单片机控制的三相全控桥式整流电路的设计

四川工程职业技术学院毕业综合实践报告（论文）PAGEPAGE1单片机控制的三相全控桥式整流电路的设计毕业综合实践报告（论文）学号：单片机控制的三相全控桥式整流电路的设计毕业综合实践报告（论文）学号：姓名：专业：指导教师：成绩：完成时间：四川工程职业技术学院摘要 2关键词 2第一章三相可控整流电路及晶闸管的介绍 31．1三相桥式整流电路晶闸管的特征 31.2三相桥式全控整流电路 4第二章80C51芯片介绍 72.1内部资源： 72.3单片机的复位 82.3时钟复位电路的选择 10第三章控制系统原理 103．1系统结构框图 103.2单片机I/O口分配表 113.3系统工作说明： 11第四章数码管显示电路 134.1LED数码管简介 134.2数码管在P0口的动态显示 15第五章晶闸管保护电路 195.1过电流保护 195.2晶闸管的过压保护 22总结 23参考文献： 24致谢 24附录1 251.2三相桥式全控整流电路1.三相桥式全控整流电路电阻性负载电路图如图1-2图1—2三相桥式全控整流电路原理图2.三相桥式全控整流电路晶闸管的选择（1）晶闸管额定电压UTN=(2~3)UTm=(2~3)×120=588~882V取UTN=800V（2）晶闸管的额定电流查表知K=0.367IT（VA）=（1.5~2）KId=（1.5~2）×0.367×37=20.4~27.2A取IT（VA）=50A故选Kp50-7晶闸管元件3．三相桥式全控整流电路原理分析（以ａ=0°时的情况为例）（1）负载波形分析如图1-3图图1—3三相桥式全控整流电路（带电阻性负载ａ=0°时的波形）（2）三相全桥在不同时段对触发脉冲的要求如表1-1所示时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UdUa–Ub=UabUa–Uc=UacUb–Uc=UbcUb–Ua=UbaUc–Ub=UcaUc–Ub=Ucb表1—1三相全桥在不同时段对触发脉冲的要求（3）脉冲时序图见1-4图1-4图1-4脉冲时序图第二章80C51芯片介绍2.1内部资源：一个8位的CPU4kbytes程序存储(ROM)128bytes的数据存储器(RAM)21个专用寄存器（SFR）4个八位的并行口P0、P1、P2和P3一个全双工串行通信口2个16位的定时器/计数器5个中断源图2-180C51芯片引脚图图2-180C51芯片引脚图2.2工作条件：1．电源：+5V直流电源。2．时钟：一般分为两种模式（内部方式和外部振荡方式）(1)内部振荡方式：在端子XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷振荡器。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。电路图见2-2（2）外部振荡方式：把外部的时钟信号引入单片机内。对于HMOS型芯片，外部振荡器的信号接XTAL2端，XTAL1端接地。见图2-3。（3）内部时间单位的计算方法：振荡频率fosc=石英晶体频率或外部输入时钟频率振荡周期=振荡频率的倒数1机器周期=12×1/fosc图2-3外部振荡方式图2-2内部振荡方式图2-3外部振荡方式图2-2内部振荡方式2.3单片机的复位（1）复位的方法：在RST引脚上加一个持续两个机器周期以上的高电平脉冲，就可以使单片机被复位。（2）复位的分类：上电复位和手动复位。a上电复位：接通电源后，自动实现复位操作。常用的复位电路见图2-4所示。图中电容C和电阻R构成微分电路，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。b手动复位：常用的手动复位电路图如2-5所示。上电后，由于电容的充电和充电和反向门的作用，使RST持续一段时间的高电平。但单片机在运行过程中，按下复位键后松开，也能使RST保持一段时间的高电平，从而实现复位。c采用专用的复位芯片MAX810复位：它可以在上电、掉电和节电情况下向微控制器提供复位信号。当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会发出复位信号，直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止。电路图见2-6。图2-5手动复位图2-5手动复位图2-4上电复位图2-6芯片复位电路图2-6芯片复位电路2.3时钟复位电路的选择在此次设计中我们采用的时钟电路为内部振荡方式，外接的石英晶体为12MHZ，可知其1机器周期=12×1/fosc=1us。复位电路为手动复位电路，在上电后，由于电容的充电和充电和反向门的作用，使RST持续一段时间的高电平。但单片机在运行过程中，按下复位键后松开，也能使RST保持一段时间的高电平，从而实现复位。第三章控制系统原理3．1系统结构框图单片机控制的晶闸管触发系统控制部分主要由80C51单片机、同步信号检测电路、触发脉冲电路、4×3输入键盘、LED显示电路部分组成，如下图所示，单片机通过检测电路获知同步信号，依据所要控制的三相全控整流电路的要求，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。