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1、目 录第一章 概 述11.1 设计背景11.2 设计简介21.2.1全数字电磁涡流刹车电源的工作原理21.2.2主要设计内容31.2.3设计思想31.2.4拟采用的技术方案41.2.5全数字电磁涡流刹车电源的技术指标6第二章 可控整流模块设计72.1 相控整流主电路设计与计算72.1.1主回路理论分析72.2 晶闸管的选择和保护电路设计112.2.1晶闸管的选择112.2.2晶闸管的保护122.2.3整流变压器的选择172.2.4散热器的选择182.2.5轴流风机182.2.6直流稳压电源182.2.7电流互感器的选择192.3 晶闸管的触发电路20第三章 控制电路213.1 PIC单片机21
2、3.1.1 PIC16F877的核心区223.1.2 PIC16F87X的外围模块区域243.2 控制电路的外围模块283.2.1同步电路293.2.2移相触发303.3 单片机控制器的软件设计323.3.1A/D转换原理343.3.2定时器TMR1的工作原理37第四章 安全报警系统52第五章 实验结果及其分析55结 论58参考文献60英文原文与翻译61致 谢77附录A元器件明细表78附录B系统主电路图81附录C系统控制电路图82第一章 概 述1.1 设计背景电磁刹车是一种无机械摩擦的钻机辅助刹车,它利用电磁感应原理,将直流电通入电磁刹车的定子线圈,产生恒定磁场,在绞车下放重物时,电磁刹车的转
3、子切割定子磁场的磁力线,从而产生感应电势、电涡流和制动转矩,这时司钻人员可用司钻开关调节电磁刹车励磁电流的大小,从而灵活地控制刹车的制动转矩、控制下钻的速度快慢,不用主刹车而完成整个下钻作业。电磁刹车无摩擦、使用简便、维护工作量小,低速仍有较大制动转矩,是石油钻机理想的辅助刹车。然而,电磁刹车的制动力矩与定子励磁电流有关,如果失去励磁电流,电刹车的制动转矩将为零,这在下钻作业中是不允许的。因电磁刹车励磁电源故障、使刹车失去作用,而司钻人员又未发觉导致的事故并非罕见,轻则伤人伤物,重者可导致井毁人亡。因此,在使用电磁刹车时,一套安全可靠的励磁电源是至关重要的。在国外一些大石油公司的钻井安全操作条
4、例中,明文规定,当电磁刹车的励磁电源缺少可靠的保证时,不得投入使用。无论国产或进口的电磁刹车,根据其结构特点,均可近似为一台电枢回路短路的直流电机,励磁电流在定子线圈中产生恒定磁场,转子在外力拖动时产生感应电势和涡流,从而产生制动转矩,其大小为 式中,T为制动转矩;P为定子磁极对数;为电磁刹车的结构系数为电磁刹车的励磁电流;n为电磁刹车转子转速。从公式可看出,T,若=0,则T=0,电磁刹车就失去了制动转矩,司钻人员下钻时控制游车的下放速度,就是控制电磁刹车的励磁电流。目前国产电磁刹车的配套电源多为SCR元件的半控整流桥方式,而进口电磁刹车(如美国)则采用直流PWM方式,但二者最终都是依靠控制励
5、磁电流大小来调节刹车转矩的。目前各油田电磁刹车,在现场使用中普遍存在着一些问题,留有较多的不安全因素。a)产品设计功能不全,缺少必要的安全报警措施。如交流失电、电源缺相SCR触发器脉冲丢失或SCR元件损坏的故障报警,使得司钻人员无法及时发现电磁刹车的故障,给钻井作业带来不安全隐患,如在下钻时电磁刹车失电,司钻人员往往措手不及,易造成游车下砸事故。b)老产品的可靠性设计较差,产品的工艺设计落后,老产品整个装置均是由分立元器件组成,电子元器件数量多、焊点多、功能单元多,由于野外钻井现场的工作环境恶劣,导致电气元件易损坏,系统故障率高。且因电子元器件数量多、线路复杂,造成现场维修技术难度高、时间长,
6、且备品备件供应较难。近年来,国内一些油田和厂家针对电磁刹车电源的缺点,相继开发了一些新产品,如电磁刹车安全报警置,取得了一定的应用成果,但并未从根本上解决电磁刹车电源所存在的问题。针对目前电磁刹车电源的缺点,根据国内各油田钻井工作的实际情况,参照国外石油公司先进的钻井安全操作规程的要求,本人对电磁刹车做了系统的可靠性分析,在此基础上开发探索新一代的电磁刹车电源。根据电子产品的失效概率模型和实践经验,我们认为元器件数量多、电子元件的应力裕量小、是老产品故障率高的主要原因。鉴于野外作业的工作环境差,井队搬迁的运输条件恶劣,过大的振动和各种机械的应力常导致电子线路引线折断、焊点脱落、电子元件提前老化
