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1、三相晶闸管温控器的设计与研究摘要由于普通的晶闸管只具有控制导通的能力，并不具有自主关断的能力，它的关断需要依靠外部电路创造一定的条件，应用在斩波控制中时，需要有辅助关断的电路，这使电路的结构变得更加复杂，同时也降低了装置的可靠性。因此在晶闸管出现后又陆续研究发展了具有能自主控制导通和关断能力的电力电子器件，如电力晶闸管、可关断晶闸管、电力电子效应管、IGBT等一系列可以控制导通和关断的电力电子器件系列。现在的电力电子器件正在不断地研究发展中，制造工艺也在不断的改进，一些性能不高的器件逐渐被淘汰，如电力晶闸管已经基本淡出市场，场控晶闸管也已经停止了继续研发，高耐压、高频、大电流、易驱动、低损耗的
2、电力电子器件的研发已成为主要的发展方向，并且电力电子器件的模块化、集成化和智能化也成为器件生产制造的趋势。模块化是将多个电力电子器件组成的电路封装到一个模块中；集成化是将功率模块和驱动、检测、保护等功能集成而为一，使器件使用更方便安全。关键词：温控器；三相全控；晶闸管；调压AbstractAs the ordinary thyristor conduction only have the ability to control, does not have the ability to self-shutdown, and its need to rely on external circuit
3、ry off to create certain conditions, when used in the chopper control, the need for auxiliary shutdown Circuit, which makes the circuit structure becomes more complex, but also reduces the reliability of the device. So then after another study appeared in the SCR have developed self-control can turn
4、 on and turn-off capability of power electronic devices, such as power thyristors, GTO, power electronic effect tube, IGBT and a series can Turn-on and off control of power electronic devices series. Now the power electronic devices are constantly in research and development, manufacturing processes
5、 are constantly improving, some performance is not high, the device is gradually phased out, such as power thyristors has been basically out of the market, field control thyristor has ceased to R & D, high voltage, high frequency, high current, easy to drive, low-loss research and development of pow
6、er electronic devices has become the main direction of development, and modular power electronic devices, integrated and intelligent devices have become the trend of manufacturing . Modular is composed of multiple power electronic devices in a circuit package module; integrated power modules and dri
7、ver is, detection, protection and as a functional integration, more convenient and safe to use the device. Keywords： Thermostat; Three Phase; Thyristor; Regulator目录1 绪论11.1引言11.2 选题背景及目的11.3 晶闸管温控器的发展状况和趋势21.4 课题的主要工作22晶闸管温控器的总体设计42.1 晶闸管温控器的控制思想42.2 触发脉冲输出设计思路42.3 总体方案的设计53 晶闸管温控器的系统设计63.1电源模块部分的设计