（图3-1系统原理框图）（图3-1系统原理框图）3.2单片机I/O口分配表端口引脚名称作用P0P0.0-P0.7数码管显示输出P1P1.0-P1.7键盘输入控制角P2P2.6-P2.7数码管动态控制P2.0-P2.5六路脉冲输出P3P3.3同步信号输入表3-1表3-1单片机I/O分配表3.3系统工作说明：附录1给出单片机控制的移相触发脉冲控制系统电路图。单片机选用80C51，共有40个引脚，4KB内存。1．硬件说明（1）键盘：控制角输入P1口作为4X3键盘接口，其中用P1口的P1.0到P1.2口作为键盘的列输入口，P1.4到P1.7口作为键盘的行输入口。（2）数码管显示电路：检测到键入控制角之后，通过P0口对其进行动态显示。P2口的P2.7和P2.6分别作为动态显示的控制端。（3)同步环节：同步信号经限流电阻的保护作用，正弦同步信号经两个限制比较器输入电压的钳位二极管削波后，送入比较器后输出180°与电源相位相同的方波。输出波形见附录2。同步检测信号发生跳变时，信号以中断方式向单片机提供同步指令。（4）驱动隔离输出：P2端口的P2.0～P2.5(引脚21~26)分别用于输出三相桥式全控整流电路VT1～VT6的触发脉冲信号。6路脉冲信号经过放大和脉冲变压器进行电气隔离后输出，进而触发相应的晶闸管导通。（5）晶闸管保护：晶闸管的保护有过流保护和过压保护，将熔断器分别与6个晶闸管串联，当出现过流情况时熔断器断开，由此晶闸管得以保护。过压保护是通过在晶闸管两端并联阻容吸收环节，可以抑制电压上升率。对晶闸管进行过压保护。系统工作图见附录32．软件说明触发脉冲的控制可以通过软件进行延迟计算，由软件完成系统初始化、初值的输入和触发角度的计算并送入定时器，通过外部中断实现触发延迟角的处理。移相触发脉冲控制软件流程图如图3-2所示。初始化并设初值初始化并设初值输入触发角并计算送输入触发角并计算送入定时器等待外部中断信号在数码管上显示控制角等待外部中断信号在数码管上显示控制角YY输出触发脉冲输出触发脉冲图3-2图3-2软件控制流程图第四章数码管显示电路在传统的控制电路的基础上我们增加了数码管动态显示电路。当键盘输入相应的控制角时，可以通过数码管显示，这样更清楚的表示出当前电路的工作状况。使之和单片机控制的输出波形稳定，触发电路结构简单，控制灵活，精度高等优点相结合。在单片机应用系统中常用的显示器件有发光二极管（LED）、液晶显示器（LCD）和显示屏（CRT）。在这里我们选择数码管进行动态显示。4.1LED数码管简介1.数码管结构LED显示器是由发光二极管按照一定规律排列而成的显示器件，用来显示0～9、A、B、C、D、E、F及小数点“.”等字符。这种显示器有共阴极和共阳极两种组成形式，常用的八段LED显示器的内部结构和外端子排列见图4-1。图4-1图4-1数码管的内部结构和外端子排列2.LED显示原理在共阴极八段LED结构中，所有发光二极管的阴极接在一起形成公共接地端。当某段发光二极管的阳极接高电平时，则发光二极管导通点亮，这样，若干发光二极管点亮就构成一个字符。共阳极八段LED是把所有的发光二极管的阳极接在一起形成公共端，使用时公共端接到+5V，当某段发光二极管的阴极接低电平时，则该段二极管发光进行显示。二极管导通时用“1”表示，其余用“0”表示，这些1和0按一定顺序排列起来就组成了一个8位的二进制代码，这就是所要显示的字符的字型码。共阳极和共阴极数码管的部分字型码见下表类型0123456789共阳C0F9A4B0999282F88090共阴3F065B4F666D7D077F6F表4-1表4-1数码管的部分字型码3.数码管的显示类型在实际应用中，显示电路往往需要多片LED组成多位显示器，CPU就需要驱动多少位LED，此时有静态显示和动态显示两种显示方法。在我们的设计中要求0～90°的移相范围，所以我们要用两位的8端LED进行动态显示，下面简单介绍一下两种显示的实现方法。（1）静态显示：静态显示就是当显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。这种显示方法具有亮度高，显示稳定，控制方便等优点。但是每一位显示器都需要一个8位的输出口进行控制。但是在我们的设计中只能有一个8位的I/O口对数码管进行控制。如果采用静态显示则不能满足两位数字的显示要求，所以在这次显示设计中我们不采用静态显示。（2）动态显示：动态显示就是一位一位的轮流点亮（扫描）各位显示器，对于每一位显示器来说，每隔一定的时间导通一次。利用人眼的视觉暂留的特点造成多位LED“同时”显示不同字符的效果。如图4-3所示为一个两位的数码管，它进行动态显示的原理为：a首先点亮LED1使LED2熄灭,保持3ms左右,消隐；b再点亮LED2使LED1熄灭，保持3ms左右，消隐；图4-3动态显示接线方法c由此循环扫描。扫描完1次大约需要8mS(每一次消隐1mS),扫描周期为50HZ左右；又由于人眼的“视觉暂留”现象图4-3动态显示接线方法小结：静态扫描虽然有亮度高，显示稳定，控制方便等优点，在此次设计中我们需要显示的数码管有两位，如果采用静态显示所占的I/O口资源较多。