基于单片机芯片的三相半控整流电路设计

基于单片机芯片的三相半控整流电路设计

 

　　本文中介绍了一种基于PIC690单片机与专用集成触发芯片TC787的三相半控整流电路，它结合专用集成触发芯片和数字触发器的优点,获得了高性能和高度对称的触发脉冲。它充分利用单片机内部资源,集相序自适应、系统参数在线调节和各种保护功能于一体,可用于对负载的恒电压控制。主电路采用了三相半控桥结构，直流侧采用LC滤波结构来提高输出的电压质量。

　　本系统通过PIC690单片机作为主控制芯片，用晶闸管作为主要开关器件。设计的目标是保持输出的直流电压稳定，输出电压纹波小，交流输出测电流THD较低，性能可靠。

　　系统主要电路包括：三相桥式半控整流电路、同步信号取样电路、单片机控制电路、晶闸管触发电路。首先，由同步信号取样电路得到同步信号并送集成触发芯片TC787，经过零检测，再进行相应的延时以实现移相。单片机中的ADC负责采集直流母线电压，根据电压的设定值与实际值的偏差经过PI运算来调节给定输出。PIC单片机将电压的参考值输出到TC787，由TC787实现对晶闸管的移相触发，以实现整流调压。硬件电路的整体框图如图1所示。

　　主电路采用三相桥式半控整流电路，直流测采用LC滤波电流结构。半控桥选择SEMIKRON公司的SKDH146/120-L100模块，该模块额定电流140A，额定电压1200V。直流侧采用LC滤波电路结构，比单独电容滤波效果好。此外，还可以提高交流输入侧的电流THD。直流侧主要的谐波含量为工频的6倍及6的整数倍，设计LC低通滤波时要避免含量较高的谐波引起的谐振。在本设计中选取电感5mH，滤波电容480μF。

　　采用PIC16F690作为控制芯片。PIC16F690单片机内部自带10位AD；宽工作电压；低功耗；带有PWM输出功能；内部自带晶振。用芯片内部自带10位AD，对采集到的直流侧电压进行AD转换。为了降低硬件成本，直接采分压电阻代替电压传感器来采集直流侧电压，分压电阻上的电压经过两个反向比例电路到单片机。单片机的模拟地和信号地直接相连。PIC16F690单片机通过一个IO口使能或禁止芯片TC787的输出，如图3所示。当PIC单片机的I/O口RC3输出高电平时，Lock口为低电平；当单片机I/O口RC3输出低电平时，Lock为高电平。选用一个IO口作为TC787参考电压的给定信号，采用PWM脉冲方式，调节占空比来调节输出电压，PWM波经过一个RC低通滤波器后为一个近似直流信号，用这个信号作为参考电压给定Uref，其范围为0～5V。由于芯片TC787所需的给定输入范围为0-15V，所以PWM波要经过一个光耦进行电平转换

 

　　TC787采用15V供电，引脚4：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低直接决定着TC787/TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出。引脚5（Pi）：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。

 

　　触发驱动电路主要由电网电压同步电路、TC787集成触发电路和脉冲放大隔离驱动电路组成。中给出了同步电路和TC787的外围电路。其前半部分为电压同步电路，采用这种设计方法需要加较多辅助元件。而对RP1～RP3三个电位器进行不同调节，可实现0～60°的移相，从而适应不同主变压器连接的需要。直接将同步变压器的中点接到（1/2）电源电压上，使所用元件得以简化。TC787的引脚4输出单片机的给定电压（0～+15V），引脚6为触发脉冲封锁引脚。

 

　　为了降低硬件成本，设计直流母线电压检测电路时采用了分压电阻的方法，而没有采用电压传感器。采用这种分压电阻的方法结构简单，易于调试。通过分压电阻得到的电压为直流母线电压的1/31，该电压通过两个反向比例放大电路输入到PIC单片机的AD1输入口中，再通过PIC单片机的AD转换处理为数字量。