8、63.1.1电源模块的设计思想63.1.2 稳压电源电路及工作原理73.2触发电路模块设计93.2.1 触发电路的设计思想93.2.2 触发脉冲产生电路103.2.3 同步信号的触发电路103.2.4 晶闸管移相触发专用集成电路特点133.3.5 触发变压器的设计与实现153.3控制模块设计163.3.1 PID控制模块的设计思想163.3.2 PID控制电路及工作原理164 实验数据测试及结论分析194.1 实验数据测试194.2 晶闸管温控器的运行保护方式234.3 实验调试及注意事项24结 论26致 谢27参考文献281 绪论1.1引言 在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅，英文缩
9、写SCR）被广泛用于各类生产部门，正在成为自动化、高效化不可缺少的装置。在最新的温度控制中晶闸管的利用明显的普及起来。但在国内对其有不同的叫法，如晶闸管调整器、可控硅调整器、晶闸管控制器、可控硅控制器、晶闸管调压器、可控硅调压器、晶闸管调功器、可控硅调功器、调压器、调功器、晶闸管交流电力控制器、可控硅交流电力控制器 、电力调整器、电力控制器、电压调整器、电压控制器等。 在实际工作和科研中，许多实验均需要用加热器来加热实验对象，使其达到并保持某一设定温度，而且在实验过程中，对象的温度时常需要不断地调节。常用的调节方法有继电式调温、调压器调压调温和电子式(多用晶闸管)调压调温等几种。继电式调温依靠
10、继电器的频繁切换来保持温度，它的温度调节比较粗略，响声大，使用寿命低。调压法调压的特点是对电网电压影响小，但比较笨重，调节粗糙。而晶闸管调压调温的特点是体积小，无噪声、调节方便，但它会对电网会产生一定影响。晶闸管温度调节装置适用于各种需要频繁调节温度的场合，随著电子器件的不断发展和成熟，高性能和低价位使其逐步取代了笨重的调压器和继电器。随着控制电路的愈加多样化，如何使其在满足性能要求的前提下使线路变得更简单更可靠，是今后需要研究和改进的主要方向1。本文将对利用晶闸管设计的温度控制电路做具体的介绍和分析。1.2 选题背景及目的 可控硅温度调节装置适用于各种需要频繁调节温度的场合。随著电子器件的不
11、断发展、成熟，高性能和低廉的价格使其逐步替代笨重的调压器和继电器,控制电路的开工可以多种多样，如何使其在满足性能要求的前提下。线路变得更简单更可靠、是今后需要研究和改进的方向。随着工业技术的飞速发展,可控硅在调压、调速、调光、温控、充电等方面的应用越来越普遍。在三相电路中,目前国内外一般都使用三个以上的可控硅控制。可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小、质量轻、效率高、寿命长、动作快以及使用方便等优点。目前，交流调压器多采用可控硅调压。可控硅在建材工业自动控制系统中应用广泛，如玻璃厂自动配料系统对电子秤给料机的控制也采用可控硅控制。普通晶闸管(VS)实质上属于直流控制器件。要控制交流负载，
12、必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。而这些可控硅均要求触发信号同步调节,连接相位方式有严格的要求,触发系统较为复杂,调整技术要求较高,可靠性较差,因此希望通过本次研究能够找到一种性能良好的控温电路。1.3 晶闸管温控器的发展状况和趋势 由于普通的晶闸管只具有控制导通的能力，并不具有自主关断的能力，它的关断需要依靠外部电路创造一定的条件，应用在斩波控制中时，需要有辅
13、助关断的电路，这使电路的结构变得更加复杂，同时也降低了装置的可靠性。因此在晶闸管出现后又陆续研究发展了具有能自主控制导通和关断能力的电力电子器件，如电力晶闸管、可关断晶闸管、电力电子效应管、IGBT等一系列可以控制导通和关断的电力电子器件系列。现在的电力电子器件正在不断地研究发展中，制造工艺也在不断的改进，一些性能不高的器件逐渐被淘汰，如电力晶闸管已经基本淡出市场，场控晶闸管也已经停止了继续研发，高耐压、高频、大电流、易驱动、低损耗的电力电子器件的研发已成为主要的发展方向，并且电力电子器件的模块化、集成化和智能化也成为器件生产制造的趋势。模块化是将多个电力电子器件组成的电路封装到一个模块中；集
14、成化是将功率模块和驱动、检测、保护等功能集成而为一，使器件使用更方便安全。相应的，晶闸管温控器也越来越向模块化、集成化、智能化以及数字化发展。1.4 课题的主要工作 本设计在前人研究设计的基础上，使用理论知识与实际控制过程相结合的研究设计方法，采用PID控制规律，通过控制主电路中晶闸管的触发导通、关断和导通时间长短，从而控制温度的变化。本次试验是以晶闸管温控器的控制电路为主要研究对象，将其分为多个模块进行分别研究，通过比较不同的实现方法找出最能满足试验要求的设计方法。 设计过程中尽量将客观因素考虑进去，采用多种保护电路的技术，确保试验顺利完成。本论文设计的四个模块分别是直流电源模块，同步模块，
