變頻控制系統(tǒng)單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)
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【關(guān)鍵詞】變頻控制;單片機(jī);外圍電路
本次設(shè)計(jì)采用選擇PHILIPS半導(dǎo)體公司帶手動復(fù)位功能的產(chǎn)品MAX708。MAX708還可以監(jiān)視第二個電源信號,為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能,利用此功能,系統(tǒng)可在電源跌落時到復(fù)位前執(zhí)行某些安全操作,保存參數(shù),發(fā)送警報信號或切換后備電池等。
另外,系統(tǒng)還擴(kuò)展了可編程外圍芯片PSD303。由于系統(tǒng)的 I/O口數(shù)量與實(shí)際所需數(shù)量還有很大的差距,故系統(tǒng)又?jǐn)U展了兩片8255A,一片用于接鍵盤和顯示電路,一片用于接觸發(fā)信號、緊急停車信號等。
一、鍵盤與顯示電路
在本次設(shè)計(jì)中,設(shè)置了一個9按鍵的操作電路,以代替實(shí)際現(xiàn)場的操作按鈕。6位的LED顯示電路用于顯示轉(zhuǎn)速、電流、以及調(diào)試時的相關(guān)項(xiàng)的顯示。
另外,為了便于現(xiàn)場工作之便,設(shè)置了5×4的矩陣式鍵盤,用于當(dāng)系統(tǒng)軟件等出現(xiàn)錯誤,而又不便直接對程序進(jìn)行修改時的調(diào)試之用。
二、變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代變頻技術(shù)中主要有兩種變頻技術(shù):交-直-交變頻技術(shù)和交-交變頻技術(shù)。交-直-交變頻技術(shù)為交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)提供變頻電源。交-直-交變頻的組成電路有整流電路和逆變電路兩部分,整流電路將工頻交流電整流成直流電,逆變電路再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。根據(jù)變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型和電流型變頻。
本次設(shè)計(jì)用交-交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié),而把電網(wǎng)固定頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變頻電路。這種變頻電路廣泛應(yīng)用于大功率交流電動機(jī)調(diào)速傳動系統(tǒng),實(shí)際使用的主要是三相輸出交-交變頻電路。這種電路的特點(diǎn):(1)因?yàn)槭侵苯幼儞Q,沒有中間環(huán)節(jié),所以比一般的變頻器效率要高;(2)有與其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡(luò)所構(gòu)成,因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低,輸出波形也好;(3)因受電網(wǎng)頻率限制,通常輸出電壓的頻率較低,為電網(wǎng)頻率的三分之一左右;(4)功率因數(shù)較低,特別是在低速運(yùn)行時更低,需要適當(dāng)補(bǔ)償。
三相變頻電路就較單相復(fù)雜,其電路接線方式主要有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出型聯(lián)結(jié)方式。具體說來,其主電路型式有:3脈波零式電路、6脈波分離負(fù)載橋式電路、6脈波非分離負(fù)載橋式電路、12脈波橋式電路、3脈波帶中點(diǎn)三角形負(fù)載電路、3脈波環(huán)形電路。
本次設(shè)計(jì)選用較為簡單的一種—3脈波零式電路。
三、同步電路設(shè)計(jì)
同步電路的功能是,在對應(yīng)的晶閘管承受正向陽極電壓的初始點(diǎn)(即控制角α的起算點(diǎn))發(fā)出一個CPU能識別是哪一相同步信號的中斷脈沖Utpi和要求的α角進(jìn)行延時控制,輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。三相同步電壓信號經(jīng)同步變壓器、濾波、穩(wěn)壓、放大和光電隔離后分別接至單片機(jī)的P2.5、P2.6和P2.7管腳。另外,由于此處直流電源和觸發(fā)電路中所用的電源不能共用,且光電耦合器輸入輸出端的地端亦不能共用,為了以示區(qū)別,它們的符號均有不同。
Ua、Ub、Uc 與可控硅組件的三相交流電壓同相位。Ua、Ub、Uc經(jīng)R3,C3濾波電路波形變換光耦隔離整形電路后輸出三相方波電壓,記為 KA、KB、KC,三相方波分別送給 80C196單片機(jī)的P2口的 P2.5、P2.6、P2.7端。CPU根據(jù)KA、KB、KC的值判斷三相交流電源的相位。
四、觸發(fā)電路
在設(shè)計(jì)中,三相電路中每相均有正反兩組晶閘管,每組均采用三相半波式接法,即每組用三個管子,所以一共有18個晶閘管,這樣,觸發(fā)脈沖也應(yīng)有18路。三極管V為輸出級功率放大晶體管;電容C為加速電容,與R構(gòu)成微分電路,可提高脈沖前沿的陡度;為兼顧抗干擾能力和脈沖前沿陡度,一般取C為0.1μF。為保護(hù)脈沖變壓器,在脈沖變壓器兩端并聯(lián)電阻R和二極管D的串聯(lián)電路,一般R阻值取為1K。電阻R為假性電阻負(fù)載。另外,為了隔離輸入輸出信號,加入了光電耦合器,考慮到應(yīng)有足夠的脈沖強(qiáng)度使晶閘管導(dǎo)通,輸出極電壓設(shè)為15V。在出發(fā)電路中,為了得到足夠的脈沖寬度,而且使脈沖前沿盡量陡,后沿下降快,故采用了脈沖變壓器T~T。另外,為了達(dá)到電氣隔離作用,亦加入了光電偶合器。再者,為便于單片機(jī)對觸發(fā)電路的控制,在同步變壓器1~18的輸入端,分別引入了緊急封鎖信號(由HSO.0 引入)和 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器信號,而多諧振蕩器的控制信號則由單片機(jī)的HSO.1 控制。這樣,當(dāng)電機(jī)輸入緊急停車信號時,單片機(jī)通過其 HSO.0 輸出高電平,這樣就使得觸發(fā)電路輸入端口的或非門被封鎖,也即封鎖了變頻裝置的觸發(fā)脈沖,使電機(jī)快速停車。
五、保護(hù)電路設(shè)計(jì)
為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性,在交流電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,都必須考慮到有發(fā)生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電力系統(tǒng)中,最常見和最危險的故障是各種形式的短路,其中包括三相短路、兩相短路、一相接地短路以及電機(jī)和變壓器一相繞組上的匝間短路,當(dāng)然也有其它形式的保護(hù)措施。具體保護(hù)形式有:電流型保護(hù),電壓型保護(hù)等。為簡單起見,這里僅采用電流型保護(hù)中的短路保護(hù)和過電流保護(hù),并在每個電機(jī)的定子輸入端均接入了正反向交流接觸器。另外,為防止意外情況的發(fā)生,引入了緊急停車信號,當(dāng)按下緊急停車按鍵時單片機(jī)通過中間繼電器關(guān)斷接觸器 KM2-KM8。
六、反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中引入了電流反饋。電流反饋采用三相交流互感器,經(jīng)三相橋式整流電路及濾波電路,最后經(jīng)限流、濾波及限幅電路反饋回單片機(jī)的 P0.1口。