7、失效。因此,采取了一系列技术措施,以提高新型电磁刹车电源的系统可靠性。a)减少构成系统的功能单元数量,以减少故障率。老产品采用分立电子元件制作电子脉冲触发板,二极管SCR模块、同步变压器、控制电源、RC保护元件等单元,元器件总数达上百个之多。而新产品的设计,采用了国际上最先进的智能化集成功率模块,将元件总数减少了80%,系统的可靠性则大为提高。b)提高主回路元件的裕度,降低主要元件的工作应力。降额使用的功率模块故障率大大下降,平均无故障工作时间增长。c)为满足现场工作的需要,增加了各种故障的报警功能。如交流电源失电报警;三相电源缺相报警;功率模块故障报警;电磁刹车线圈超温报警。报警采用同时向司
8、钻台操作工和配电房值班电工发出声光报警信号的方式。电磁涡流刹车电源是石油钻机中电力刹车的配套装置，它与涡流刹车主体配套使用，在石油钻井作业中，实现刹车功能。在石油钻井作业中，一口井一旦开钻，就要继续工作，直到完成中途不能停车，因此刹车电源的可靠性十分关键。它的任何故障都会带来灾难性的后果，小到损坏部件，大则损坏整口井，因此设计一套可靠性高，系统响应快速性好的全数字电磁涡流刹车电源系统是很必要的。由电力电子器件构成的中小规模集成电路触发精度差、故障频率高，故采用计算机软件控制很有必要。晶闸管三相全控整流桥是全数字控制励磁电源的重要组成部分,采用PIC单片机发出触发脉冲克服了传统晶闸管模拟触发单元
9、的响应时间长,触发角不可大幅变化和可靠性差等缺陷,且计算简便,响应速度快,抗干扰能力强,占用系统资源少。本系统的核心控制器是PIC16F877,它具有集成程度高,运算速度快等优点,整个刹车系统结构简单、可靠性高、调节精度高和响应速度快。1.2 设计简介1.2.1全数字电磁涡流刹车电源的工作原理全数字电磁涡流刹车电源系统可划为这样的过程:交流变直流过程即电源的整流滤波电路，整流滤波采用整流桥全波整流、电容滤波，使得输入的交流380V/50Hz电网交流电压经整流和滤波后，变成50Hz的直流脉动电压。在输出功率一定的情况下，增大滤波电容的容量可以减小脉动幅度，最后形成直流输出。由司钻开关来改变给定电
10、压来改变整流电路的移相触发角，从而改变直流输出。这一部分由单片机来实现。控制电路的工作原理是：三相全控桥的整流采用正弦波同步移相整流方式；主芯片选用PIC单片机，将司钻开关的输出值05V，PIC单片机的A/D转换输入（00FF）与可控硅的导通角区域（三相整流时为0120）一一对应；司钻开关通过控制单片机的A/D转换值来控制整流输出的，整流输出从0310V全程可调。1.2.2主要设计内容由于刹车系统是通过调节励磁电流的大小从而灵活地控制刹车的制动转矩，电源设计为电压0310V连续可调，电流085A连续可调。主要设计以下几个方面内容：三相可控整流主回路单片机控制电路司钻开关及给定电路设计断水保护部
11、分报警部分短路、过流保护部分三相电源220-380v可控 整流 AC/DC 保护电路司钻开关电磁刹车励磁绕组逻辑控制及保护三相电源进线保护及控制温控及报警图1.1 系统原理图1.2.3设计思想电源设计分为三大块：主回路、控制回路保护单元主回路采用三相可控硅整流，控制回路采用单片机，系统原理框图如上图1.1：1.2.4拟采用的技术方案主电路为可控整流电路。三相半控桥、三相全控桥的整流采用正弦波同步，移相整流方式；对于三相不控桥作整流，IGBT斩波电路实现调压均可实现可控整流，但IGBT的价格比较昂贵。由可控硅的整流电路性能指标可知：对于电磁涡流刹车这样的大功率场合，三相全控桥整流电路的性能最好。