15、脉冲生成模块，PID控制模块。2晶闸管温控器的总体设计2.1 晶闸管温控器的控制思想 把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。通过控制加在晶闸管控制极触发脉冲的触发时刻(即触发角的大小)即可实现加热功率或温度的调节。在每半个周期内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便调节输出电压的有效值。将此电源施加在加热管上，就可以改变加热功率，即加热温度。这种调压控制方法可以实现0V380V的电压变化，也就可以实现加热功率从0kw到最大加热功率，从而实现温度无级连续可调。2.2 触发脉冲输出设计思路 本设计的触发脉冲移相是以三相的自然换相点为基准的，三相电源U、V、W输入
16、经过两两相减并整流以后得到周期为20 ms、相位差为120的三路方波A、B、C(如图2所示)，作为顶层模块的同步输入。分析触发脉冲可以发现，不管移相触发角为多少，以A相的过零点作为同步点，则从同步点开始的一个周期360内，必然产生6次输出脉冲。本设计采用双窄脉冲，每次有两路输出。6个晶闸管的触发分别由A、B、C的正、负电平周期内进行延时。例如：A的正电平周期内，以图2.1 三项全控桥整流电路A的上升沿为起始点，经由移相角决定的延时后，发出VT1的触发脉冲；在双窄脉冲应用中，同时发出VT6的触发脉冲。2.3 总体方案的设计 1. 方案一：三相全控可控硅调压调温电路 此设计是针对工厂应用的三相电所
17、设计，由三个TCA785P芯片对三相电进行有规律的触发，而其导通时间是由PID控制环节提供，系统的方框图如下所视，温度测量量量量加热器市电压可控硅 温度给定移相控制触发电路 图2.2 温控电路结构框图 2方案二：家用简易可控硅调温调压电路 图2.3所示为简单的可控硅调压调温电路： 在下图所示电路中,采用R,RP,C,D组成脉冲形成网络触发双向可控硅VT，使VT在市电正负半周均保持相应正反向导通。调节RP阻值，即可改变VT的导通角，达到调节负载RL上电压的目的。可用于家庭台灯调光、电熨斗、电热毯的调温及电风扇调速等。虽然此电路结构简单，容易制作，且去掉了笨重的变压器，但是应用场合比较局限，只能用
18、于家用的小型电器，对于一些对稳定性和精确度要求较高的场合比较不适用。图2.3 方案一原理图3 晶闸管温控器的系统设计3.1电源模块部分的设计3.1.1电源模块的设计思想 电源是各种电子系统与设备的源动力，电源系统出故障，会使整个电子设备不能正常工作，因此电源性能的好坏直接影响到系统与设备工作质量和效率。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源。 按调整元件工作状态直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。小功率电源多用线性稳压电路，其中三端集成稳压器由于使用方便，应用越来越广泛。大功率电源多采用开关稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压
19、。开关型稳压电路又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离，因而应用较广泛。 本次设计需用到15V的直流电源，因所需的直流电压的有效值和电网电压的有效值相差较大，所以需要通过电源变压器降压。变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。经过整流的电压含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作，为了减小电压的波动，需要通过低通滤波电路滤波使输出电压趋于平滑。然而由于低通滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必将影响其滤波效果，稳压电路的功能就是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够
20、高的稳定性。因此本设计采用电源变压器、桥式整流电路、滤波电路以及78系列集成稳压电路等元件分别产生15V的直流电压。 电源变压器：把220V电网电压降至所需电压。桥式整流电路：把交流电压转换成脉动的直流电压。滤波电路：减小脉动使输出电压平滑。 稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。图3.1 直流电源的组成3.1.2 稳压电源电路及工作原理 本次设计所需的直流电压的有效值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压。变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。经过整流的电压含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工
