为滤波电感，Rd是电源负载的近似等效电阻。现对全控整流桥的工作过程进行分析。 三相桥式整流电路在正常工作时，控制电路按给定的控制角，依次按照T1-T2-T3-T4-T5-T6的顺序分别向六个晶闸管发出触发脉冲，脉冲的相位依次相差60度。晶闸管在承受正向压降且有触发脉冲的情况下导通，在承受反向压降的情况下关断。由于触发脉冲与三相电压配合，使整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，电源形成导电回路，负载上的电压即为两相之间的线电压。三相的线电压经过倒换，依次在一个周期内六次加在负载上，形成脉动的直流电压。由于滤波电感很大，在任何控制角下晶闸管的导通角都是12014。3.1.2 逆变电路的选择逆变电路将直流电逆变成所需的交流电，提供给负载使用。当交流侧接到电网时为有源逆变电路，当交流侧直接和负载相连时为无源逆变。因课题要求交流输出直接接负载，所以这里是无源逆变。感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式(电流型)电源和串联谐振式(电压型)电源。并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压角。 并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。(6)串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，本设计决定采用电流型并联谐振逆变器。如图3.3。图3.3 逆变电路3.2 控制电路的方案确定控制电路关系着整个系统工作的稳定性和可靠性，是该产品品质好坏的重要凭证，所以控制电路的选择至关重要。单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展，目前己渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎无处不在。单片机最早是以嵌入式微控制器的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在。单片机具有强大的信息采集和处理能力，完全能够胜任该系统所需，所以本方案采用单片机作为控制电路的核心。为使整流电路正常工作 ,且能平稳调节输出功率 ,要求单片机能对晶闸管进行准确触发。因此，单片机必须确定出交流电压的零点，以此找到=0的点，进而判断等于其它值时所对应的位置，这就需要一个过零检测电路，在每一个输入电压等于零的点都给单片机一个信号，供单片机判断使用7。此外，当负载两端出现过电压或过电流的状况时，还需单片机能及时动作，保护负载，这就需要电压及电流互感器对负载电压和电流进行采集，经A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，以供单片机进行分析判断，决定是否动作。若没有出现过压或过流的情况，则单片机仍按原程序进行；若出现了过压或过流的情况，单片机接到信号以后停止对整流电路的触发，关断主电路，同时启动报警电路，提示用户已出现电压或电流故障，请采取相关措施8。为了方便用户根据实际情况选择适当的输出功率，键盘显示电路也是必不可少的部分。这样，用户可以通过显示器知道当前输出功率的大小，判断是否有必要调节，如有需要，通过键盘就能方便进行，使得该产品更加人性化。本次设计的主控制芯片ATP89C51是8 位80C51 单片机的派生产品，它们在完全保留80C51 指令系统和硬件结构的大框架外，进行了多方面的加强、扩展、翻新和创新，在最大限度地利用原有的结构的方方面面，可以说做到了淋漓尽致10，14。ATP89C51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。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，故本设计选用此芯片。3.3 保护电路的选择中频电源起动、运行过程中, 由于负载短路、逆变电路换流失败等原因易造成三相全控桥经直流平波电抗器短路,此短路电流既流经整流电路也经逆变电路,对整流、逆变部分的晶闸管形成威胁,为使中频电源可靠运行, 还必须使电流、电压准确地限定在允许值上。因此必须设置有效的保护电路。常用的中频保护电路有过电流保护电路、过电压保护电路、网侧短路保护及晶闸管的过电压保护等。3.3.1 过压保护在装置中可能发生的过电压有两种情况：外因过电压和内因过电压。外因过电压主要来自雷击或者是系统中的操作过程等外部原因，主要包括：操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自装置内部的器件开关过程。主要包括换相过电压和关断过电压。过压的保护电路多种多样，目前比较常用的作法是在晶闸管两侧并接过电压阻容电路,利用电容两端电压瞬时不能突变的特征, 吸收过电压, 而电阻的作用一是阻尼LC 电路振荡, 二是限制晶闸管开通损耗和电流上升率。一般采用无感电阻。