12、故设计中主电路选择三相全控桥整流电路。主电路的保护：选用压敏电阻吸收交流侧的过电压。用于吸收持续时间较长，能量较大的尖峰过电压；过流保护采用三相进线串入快速熔断器；六个晶闸管两端出现的尖峰过电压采用阻容吸收元件，以防止元件过压击穿。系统主回路图见下图1.2 图1.2 主回路电路图其控制触发单元可选用双窄脉冲或宽脉冲触发。双窄脉冲触发电路可以减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁芯体积；用宽脉冲触发，虽然脉冲数减少了一半，但为了不使脉冲变压器饱和，其铁芯体积要做的大些，又使装置变复杂；故在本次设计中选用双窄脉冲触发。全控桥式整流主要通过改变晶闸管触发相位的方法来调节母线电压的高低，此时需要检
13、测三相交流电压的相位以实现同步触发.控制部分:1通过软件编程来控制TCA785移相电压的大小,能克服通过电位器来调节移相电压从而达到调节触发脉冲延迟角而造成的误差。通过单片机或微机编程来调节移相电压的大小,进而实现对触发延迟角的精确动态控制。 图1.3 TCA785 内部电路TCA785芯片主要用来产生触发脉冲,并且通过调节该芯片管脚11上的移相电压来控制触发脉冲延迟角。该芯片的内部电路简图如图1.3所示。TCA785芯片的工作原理:首先由R9和Us组成的电路对C10充电,当检测到同步电压(管脚5)的过零点时,C10通过放电三极管放电,于是就在管脚10上得到了如图1.4所示的锯齿波波形。U11
14、为移相电压,它和管脚10的锯齿波通过比较来确定是否输出脉冲,从而控制脉冲的延迟角。14脚和15脚相位相差180,用户可根据需要选择。TCA785芯片的几个主要管脚的波形如图1.4所示。图1.4 TCA785 几个主要管脚的电压波形采用了可编程的DAC0832和运放F007来控制TCA785的管脚11上的移相电压。触发板和一个脉冲变压器相联接,输出的脉冲就可以直接触发晶闸管。此触发板与单片机和微机的接口形式可以根据实际应用中的控制装置的不同而自由选取。L为触发板的禁止端,低电平有效。移相电压和锯齿波之间的交点决定了触发脉冲的位置。为了保证精度, 必须确定移相电压和触发角的关系式。图1.4中将移相
15、电压和触发角的关系近似为线性关系, 但实际上管脚10 的锯齿波波形并不是理想的锯齿波, 如果按照线性关系处理的话会造成一定程度的偏差。解决该问题的方法有曲线拟合法、插值法等。2.选用PIC单片机输出脉冲经过脉冲隔离变压器将其隔离，将司钻开关的输出值05V，PIC单片机的A/D转换输入（00FF）与可控硅的导通角区域（三相整流时为0-120）一一对应；司钻开关通过控制单片机的A/D转换值来控制整流输出的。考虑到精度和编程的难易程度, 我们选择以PIC单片机为核心，再配合其它必要的外围电路组成，实现移相触发，过流以及冷却水断水等保护。给定是通过司钻开关实现的，（将AC220v变为AC24v）触发脉
16、冲的产生利用放大电路进行放大采用脉冲变压器隔离，以提高系统可靠性。1.2.5全数字电磁涡流刹车电源的技术指标1、设计出输出随给定变化连续可调的直流电源系统；2、利用PIC单片机控制,实现移相触发、过流保护（超过85A）、和故障报警显示等其他一些辅助功能；3、输入电压AC380V,50HZ,输出电流085A可调；第二章 可控整流模块设计可控整流采用三相全桥晶闸管整流，晶闸管驱动信号由控制模块提供，本章主要讲述整流电路设计计算、晶闸管的选择与保护电路设计和晶闸管的驱动电路设计。可控整流模块设计指标如下:输入：主电路输入三相380V电压；门极驱动电路输入六路晶闸管驱动脉冲信号；输出电压：0一310V
17、直流可调；电流：085A直流可调；可控整流具有软启动功能，直流输出母线寄生电感尽量小等。此外还要给控制模块提供电流、电压信号。2.1 相控整流主电路设计与计算2.1.1主回路理论分析三相全控桥晶闸管整流主电路如下图，图中V1V6为晶闸管，C1一C6为吸收电容，R1R6为吸收电阻。 图2.1 三相全桥晶闸管整流电路由图2.1电路可以看出，在任意时刻电路必须有两个晶闸管同时导通，其中一个属于共阴极组，另一个属于共阳极组，每个晶闸管的最大导通角为120。晶闸管之间的换相是在同一结构组中进行的，即共阳极与共阳极的晶闸管换相，共阴极与共阴极的晶闸管换相。在这种电路中般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式保证每隔