21、作。为了减小电压的波动，需要通过低通滤波电路滤波使输出电压平滑，然而由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。电源的设计原理图如图3.1所示 如图3.2所示变压器给出的电压经过由D1、D2、D3、D4组成的整流桥后经过电容的平滑滤波后分别接7815和7915的输入端。在接7815和7915的输入端之前分别经过两级滤波，作为前级的为2000F/25V的电解电容，频率为50Hz的低频交流滤波电容，其作用是通过充放电原理把交流成分去掉；作为后级的为0.1F的电容，变压器给出的电压经过整流桥
22、整流和两级电容的滤波后有效的保证了7815和7915的输入端为直流电压，确保7815和7915两个三端稳压器能正常工作。7815和7915的输出端经两个33k的万分之一精度，温度系数为3ppm的高精度电阻分压后接放大器LM358的反相输入端，LM358的同相输入端接地，放大器LM358的输出端接7915的公共端。7815、7915的输出端又经过由两个47F/25V的电解电容滤掉其交流成分，经过12个0.1F的电容虑掉其高频成分，输出端分别为稳定的直流+15V和-15V电压。 在高精度、高对称度电源的研究中，我们所要求的是输出分别为精度高、对称度高的+15V和-15V电压。7815的公共端接地电
23、压为0，根据7815的特性Vout-Vo=15V，7815的输出端为+15V电压，保证了正相输出端为+15V的电压。假设正相输出端为大于+15V电压，两个高精度电阻将均分正相输出端和反相输出端之间的电压，那么LM358的反相输入端为正电压，根据LM358的特性在其输出端将有一相应得负电压，此负电压接到7915的公共端，根据7915的特性，将增加7915输出端的负电压。假设正相输出端为小于+15V电压，两个高精度电阻将均分正相输出端和反相输出端之间的电压，那么LM358的反相输入端为负电压，根据LM358的特性在其输出端将有一相应得正电压，此正电压接到7915的公共端，根据7915的特性，将减小
24、7915输出端的负电压。此电路类似于一闭环反馈电路，只有当LM358的反相输入端为0V时，电路才能稳定，有效的保证了正相输出端和反相输出端的对称性。 此电路有效的保证了正相输出端和反相输出端为稳定的对称电压，此对称电压可作为相应需要电路的电源，由于此电源为高精度、高对称度的正负电源，能有效保证所需电源电路的稳定性，应用在仪表上能有效的提高仪表的精度和稳定图3.2 电源设计原理图性，对于提高产品的可靠性是非常有益的4。3.2触发电路模块设计3.2.1 触发电路的设计思想 如图3.3所示，A、B、C任意一相在导通的同时必须和另一相组成回路，电流流通路径中有两个晶闸管导通，所以应采用宽脉冲或者双脉冲
25、来触发晶闸管。宽脉冲使用的脉冲宽度大于60（一般取80100），触发电路虽然可以少输出一半脉冲，但是为了使脉冲变压器不达到饱和，需要将铁心的体积做得较大，绕组匝数也较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡峭，不利于晶闸管的串联。虽然可以用去磁绕组改善这种情况，但这样又会使触发电路复杂化。而双脉冲是在触发某个晶闸管的同时，给序号之前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替图3.3 三相交流调压负载星形接法图 宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉冲宽度一般在2030，双脉冲触发电路较复杂，但要求的触发电路输出功率较小，因此本次设计选择用三个TCA785P芯片产生的双脉冲分别控制三相电的触发，通过脉冲变压
26、器传递给晶闸管单元，在强电和弱电之间起到可靠的隔离作用5。3.2.2 触发脉冲产生电路 触发电路的定相 本系统中，向晶闸管整流电路提供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。 为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。为防止电网电压波形畸变对触发电路产生
