基于AVR單片機的三相晶閘管觸發電路的研制

圖6所示為同步信號與觸發信號波形。

3 觸發延時時間與電壓的關系

3.1觸發角與輸出電壓的關系α

三相半控整流負載R上得的是脈動頻率為3倍電源頻率的脈動直流電壓，在一個脈動周期中，它由一個缺角波形和一個完整波形組成。當α=π／3時，Ud波形只剩下3個波頭，波形剛好與απ／3時的波形維持連續。于是可得當整流輸出電壓連續時(即帶電阻負載0≤α≤π／3時)的平均值為：

3.2觸發角α與延時時間的關系

設工頻電源1個周期T，理論上應為20 ms，但是，由于電網負荷的變化，經常出現周期不嚴格等于20 ms的情況。延時時間t與觸發角的關系為：

可見，電網的頻率變化時，要輸出α的觸發角，延時時間也要相應調整。本裝置充分考慮了因周期變化引起的觸發角的誤差，單片機測量上一個周波的周期，作為這個周波的周期。從式(3)也可以看出當電網電壓周期穩定時，延時的時間與觸發角成正比關系。

3.3延時時間數據的來源

可以根據需要獲取模擬數據或者數字數據，本裝置提供3種類型的數據接口。

1)模擬電壓輸入

Atmega16單片機性價比高，有8路10位A／D轉換器，從通道0輸入0～5 V電壓，對應180°～0°的相位角，也可以接個可調電阻調節0～5 V的電壓來改變相位角。在有些場合，需要三相觸發相位不相同，也可以通過改變跳線選擇3組模擬量輸入，通道0到通道2分別對應A、B、C三相的移相的相位角。

2)脈沖信號輸入

在需要現場隔離的場合，脈沖信號只需要一路數字量隔離就可以將模擬信號傳輸出去。單片機通過檢測輸入信號的占空比來確定移相的相位角。100％對應0°，0％對應180°。同上，也可以分別輸入3個脈沖信號來分別控制三相的觸發角。

3)異步串行數據輸入

在工業控制場合，大量使用RS-485總線，本裝置可以通過異步串行口將移相的相位角的數據送入單片機。

3.4線性化輸出電壓

從式(1)和式(2)可以看出，三相半控橋式整流的輸入電壓與輸出電壓不是線性關系。單片機有強大的計算能力，通過將輸入的模擬數據經過計算，轉換到另外一個角度值，可以做到輸出電壓與輸入電壓成線性關系。輸入信號與輸出電壓的數學模型如圖7所示。

如果將輸出的直流電壓引入單片機的A／D轉換器，將大大增加裝置的成本，將高壓信號引到主電路中也比較危險，器件容易損壞，調試也不方便。所以，這個系統為一個開環系統，控制的輸出不一定與輸入電壓成比例關系，有一點靜態誤差。但是可以加入一個非線性變換，通過調整，做到輸出電壓與輸入電壓成線性關系。

3.5誤差分析

前面提到過，在獲取正向過零時會有誤差，即得到的不是正向過零時刻。如圖8所示。

發光二極管導通需要一定的電流，在剛正向過零的一小段時間內，發光二極管還沒能夠導通，當電壓達到一定電壓值時才導通，在接近負過零的一小段時間內，電流過小，也不導通了，在負半周，由于二極管向，也不導通。用示波器測得，同步信號的占空比為54％，可見，下降沿不是過零點。

同步信號有誤差并不是一點意義也沒有，通過分析有誤差的同步信號，同樣也可以找到過零點。從測量到的數據分析，高電平比低電平多8％，說明二極管有28.8°的時間是因為電流過小而不能夠導通。那么，正向過零點應該在下降沿超前14.4°。

在計算觸發時間時必須考慮這個下降沿的滯后角。

由于這個滯后角的存在，不能夠移相0°～180°，對于單相觸發會有誤區，對于三相橋式整流來說就沒有。因為，線電壓過零點滯后相電壓過零點30°，而下降沿的滯后角一般小于30°。

4 裝置的測試

接好三相電源，負載為2只耐壓220 V的白熾燈串聯。通過調節A／D輸入口的精密可調電阻來改變輸入電壓，可以做到0～5 V的模擬量的輸入。調節電阻，燈泡的亮度改變，可知線路工作正常，用AVR單片機設計的電路可以代替TC787等芯片制作的觸發電路。

以下為A／D口的電壓與輸出的直流電壓的關系：

式中：VADC為A／D轉換后的電壓；Vin為被選中的A／D引腳的輸入電壓；Vref為參考電壓。

從以上數據可以看出輸出電壓與輸入電壓成線性關系。

5 系統的應用

采用單片機來控制可控硅的觸發，是可控硅應用的發展趨勢。本系統在實際應用中也已顯示出觸發精度高、可靠性高、易于調試、操作方便等優點。該觸發電路在實際應用中已成功觸發過100 A～400 A的晶閘管。