18、60导通一个晶闸管，触发电路设计在后面章节给出。下面分别讲述可控整流电路在阻性和阻感性负载情况下输出与输入的关系。1.带电阻负载的工作情况图2.2为在触发角为时的电路波形。Ud1为相电压波形，Ud2为线电压波形。由波形对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。由于输出整流电压为共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压与共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压的差，因此输出电压为线电压在正半周期的包络线(图中)。从图中可以看出，当060时，输出电流连续；当60120”时，输出电流不连续;当=120时输出平均电压为零，所以应该分别对待。图2.2 三相全桥整流电路带阻性负载在
19、触发角为时的波形（1）. 当060电流连续时输出电压平均值V与输入线电压有效值U的关系为: (31)通过晶闸管的电流Ivt与负载平均电流Id的关系为: （32） 所以有： （33）三相全桥整流电路输入电流有效值I2与负载平均电流Id的关系为： （2）.当60120时，电流不连续时输出电压平均值v与输入线电压有效值U2的关系为：通过晶闸管的电流Ivt与负载平均电流Id的关系为：即有：三相全桥整流电路输入电流有效值I2与负载平均电流Id的关系为：即有：2.阻感负载时的工作情况 当60时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时波形不出现负的部分，而阻感负载时，由于电感的作用，波形会出现负的
20、部分。在=90时，若电感足够大，中正负面积将基本相等，平均值近似为零。在以上的分析中已经说明，整流输出电压的波形在一周期内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是带阻感负载时，整流输出电压的平均值为： =输出电流平均值为。本设计整流电路在工作过程中会产生很大的谐波，对电网造成干扰。考虑到设计的重点，在论文的设计调试过程中，没有对谐波的产生做深入的研究，本文不再分析。2.2 晶闸管的选择和保护电路设计2.2.1晶闸管的选择晶闸管的选择是保证晶闸管工作在其安全工作区内，主要包括额定电压、额定电流。1、 闸管额定电
21、压确定晶闸管额定电压时，考虑到晶闸管在恢复阻断时引起的换相过电压，以及在操作和事故过程中产生的各种过电压影响，额定电压必须留有(2一3)倍的余量。即 =(23)其中为晶闸管承受的最大正反向峰值电压，在本设计中由于在0310V可调，在085A可调。设 LR ，则输出电流波形近似为一条水平直线，即I=/R在0-310V可调，在0-85A可调，则流过SCR的电流有效值为：晶闸管的通态平均电流： SCR承受的反向电压为：取裕量为2，则晶闸管选额定电压为1200V，额定电流为120A。2.2.2晶闸管的保护晶闸管承受过电流和过电压的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏，但不能完全根据装置运行时
22、可能出现的暂时的过电流和过电压数值来确定器件参数，还要充分发挥器应有的过载能力。另外，晶闸管在使用中，因电路中电感的存在而导致换相过程产生Ldi/dt，或系统自身出现短路、过载等故障.所以要做好晶闸管的过电压、过电流保护。2.2.2.1晶闸管的过电压保护1交流侧过电压阻容保护下图给出阻容保护常用的接线图，其中电阻R、C用下面关系式近似计算: 常见的晶闸管过电压有交流侧过电压和直流侧过电压，对这些过电压的主要处理措施如下图所示 交流侧 整流回路 直流侧A为接地电容 B为阻容保护 C为器件侧阻容保护图2.3 晶闸管采用的几种过电压保护式中：整流变压器的阻抗电压，以额定电压的百分数表示，对于本设计，