27、干扰，可对同步电压进行R-C滤波。 本次设计将选用的滤波电路可将电网输出的线电压移后30与其相电压同步，如图3.4所示。图3.4 触发电路的定向3.2.3 同步信号的触发电路 此电路的输出可以为单窄脉冲，也可为双窄脉冲，以适用于有两个晶闸管同时导通的电路，例如三相全控桥。电路分为三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节，此外还有双脉冲形成环节。电路图如图所示3.5。图3.5 同步信号为锯齿波的触发电路 锯齿波的形成和脉冲移相环节 由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电，(3.1)调节RP
28、2，即改变C2的恒定充电电流，可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到零伏附近。V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，uc3同样也是一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电路对锯齿波电压ub3的影响。 同步环节 同步环节要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率，是由同步变压器所接的交流电压决定的。V2由导通变截止期间产生锯齿波，锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，其取决于充电时间常数R1C1。 脉冲形成环节 V4和
29、V5用于形成脉冲，V7和V8用于放大脉冲。控制电压Uco加在V4基极上。uco=0时，V4截止。V5饱和导通。V7 、V8处于截止状态，无脉冲输出。电容C3充电，充电后电容两端电压接近2E1（30V）。uco=0.7V时，V4导通，A点电位由+E1（+15V）下降到1.0V左右，V5基极电位由-E1（-15V）上升为2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。电容C3放电和反向充电，使V5基极电位上升，直到Ub5- E1（-15V），V5又重新导通。使V7 、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与方向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，
30、其一次侧接在V5集电极电路中。 双脉冲形成环节 V5、V6构成或门。当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应控制角产生，隔60的第二个脉冲是由之后60相位的后一相触发单元产生。 在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6，彼此间隔60，相邻器件成双接通。因此触发电路中双脉冲的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图电路中的Y短应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲之后60。所以当触发单元的V4由截止变导通
31、时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元的V6管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应该接VT6器件触发单元的Y端。依此类推，可以确定六个相应触发单元电路的双脉冲环节的相互接线。触发电路的原理图如下图3.6所示。 T10是一个同步变压器，通过电阻与电容的相互配合最终实现线电压与相电压的同步,其中同步信号为锯齿波的触发电路由芯片TCA785P提供的。图3.6 A相电的触发电路图 其中，1脚接地，16脚接电源，15和14是脉冲输出口，9接的滑动变阻器控制同步信号的斜率。12接的电容控制输出脉冲的宽度。11接的电容和电阻控制锯齿波的宽度。 晶闸管的工作原理决定着在开通
32、过程中不可能在很短的时间内建立大面积的导流通道，导致器件所能承受的电流容量有限，而且开通的同步性也难以保障。本次设计采用了KCB触发变压器来传送触发脉冲，有效地解决了以上问题。其接线图如图所示。图3.7 触发变压器接线图R9和C29起到阻容吸收的作用，可以滤掉门极上产生的尖脉冲。3.2.4 晶闸管移相触发专用集成电路特点 TCA785是西门子公司生产的单片晶闸管移相触发专用集成电路，该电路内部由过零检测电路、锯齿波产生电路、基准电源电路、移相比较器、同步寄存器、放电监视比较器、定时控制与脉冲控制电路、逻辑运算及功放电路等组成。TCA785方框图如图3.8所示。图3.8 TCA785方框图 过零