所以我们选择了动态显示。4.2数码管在P0口的动态显示1.P0端口的介绍端口的每一位都有一个位锁存器（D触发器），一个输出驱动器（场效应三极管）和一个输出数据缓冲器。它有两种功能，一是作为外部地址/数据总线使用；二是作为通用I/O端口使用。当作为通用I/O端口使用时，是一个三态的I/O端口。如果是用作输出口，则需要外接上拉电阻才能驱动负载，而作为输入口时，必须保证P0端口锁存器的初始状态为1，否则在读操作之前，应先向P0端口锁存器写入1。P0口的内部结构如图4-4所示。所以当我们将P0口作为动态显示输出口时应注意要外接上拉电阻。图4-4图4-4P0口内部结构2.使用注意事项51的P0口内部没有上拉电阻，没有上拉电阻就不能提供电流，所以我们需要在外部接入上拉电阻。上拉电阻的选择与所选数码管的驱动电流有关。一般是1K到是10K不等的，若果需要的亮度大的话也可适当的减小上拉电阻的大小。也可根据实际需要来改变上拉电阻的大小。3.数码管的选择在这里我们选择了由深圳市晶美光电科技有限公司生产的，型号为03022A的共阴数码管。它的平均电流为4-5mA，峰值电流为100mA。表4-2为此二极管的相关极限电气参数。根据需要我们选择的上拉电阻为1K。表4-2数码管的电表4-2数码管的电气参数4.动态显示流程图：（以显示35为例）见下一页5.显示程序清单：见附录5送出需要显示的数字送出需要显示的数字35到某个存储单元选中LED1选中LED1将LED2置为1将数字35送到累加器A高四位清零，保留低四位查表将数字35送到累加器A高四位清零，保留低四位查表将数字3送到P0口并延时3ms将数字3送到P0口并延时3ms断码清0延时1ms消隐断码清0延时1ms消隐选中LED2选中LED2将LED1置为1将数字35送到累加器A低四位清零，保留低四位查表将数字35送到累加器A低四位清零，保留低四位查表将数字5送到P0口并延时3ms将数字5送到P0口并延时3ms高低半字节交换高低半字节交换循环循环断码清0延时1ms消隐断码清0延时1ms消隐第五章晶闸管保护电路晶闸管的保护电路，大致可以分为两种：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。另一种是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发系统使整流桥短时间内工作于有源逆变状态，从而抑制过电压或过电流的数值。5.1过电流保护1.过流保护的原因由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，温度就会急剧上升，可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或者开路。例如一个100A的晶闸管，它的过电流能力下表所列。这就是说，当100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏。由此可知，晶闸管允许在短时间见内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用在于当发生过电流时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元器件损坏。晶闸管的过载时间和过载倍数的关系过载时间0.025s5min过载倍数421.252.整流电路过流的分类晶闸管发生过电流的原因主要有两类：一类是由于整流电路内部的原因、如整流晶闸管损坏。触发系统或控制系统出现故障等；一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两对桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路而引起过流。第二类是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，（1）对于第一类过流，即整流桥内部引起的过流，可以采用接入快速熔断器的方式。见图5-1图5-1熔断器的接入方式图5-1熔断器的接入方式ⅢⅡⅠ三种类型的熔断丝的接入方法见表5-1ⅢⅡⅠ类型特点额定电流备注Ⅰ熔短器与每一个元件串联能可靠地保护每一个元件。IRN<1.57ITIT晶闸管通态平均电流Ⅱ能在交流直流和元件短路时起保护作用其可靠性稍有降低IRN<KCIDKC交流侧线电流与ID之比ID整流输出电流Ⅲ直流负载侧有故障时动作元件内部短路时不能起保护作用IRN<IDID整流输出电流表5-1表5-1熔断丝的接入方法注：系数Kc的大小在三相全桥带阻性负载时为0.818.带阻感性负载时为0.816（2）对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流则应当采用电子电路进行保护。（3）过电路继电器保护：在输出端（直流侧）装直流过电流继电器，或是输入端（交流侧）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定的时间，如果短路电流比较大，这种保护方式不是很有效。所以在此处不采用这种保护方法。