23、= 4%一10%;I。变压器空载电流，以额定电流的百分数表示，对于本次设计，Io=4%一10%变压器一次相电压有效值(V)；S变压器每相的平均视在容量(VA)；阻容保护三角形联接时，电容器的电容量小但耐压要求高联接时，电容器的电容量要大，但耐压要求低、电阻值也小通常增大C能降低作用到晶闸管上的过电压Ldv/dt但过大的C值不但增大体积而且使R的功率增大，并使晶闸管导通时的di/dt升。增大电阻R有利于抑制振荡，但过大的R不仅使抑制振荡的作用不大，反而降低了电容抑Ldi/dt效果。使R的功耗增大，并使晶闸管导通时的di/dt上升。增大电阻R有利于抑制振荡，但过大的R不仅使抑制振荡的作用不大，反而
24、降低了电容抑制Ldi/dt的效果， 并使R的功率增大，所以一般希望R小一些(约5-100)。为降低电阻的温度电阻功率应选电阻伤科消耗功率值的2倍左右。a交流侧的阻容保护星型接法 b交流侧的阻容保护三角形 图2.4 交流侧阻容保护接法电阻R的功率近似计算：其中 ： C、R选用的交流侧保护电容和电阻f 电源频率 ;变压器二次相电压有效值;系数(2-3) 和(1-2) 考虑降低电阻温度和电网电压身高等因素时取大的数值 ， 考 虑缺口电压作用下电阻和线路其他部分分担损耗时取小的值 ;K1对于三相电路 ，K1=3,K2一一对于三相桥式电路在阻容保护三角形联接时，K2=300;2过压吸收器（压敏电阻）压敏
25、电阻是一种新型的过压保护元件，它是一种由氧化锌和氧化铋等构成的非线性半导体元件，正反向伏安特性都很陡，在没有击穿时漏电流极微（几十微安），而且它的容量很大，可以通过几KA的浪涌电流，所以一种较理想的过压保护元件。作用：吸收由于雷击等原因产生的能量较大，持续时间较长的过电压。优点：压敏电阻具有正向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA），过电压时，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗小，体积小，对过电压反应快等优点。因此是一种较好的过电压元件（金属氧化物材料）氧化锌烧结而成 。缺点：持续平均功率太小，（仅数瓦），如果选择不当，则因电压超过额
26、定电压极易损坏，损坏时产生的电弧极易波及临近的电气设备，造成事故扩大化。 压敏电阻选择步骤：(1)额定电压 （即漏电流1mA时的电压） ：压敏电阻额定电压（V）：变压器二次侧线电压有效值（V）（2）泄放电流初值 三相变压器时， ：能量转换系数，与断路器类型有关，空气断路器为0.3 0.5，油断路器为0.1 0.3， 三相变压器空载电流有效值（3）最大电压 (Kr：元件的特性系数 a：压敏元件的非线性导数一般选在225之间)若 =20时，=1.4=1.41000=1400过电压倍数：过电压倍数应不小于SCR电压储备系数（4）计算和校验压敏电阻的能耗 ：压敏的通态容量通流容量是指：在规定的波形（浪
27、涌冲击电流前沿持续时间内，允许通过的浪涌峰值电流）。对三相变压器： 泄放电流初值（A）对单相变压器：压器每相励磁电感(H)（5）经验公式：压敏电阻在三相桥式电路中，710V1000V功率大于1瓦3. 直流侧过电压阻容保护直流侧过电压保护一般采用在晶闸管两端并联阻容吸收的方法。吸收电阻与吸收电容的经验计算公式为:=(24)=(24) =0.1160.23F电容耐压及电阻功率计算公式为： 其中 作用于器件上的正、负峰值电压，在三相桥式中 R=1030阻容电流：=0.5A选取吸收电容为0.33，耐压630V的金属化纸介电容DZJDZ 0.33 /630V。选用的电容为：0.33/630V=500.3
28、3电阻的功率取12W选用的电阻为：RX21-12W-1502.2.2.2晶闸管的过电流保护晶闸管的过载能力主要受结温的限制，在我国规定风冷器件额定结温为115，谁冷器件为100。为了求得与一般保护电器的良好配合，常作出晶闸管的过载特性。按目前的标准规定，晶闸管在规定的冷却条件下，通过两倍通态平均电流时，可经受的时间为0.5s；通过三倍通态平均电流时，可经受的时间为60ms；通过六倍通态平均电流时，可经受的时间为20ms。在按此作出过载特性时，为了与其他保护电器相配合，还需要把晶闸管的通态平均电流乘1.57，换算成有效值。可用作电流保护的电器有快速熔断器、过电流继电器、快速熔断器、快速开关等。在