33、检测电路把正弦波同步信号变换成与同步信号频率相同、占空比为50的方波信号并经同步寄存器变换后，直接送入后级的逻辑运算电路。锯齿波产生电路主要由恒流源、放电晶体管和外接于9脚、l0脚的电阻电容等组成。恒流源的输出电流由电阻R决定，此电流对电容器C充电。由于充电电流恒定在电容器C的两端形成一个线性极佳的锯齿波电压；由于定时控制电路输出脉冲的频率为同步信号频率的2倍，锯齿波信号的频率为同步信号频率的2倍。锯齿波电压加到移相比较器的反相输入端并与加在同相输入端的移相控制电压VY比较。当锯齿波电压高于VY时，移相比较器输出翻转，信号被送人逻辑运算电路。另一方面，锯齿波电压也加到放电监视比较器的同相输入端
34、。因为，放电监视比较器反相输入端所加的基准电压很低(几十毫伏)，只有在起始处，锯齿波电压才小于基准电压。放电监视比较器输出1个极窄的脉冲，为由D触发器构成的同步寄存器提供开启信号。 定时控制电路为锯齿波产生器和移相比较器提供周期性的放电脉冲，使放电晶体管交替导通或截止，在激励信号的作用下，l2脚的外接电容Co的大小控制输出脉冲的宽度tp。 当该器件用于感性负载时，只需将l2接地便可得到180的宽脉冲输出。l3脚为宽脉冲控制端，此端只对输出Q1、Q2起控制作用。当l3脚接高电平 (大于8V)时，Q1、Q2宽度相同，均由Co决定；当l3脚接低电平(低于1.3 V)时，Q1、Q2为宽脉冲，其脉冲与I
35、2脚接地时相同。逻辑运算及功放电路对前几级输出信号进行逻辑运算，产生T1、T2、Q1、Q2、QZ、QU等信号并进行功放后输出。 Q1、Q2在锯齿波电压高于控制电压时产生，T1、T2经非门后产生Q1、Q2，经异或非运算后得到QZ，故只有当Q1、Q2均为高电平时，QZ才高电平；QU则是随T1、T2的到来而发生翻转的输出端。6脚接高电平 (高于8V时)，T1、T2、Q1、Q2等输出信号正常；当6脚接低电平(低于1.7V)时，各输出端全被封锁, T1、T2、Q1、Q2等输出信号均为低电平。TCA785的典型应用电路如图3.9所示。图3.9 TCA785典型电路图3.3.5 触发变压器的设计与实现 本触
36、发变压器与可控硅配套使用，通常接在可控硅设备中控制触发单元与可控硅控制极之间，一方面传递触发脉冲，另一方面对强弱电之间起到可靠的隔离作用。其开启速度快；开通延时几乎为零；机械和环境隔离能力强，结构紧凑、坚固、抗振、防潮、阻燃；各绕组间的抗电强度高；可自行构成所需变比以适应触发要求。 典型应用电路如下：图3.10 触发变压器典型应用电路图 其中，R1 和D1 主要起续流作用。D1 一般可选1N4007，R1可选1K2K；D2，D3，R2 主要起整形作用。D2，D3 可选1N4007，R2 可选几十几百欧姆；控制单元是触发脉冲的生成单元；可控硅单元是主电路单元。3.3控制模块设计3.3.1 PID
37、控制模块的设计思想 传统的接触器分档加热控制方式，只能实现加热功率的阶跃式的增加或减小，调节温度的波动大、惰性大并且必须依靠操作者的观察和经验来操作，如果反映不够及时，则会造成温度过高或过低。这种加热控制方式操作性较差，通常情况下，恰当的工作点很难找到，保证不了温度控制的稳定性。而晶闸管调压调温的控制方式可以像变频器一样实现电压的连续调节，从而实现加热功率的连续调节，进而实现温度的连续无级可调控制。本次设计的控制模块通过加入跳线实现了手动控制和自动控制转换。手动控制的控制范围由集成运放电路来确定，控制值通过变阻器滑动端确定，为了确保系统运行的稳定性和快速性，系统引入了积分环节和比例环节；自动控
38、制采用的是差分比例运算电路实现输入值与给定PID信号差值缩小，以达到控制的目的7。3.3.2 PID控制电路及工作原理 本次设计的控制模块通过加入跳线实现了手动控制和自动控制转换。手动控制的控制范围由集成运放电路来确定，控制值通过变阻器滑动端确定，为了确保系统运行的稳定性和快速性，系统引入了积分环节和比例环节。自动控制采用的是差分比例运算电路实现输入值与给定PID信号差值缩小，以达到控制的目的。控制部分的设计电路图如图3.31所示。 如下图所示，当2接1时是手动控制，当2接3时是自动控制。电流信号In通过R6和R50后转换为电压信号。本次设计的所有运放都是由LM358提供的，IC2A是自动控制
39、中的差分比例运算电路，其中图3.11 控制电路 （3.2）所以： （3.3） 此式证明这是一个负反馈的运算电路，通过这个电路，测量值U3和给定值U2越来越接近，达到了理想的连续控压的目的。 IC1A是用来确定设计的调压范围的，本次设计的调节电压的变化范围为012V。在零输入量的情况下，选用C6V2稳压二极管将它的阳极点稳压在6.2V，利用集成电路虚短，虚断的特性和特定值的电阻，LM358的1脚的电压就可稳定在12V。以此为基准，W1滑动变阻器确定输出电压值的大小。 这里用LM358设计电压跟随器，使其输出电压随着滑动电阻器输出电压的变化而变化，。二极管防止突发的负电流产生。由控制单元处理过的电