（4）电流上升率di/dt的抑制：晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大然后以0.1mm/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面。若晶闸管开通时电流上升率di/dt过大会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感，如下图5-2。图5-2图5-2串联电感抑制回路3.过流保护器件的选择熔断器的电流额定应该尽量接近实际工作电流的有效值而不是按所保护的元件的电流定额（平均值）选取。在接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT=Id/=37A/=21A故选用RLS-50的熔断器，熔断电流为50A抑制电流上升率di/dt除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制du/dt相同的措施，其中电感可采用空心电抗器，其中L≧30uH。5.2晶闸管的过压保护1.过压保护的原因晶闸管耐过电压的的能力极差，当电路中电压超多其反相击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使晶闸管的特性下降。因此必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。2.晶闸管过电压的保护措施（1）晶闸管过电压的保护措施通常采用阻容保护。并接RC阻容吸收回路，利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这是过电压保护的基本方法。阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）、或则元件侧。（2）电压上升率du/dt的抑制：加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应有所限制,如果dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。抑制dv/dt可以在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路。见下图5-3：图5-3图5-3并联RC阻容吸收回路晶闸管保护电路图见附录43.晶闸管两端的过压保护的器件选择晶闸管：C2=0.2uF，R2=40Ω电容耐压≧1.5Vm=1.5××U2=1.5××120V=441V选C2JD-2型金属化介电容器，电容量0.22uF，耐压400V电阻功率：PR2=fcum2×10-6=0.95W取R2=43Ω，1W金属膜电阻总结本课题设计是基于MCS—51系列单片机80C51芯片为主的数字触发电路，在一个周期内准时发出六个脉冲分别触发六个晶闸管，比原来用模拟电路控制触发简单，稳定，抗干扰强。在工业生产中广泛采用作为整流、调压。很好的克服了传统的模拟晶闸管触发电路的很多缺点。随着电力电子技术的发展，在工业及民用上有极其广阔的应用，有很好的发展前景。经过这次毕业综合实践进一步加深了专业知识的综合运用能力，我学会了独立思考和用所学知识解决实际问题的能力。同时增加了查阅资料的技术。在和小组分工合作的过程中我学会了团队协作和积极主动的参与精神。当然在这个过程中也反应出了一些不足，如专业知识应用能力的欠缺、对所学知识的综合应用技巧的不足等。在以后的工作中我会有针对性的去克服这些困难，争取能有所进步和提高。参考文献：（1）赵殿甲.《可控硅电路》（修订版）冶金工业出版社（2）王兆安，黄俊.《电力电子技术》（第四版）机械工业出版社（3）刘全海，《电力电子技术》重庆大学出版社（4）樊明龙任丽静《单片机原理与应用》化学工业出版社（5）付植桐《电子技术》高等教育出版社（6）赵保金.《中国集成电路大全》国防工业出版致谢在毕业论文即将完成之际，首先我要感谢我们的指导老师赖诚。在这五周的毕业设计期间，赖老师对我们严格要求，给我们的设计提出了一些疑问，同时也提供了一些解决办法。正是因为这些提醒和指导，我们才能完成这个课题。同时还要感谢彭老师、雷老师、陈老师以及龚老师等几位老师给予的帮助与教导。各位老师都以他们深厚的理论知识以及实践经验，给予了我们很多的帮助。同时，我要感谢第三组的另两位成员XX同学和XXX同学。在课题设计期间，我们共同的克服了诸多的困难。XX在课题设计初期查阅了很多相关资料，提供了一些软件的使用方法，给我们的后续工作打下了坚实的基础，XXX同学用他娴熟的编程技巧将我们三个部分的程序进行综合。在此，我向他们表示深深地表示感谢。单片机控制的三相全控桥触发系统图附录1单片机控制的三相全控桥触发系统图附录2同步环节及输出波形（A点输入D点输出）同步环节及输出波形（A点输入D点输出）附录3系统工作图系统工作图附录4晶闸管保护电路

附录5晶闸管保护电路当按键输入相应的控制角并且确定后将其保存到某一个数据存储单元，这里以30H单元为例介绍两个数码管动态显示的程序。ORG0000HMOVP0,#0FFH;断码清零MOV30H,#78H;写入需要显示的数据到30H