29、不同的过流区域内，合理地选用保护电器是能否对晶闸管起到有效保护作用的关键，为此，需对上述保护电器的特性有所了解。1.快速熔断器的过载特性与晶闸管的配合由于晶闸管的热容量较小，以及从管芯到散热器的热传导过程中要遭受到一系列热阻，所以一旦过流，结温上升很快，特别在瞬时短路电流通过时，内部热量来不及传导，结温上升更快，因此，必须用快速动作的保护电器来保护，快速熔断器就是使用最普遍的一种。但快熔只适合作短路保护，不宜作过载保护。2.快速熔断器的主要参数（1）.额定电压这是指熔断器分断后能长期承受的电压。（2）. 额定电流这是指快熔能够长期内通过的电流有效值。（3）.允通能量通常用来表示。3.快速开关和
30、过电流继电器快速开关都用在直流电路，他的全分断时间最快为10ms。过流继电器有直流和交流两种，他们的动作时间一般都是几百毫秒。晶闸管的过电流保护方法有好多种，本设计采用在交流侧进线中串接电抗器。 A 线电抗器 B 电流检测 C 快速熔断器 图2.5 晶闸管过流保护和快速熔断器对晶闸管装置进行过电流保护(图2.5):在交流侧加电流传感器检测过电流信号，然后通过控制模块将触发脉冲封锁，从而抑制过电流。进线电抗器的设计以下面公式为依据:4.进线电抗器的选择进线电抗器既阻止来自电网干扰，又能减少整流单元的谐波对电网造成的污染。容量选择：进线电抗器的选择可按预期在电抗器每相绕组上的压降来决定，一般选择压
31、降为网侧相电压的24。也可按经验选取：网侧进线电抗器压降交流输入线电压电抗器额定电压降 52308.83801046010:交流输入相电压有效值（V）:电抗器额定电压降:电抗器额定电流（A）注意：不宜选的过大，一般选取进线电压的4（8.8V）已经足够，较大容量变频器中如75KW以上可选用10V压降。2快速熔断器的选择原则：（1）.熔断器的额定电压应大于电路上正常工作电压。（2）.熔断器的额定电流应略小于晶闸管的额定电流。不过，熔断器的额定电流是有效值，而晶闸管的额定电流是平均值，两者要进行换算，对正玄波来说I=1.57I。晶闸管的过电流保护采用交流侧串接0.6mH，200A的电抗器，串接200
32、A的快速熔断器。2.2.2.3限制di/dt,du/dtdi/dt可以依靠进线电抗器来限制，du/dt可以依靠加在晶闸管两端的阻容吸收来限制。2.2.3整流变压器的选择整流变压器就是整流设备的电源变压器，它向整流线路提供适当的电压，并把整流电路与交流电网在电气上隔离。它与电力变压器相比，结构和运行状态有所不同，与整流线路和负载性质有关。整流设备是将交流电变为直流电输出，当输出一定的直流功率时，整流变压器的容量与直流输出容量有一定的关系。在整流电路中，为避免三次谐波电流流入电网，变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星形。由于变压器的二侧绕组电流波形于晶闸管的电流波形相同，故取： 则变压器次级容量为
33、：故选变压器为12KVA功率因数： 此处取输出为310V对应的2.2.4散热器的选择晶闸管是一种热限制器件。当电流通过晶闸管时，要发生一定的功率耗散而在体内产生热量，该热量使得器件内温度上升。器件内各部分温度有一定的分布，PN结处温度最高。为了保证器件在一定的电流容量下正常工作，则必须保证器件保持应有的规定的管壳温度而保持管壳温度的工作必须靠散热器来完成。散热器的散热能力与其形状结构、大小尺寸、构成材料等因素有关，还与冷却介质状况有关。最常用的散热器有SP系列、SZ系列、SL系列、JHD系列等。本次选用的散热器型号为：JHD 06-0239 250300832.2.5轴流风机根据实际安装情况及