其连接方式见图3.4。 图3.4晶闸管过压保护3.3.2 过流保护当装置发生故障或运行不正常时，可能会发生过流。过流分为过载和短路两种情况。在中频熔炼炉使用中,晶闸管装置出现的误导通或击穿,或逆变失败,会导致流过整流元件的电流大大超过其正常工作电流,即产生所谓过电流。过电流保护的任务,就是当电路一旦出现过电流,能在元件未烧毁之前,迅速地把过电流现象消除.采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较常用的措施。这里选用快速熔断器作短路保护（见图3.5），过载保护用软件实现。当系统发生短路时，电流急剧增大，快速熔断器马上熔断电路断开。图3.5 快速熔断器3.3.3 水冷系统实际的系统中冷却装置必不可少，中频感应炉一般采用水冷。水冷系统主要由多路进出水管组成，分布在系统的各个部分，对系统进行散热。要经常检查水管是否扎节牢固，及时清洗水管内壁的水垢，以保证足够的水流量，对老化以及有裂纹的水管要及时更换，冷却水池的脏要及时清除，避免堵塞水管。4 主电路设计主电路由整流电路、逆变电路、负载三部分组成，其结构如图。整流滤 波 器逆 变 器负 载图4.1 交直交变频主电路框图电路中的整流器采用三相桥式全控整流电路，逆变器采用单向桥式逆变电路，负载为并联谐振形式，直流滤波环节为大电感滤波，以满足并联逆变器的输入要求。4.1 主电路参数计算与设计本设计采用三相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担。根据设计要求：额定输出功率P= 160KW，输出频率f=8000HZ，进线电压UIN=380V，取逆变器的变换效率=0.88。4.1.1 参数计算(1) 功率计算额定状态下不计谐波损耗时负载的输入功率为: （4.1）假定逆变器的效率为用表示，那么逆变器支流输入的功率为 （4.2）一般逆变器的效率较高，取= 0.88代入（4.2）得= =206.61(KW) （4.3）（2）电压计算 整流输出直流电压为V整流侧输入的交流电压有效值(相电压)为 （4.4）其中为整流器晶闸管的移相控制角。取，代入（4.4）得(V) （4.5）（3）电流计算输入逆变器的直流电流为= 516.525(A) （4.6）整流器交流侧输入的交流电流有效值为=0.816=0.816516.525=421.48 (A) （4.7）4.1.2 元件的选取(1) 整流变压器TR变压器的副侧计算参数：V， =421.48 A考虑电压波动，实选参数：V =430 A所以，变压器的容量为 S=3=3180430=232.2 (KVA) （4.8）此时，变压器副侧线电压有效值为 =180=311.76 (V) （4.9）实选整流变压器TR： S=300 KVA，接线。(2) 整流器晶闸管VT（a）额定电流按照三相桥式整流电路与之间的计算公式有 （4.10）其中是考虑过载等的安全系数，取=2.5 代入（4.10）得 （4.11）（b）电压计算 三相桥式整流电路中晶闸管的耐压指标是按下式计算的 （4.12）其中为安全系数，一般取，这里取，代入（4.12）得 （4.13）实际选取整流晶闸管KP500 A，2600V.普通晶闸管六只。(c) 平波电抗器的电感量对三相桥式整流器由参考文献查得计算的公式为 （4.14）其中为电流脉动系数，一般取0.050.1，这里取为整流器输出电流的最低谐波频率，取=300HZ将=400 V，=180 V，=516.525 A代入（4.14）得= =5.1(mH) （4.15）电抗器的额定电流为，饱和电流按下式计算A，其中，是饱和电流系数，取1.1则 =1.1516.525=568.18 (A) （4.16）4.1.3 逆变器参数计算（1）IGBT的选择 （4.17）其中 (V) （4.18）如果取电压的安全裕量为1.5，则可选正反向峰值电压为1200V的晶闸管一个作为逆变器的一个臂.IGBT的电流定额已知逆变器的输出功率为P=160kw,则负载电流有效值为,其中为逆变器的效率,其值取为0.88,则 =400.1 (A) （4.19）由于是三相桥,故流过IGBT电流的有效值为=282.9 (A) （4.20）所选IGBT电流的平均通态电流可按下式计算，其中（考虑过载、浪涌等安全系数） （4.20）所以可选择(A)的IGBT。（2）限流电抗器经验公式 （4.21）其中如果，则 （4.22）取因而 （4.23） 25.8可得 （4.24） （3）负载补偿电容器(a) ，取，补偿负载的无功功率为，满足换流须要的无功功率为 （4.25）电容器应提供的全部无功功率为 （4.26）(b) 保护电路参数计算进线阻容吸收保护的参数计算与元件选取： ，按工程计算，查手册而来，在星形联结的三相电路中， （4.27） （4.28） （4.29）整流器交流侧输入线电流有效值（A）整流器交流侧输入相电压有效值（V）电网那个频率变压器的空载电流标幺值。一般取0.020.05，这里取0.02。