40、流信号最终要送给TCA785P芯片，与其生成的同步斜坡信号相交，以此确定脉冲的触发时间，为了防止上电时较大的冲击电流无法与斜坡信号产生交点以至影响TCA785P芯片无法正常工作，因此需要为其设计软启动电路，软启动电路如图3.32所示。图3.12 反馈环设计图 加入如上图电路后，输出电流（IC3-11处电流）就可以缓慢平滑的上升，就可以使TCA785正常工作。图中当C7充电时，三极管导通，输出电流IC3-11就从0到15V区间内的缓慢平滑上升，当C7充电结束时，三极管关断，IC3-11输出值就是测量值，这样便实现了设计要求的软启动功能8。4 实验数据测试及结论分析 数据测试是反映系统性能的重要指
41、标，因此对本系统进行了全面的测试，分别为电源输出电压还有有关的中间数据如整流的输出值，双脉冲的产生波形及数值，还有PID控制产生的电压值，看二者之间如何控制触发信号的改变。4.1 实验数据测试 本设计已经制作出实物. 触发电路相位的测试 对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电源ua相接，可简单便是为VT1所接主电路电压为+ua，VT1的触发脉冲范围从0至180。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30线性度不好，舍弃不用。锯齿波的中点与同步信号的300位置对应。 本次设计用电网的线电压来生成同步信号，滞后主电路信
42、号30，我们选用R-C滤波器滞后角为30的将其定相。如图4.1所示。图4.1 同步信号测试 其中，幅值较大的是线电压，较小的是相电压，二者已经同步。 电源信号产生过程的测验 先是用变压器将380V的交流电转换成15V的交流电，再由整流电路将其变为18V的直流电，最后由L7815CV和L7915CV 将其稳压在15V的直流电。如图4.2所示。 (a) (b)(c)（d）图4.2 电源信号产生过程图由C10控制的V10的波形图和IC3-11的输出图4.3 锯齿波信号图 其中的锯齿波就是电源的同步信号，与其相交的直线是IC3-11，是PID调节后产生的控制信号，在其交点处产生的触发脉冲。 经试验证明
43、通过该变R9的大小就能改变斜波信号的斜率。 图4.4 锯齿波信号图(R=63.8k)图4.5 锯齿波信号图(R=43k)图4.6锯齿波信号图(R=35.5k) 测试证明，随着R的减小，锯齿波的斜率在变大。 由IC3-14和IC3-15的输出的波形图方波2方波1图4.7 双窄脉冲信号图 如图所示，方波1是IC3-14，方波2是IC3-15。二者相差8ms，T=20ms4.2 晶闸管温控器的运行保护方式 电流限制 当输出电流达到设定的电流限制值时，限流环节动作，使输出电流限制在电流限制值。电流限制值设定为额定电流值的1.05倍。 过电流保护 当输出电流达到设定的过流保护值时，过流环节在检测到过流信
44、号后，半个周波时间内动作，关断晶闸管，自动截止输出并应该报警（应该有报警继电器控制）。过电流保护值设定为额定电流值的1.2倍。 短路保护 当负荷发生短路时，如果“ 过流保护”环节还来不及动作，则快速熔断器在极短的时间熔断，从而保护晶闸管。快速熔断器为选件，需要时请安装于调整器电源进线侧。 快速熔断器规格的选择为额定电流值的1.5倍。 软起动、软关断 当输入“启动” 信号时，输出电压不是跃变增加而是经过一段时间缓慢平滑的增加软起动， 输入“ 停止”信号时， 输出电压不是突变为零（ 低值），而是缓慢平滑的减小到零（ 低值） 软关断。此功能对于变压器一次侧控制，对于大容量负荷的通断控制具有重要意义，
45、能防止过大的冲击电流，又能抑制对电源变压器和负荷的机械力。图4.8 软启动与软关断示意图 超温保护 在晶闸管上应该安装散热片，当散热片的温度达到70时，其常闭开关断开，报警继电器就会动作，晶闸管温控器就会停止工作。这时我们还要看看事故原因，有可能是电扇坏了等。 输出限幅和输出起始电压调整 晶闸管温控器为了可靠运行要设定输出限幅和输出起始电压调整，输出限幅的意思是当输入最大控制信号时（为20mA），可以限制输出电压在010范围内的某个数值上。这一功能要用于限制负载的最大值，防止烧坏加热器，并能减少温度的大幅度波动。“输出起始电压调整”的作用为：为调节器输出最小时（即晶闸管调整器输入最小控制信号时
46、），加热器上应有一定的起始电压，以免加热器停止加热。换句话说，“输出起始电压调整”的意思是“当输入控制信号为0时，输出电压可设定在010范围内的某个数值上。4.3 实验调试及注意事项 接线时要严格保持主电路电源A、B、C与触发板电源、控制信号相位一致; 主电路与控制电路配线时务必不要束在一起; 实验过程中要接触高压电，因此要十分小心; 关于可控硅输出电压、电流的测量要使用测量非正弦量“有效值”的仪表,如：电磁式（动铁式）或电动势电压(流)表; 晶闸管的误导通，多数由于干扰信号进入控制电路引起，采用脉冲变压器隔离; 控制电路加入阻容元件; 防止电感元件靠近极电路; 控制极回路导线加屏蔽; 用触发电流较大的晶闸管。结 论 本次设计的电流源的最大特点就是利用普通直流稳压电源作为电流源的