34、对风量的要求，将轴流风机的型号选为：2000-2200转/分，AC 220V 50HZ 线速度：6m/s 15W/17W 2台2.2.6直流稳压电源随着集成工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。集成稳压电路按输出电压可分为“固定式”和“可调式”。最简单的集成稳压电路只有三个引线端，即输入端、输出端、公共端。这样的稳压器叫“三端集成稳压器”。固定式三端集成稳压器可分为W7800正稳压和W7900负稳压两个系列，输出电压有5V,6V,9v,12V,15V,18V和24V。目前常使用的有最大输出电流I=100mA的W87M*系列。(a)78系列典型接法； (b)79系列典型接法； (c)三端稳压器外
35、形图图26 三端集成稳压电源的典型接法集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78系列(输出正电压)和79系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。本次设计中使用了+15V、-15V、+5V、+24V直流稳压源。2.2.7电流互感器的选择保护用电流互感器在额定负荷下能够满足准确级的要求最大一次电流叫额定准确限值一次电流。准确限值系数就是额
36、定准确限值一次电流与额定一次电流比。当一次电流足够大时铁芯就会饱和起不到反映一次电流的作用，准确限值系数就是表示这种特性。保护用互感器准确等级5P、10P，表示在额定准确限值一次电流时的允许误差5%、10%。线路发生故障时的冲击电流产生热和电磁力，保护用电流互感器必须承受。二次绕组短路情况下，电流互感器在一秒内能承受而无损伤的一次电流有效值，称额定短时热电流。二次绕组短路情况下，电流互感器能承受而无损伤的一次电流峰值，称额定动稳定电流。应视原边电流而定，控制用的互感器有统一的规格，如100/0.1、50/0.1等，用于仪表显示的，如30/5，等。本次选择50/0.1型。2.3 晶闸管的触发电路
37、晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路，但在这里专讲触发脉冲的放大和输出环节，相位控制电路将在下一章讨论。晶闸管触发电路应满足以下要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对感性的和反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲序列触发，对变流器的起动，双星性带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30。三相全控桥式电路应采用宽于60或采用相隔60的双窄脉冲。（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12
38、A/s。（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电气隔离。第三章 控制电路大功率三相全控桥整流装置常用作工业生产的可调直流电源,而直流电压的调节靠触发电路来控制,单片机通过控制晶闸管触发脉冲的移相控制角来改变整流装置输出的直流电压大小。由于模拟电路中参数难以调整,且易受网压波动及电磁干扰的影响,致使三相电负荷不平衡,在电网中引起较大的谐波电流,可控整流装置功率越大,这种现象越严重,甚至引起误触发,以至出现烧毁熔断器、跳闸等故障。采用数字式触发电路能有效地克服上述缺点,这是由于数字式触发电路是
39、通过模数转换器将模拟量转换成数字量,通过控制计数脉冲的个数来进行移相控制,因此其控制精度高,各相脉冲间的对称性好,在大功率整流装置中尤其能体现其优越性。晶闸管由于其投入时间可以控制,因此自诞生以来就在各种工程领域得到了广泛应用。为了保证晶闸管在工程应用中能够正常工作,很重要的一点就是保证在正确的时刻向晶闸管施加有效的触发脉冲。目前国内市场上常见的触发板对于触发延迟角的控制是通过电位器来调节移相电压从而达到调节触发脉冲延迟角的目的。这样的调节方法有以下缺点:(1) 这种调节方法并不十分精确,我们最终判定是否达到所希望得到的触发延迟角是通过在示波器上观察其触发脉冲与同步电压之间的关系得出来的,这样