将=421.48A，=177V, =50HZ代入得=10000=9.5() （4.30）=0.3=6.6（） （4.31）=6.6=29.27 (w) （4.32）电容器的耐压值应大于=（V） （4.33）实选电容器C：10,500V实选电阻器R：7，30W系统过流保护快速熔断器保护 熔体的额定电流为 （4.34）为安全裕量，为系统过载倍数，取=1.1，=1.2 代入=421.48得 （4.35）实选熔体额定电流为556.35 AVT，VD的换相过电压阻容吸收保护整流侧晶闸管的换相过电压阻容吸收保护按工程计算方法，查手册有 （4.36） （V） （4.37）（） （4.38）(W) （4.39）其中为晶闸管的额定电流，是整流输出电压的平均值，代入，则 （4.40） （4.41） （4.42）取 （4.43）实选， ，逆变侧晶闸管的过电压阻容保护吸收R，C 由于整流侧和逆变侧有相同的额定电流，所以也取=1.5。的取值按照下式计算=（2 4）=（2 4）=3.57 7.14 （4.44）实选：1.5，1200V（在上乘以22.5）；：，3W。5 控制电路设计5.1 单片机设计作为控制部分的核心，单片机的选择很重要，而且有必要对它作一定的了解。单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。单片机最早是以嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在5。目前世界上有很多单片机制造公司，如美国的INTEL. ATMEL, MOTOROLA和ZILOG公司;德国的SIEMES公司;荷兰的PHILIP公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中INTEL公司推出的一种高性能8位单片机MCS-51系列单片机以优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占领了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。本设计中采用Intel（美国因特尔）公司的MCS-51系列的AT89C51单片机。控制电路由MCS-51单片机、过零检测、驱动电路、调理电路、时钟电路、A/D转换器、键盘显示器组成。如下图所示：驱动控制过零检测键盘控制温度显示单片机数据采集主电路时钟电路图5.1 控制电路框图单片机选用AT89C51,扩展一片24C256（用作键盘接口）和一片74HC138（用作显示器接口和三个LED灯）系统时钟电路和看门狗电路。键盘与显示器是人机联系的接口，键盘由10个数字键和6个命令键组成，供操作者输入命令和参数。显示屏由四片LED段显示器和三个LED灯组成。四片显示器用来显示温度，三个LED灯用来指示启动、加温、冷却、结束。一个命令键用于选择淬火温度，另3个键分别为自动、启动、停止键。过程量通道I/O包括包括模拟量输入，执行信号和开关量的输出。温度检测时通过以下过程来完成的；从被加热工件辐射出来的光，经过WDL-2型光电温度计进行光电耦合，产生一个电信号；再经过信号调理电路进行放大滤波，然后通过A/D转换器至CPU进行数字处理、标度变换，最后输出并显示温度11，15。5.1.1 芯片的功能引脚介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，如图5.2所示。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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。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。AT89C51的芯片管脚图如图5.2。图5.2 AT89C51的结构VCC：供电电压。GND：接地。1) 数据地址口功能介绍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P1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。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/：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，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。：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，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，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。2) 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。3) 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。5.1.2 A/D转换器设计单片机只能识别数字信号，这就要求我们把采集的信号都要转换成数字的。ADC0809是广泛使用的模/数转换器。A/D转换电路是数据采集系统的核心电路。目前A/D转换电路的种类繁多，但大量投放市场的单片集成或模块A/D按其转换原理主要分为逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器转换精度高，抗干扰能力强、价格低，但转换速度较慢;并行式转换器速度快，但价格高;逐次逼近式A/D转换器，转换精度较高、速度快，大约在几微妙到几百微妙之间，但抗干扰能力相对弱。总的来讲逐次逼近式A/D转换器的性价比最高，应用最广泛，国内使用较多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801-ADCO805及ADC0816/0817和AD574等，本系统选用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模数转换芯片。A/D转换器的主要技术指标为:1)分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量，习惯上以输出的二进制位数或BCD码位数表示。2)量化误差由A/D转换器的有限分辨率而引起的误差。3)转换精度反映一个实际A/D转换器在量化值上与理想A/D转换器的差值。4)转换速率指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。AD0809的技术指标：1）分辨率 8位；2）总的不可调误差 1/2LSB；3）第一电源 5V；4）温度范围 -40+85；5）低功耗 15mV-W；6）变换时间 100S；7）按比例操作，或参考电压接直流5V，或接可调的模拟电压。本设计主要是将负载的温度模拟信号转换为数字信号送给单片机，以达到对淬火加热温度的控制。在可不采用外部总线结构的单片机系统中（如由AT89C51组成的系统）。ADC0809的数据线直接与单片结构的P0口相连，并由单片机的P0口直接对ADC0809进行控制。5.1.3 时钟电路的设计单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图5.3所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图5.3中外接晶体以及电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30pF左右，晶振频率选6MHz13。5.1.4 复位电路的设计为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(I/O)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H, SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的20。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图5.4中R1和C3组成上电复位电路，其值R取为1K , C取为1F。 图5.3 时钟电路 图5.4 复位电路5.1.5 看门狗电路设计看门狗电路主要是对主单片机AT89C51的保护，它能使CPU从死循环和弹飞状态中进入正常的程序流程。可以用来增强系统的抗干扰能力。软件抗干扰属于单片机系统的自身防御行为。如图5.5。图5.5 看门狗电路设计电路中芯片MAX813有以下四种功能；1在微控制器上电、掉电或电压降低时产生复位信号；2独立的看门狗输出端，当1.6秒内看门狗输入端没有触发时，输出端将变为低电平即产生复位信号3监视电源电压和电池电压是否降到1.25伏以内；4具有低电平手动输入端。在设计中其7脚接单片机的9脚，6脚接单片机的15脚，2脚和3脚分别接电源和地。其工作电源电压为1.0到5.5伏阙值电压为4.65伏看门狗电路主要特点：1) 复位信号在电源电压低至1.2伏时仍然有效。2) 精确的电压监测功能。3) 200毫秒复位信号宽度。4) 独立的看门狗电路（1.6秒延时）。5) 提供电源掉电或电池电压过低报警功能。综上所述，此看门狗电路对单片机的保护很可靠，并且电路线路简单，所以本设计中用此电路来保护了单片机AT89C51。5.1.6 报警电路设计当主电路的负载端出现过电压或过电流的情况时，单片机除了停止触发脉冲外，还应有报警电路来提示人们采取相应措施。图5.6是一种报警器的电路，它由单片机的I/O口控制蜂鸣器发出报警声音，对单片机复位以后可使其停止蜂鸣15。 图5.6 报警电路5.2 调理电路的设计信号调理电路的功能是将传感器采集的非电量信号经过调理后变成可以测量的数字信号。如图5.7。图5.7 调理电路5.3 驱动电路的设计电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现