40、存在着一些不可避免的误差。(2) 如果在实际应用中触发延迟角需要动态改变,通过电位器来调节移相电压就会显得很麻烦,甚至没有办法使用。(3) 电位器的位置可能随着时间的推移而发生改变,从而引起触发延迟角改变。如果能够通过软件编程来控制移相电压的大小,不但能够提高其精度, 也能克服上述足。虽然通过电位器调节触发延迟角有一些缺陷，但是这种调节方法简单，易于学习和掌握。本设计说明书提出了另一种晶闸管触发的设计,通过单片机或微机编程配合司钻开关来调节移相电压的大小,进而实现对触发延迟角的精确动态控制。控制电路的工作原理是：三相全控桥的整流采用正弦波同步移相整流方式；主芯片选用PIC单片机，将司钻开关的输
41、出值05V，PIC单片机的A/D转换输入（00FF）与可控硅的导通角区域（三相整流时为0120）一一对应；司钻开关通过控制单片机的A/D转换值来控制整流输出的，整流输出从0310V全程可调。3.1 PIC单片机单片机（Single Chip Microcomputer）亦称单片微型电脑或单片微型计算机，国际上称为微控制器（Microcontrollor, MCU）,就是把中央处理器CPU,随机存取存储器RAM,只读存储器ROM,输入/输出端口I/O等主要的计算机功能部件，都集成在了一块集成电路芯片上，从而形成一部微型计算机。换言之，把微型计算机的所有功能部件都集成并封装在一块芯片内而构成一部超
42、微型计算机，就称其为单片机。单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，即满足实时控制方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功能消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。为此，又常常被人称为微控制器。一台微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分、若干块集成电路组成的。如图3.1示。图3.1 微型计算机基本结构PIC系列单片及美国微芯公司的产品。它的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法。它不仅采用了哈佛体系结构，而且采用了哈佛总线结构。这种“哈佛总线结构”，就是芯片内部将数据总
43、线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。便于实现指令提取的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的（即分时复用）。PIC16F877是微芯公司于1998年年底推出的一款特色明显的新产品。其指令字节为14位，片内带64、128、或256字节的EEPROM数据存储器，另外其程序存储器也不再是传统的OPT型，而是Flash型存储器。 3.1.1 PIC16F877的核心区核心区包含的部件及功能如下：Flash程序存储器：固化由用户为某一特定应用目标而编好的程序和常
44、数程序。程序计数器（PC）：产生并提供对程序存储器进行提取操作所需的13位地址码，初始状态为全0，每执行一条指令，地址码自动加1。硬件堆栈（8级）：保存程序断点地址。在程序执行过程中，有时需要调用子程序，在进入子程序之前，必须保存主程序断点处的地址，以便在主程序执行完后，在恢复断点地址，使主程序得以继续执行。指令寄存器：暂存从程序存储器中取出的指令，并将指令按不同的字段分解为操作码和操作数2部分，分别送到不同的目的地。操作码表示操作的类型，操作数表示操作的对象或范围。指令译码和控制器；将指令的操作码部分翻译成一系列的微细操作，并控制各功能电路协调运作。算术逻辑单元ALU：实现算术运算和逻辑运算操作。工作寄存器W：是一个很重要的工作寄存器，许多指令都把它作为操作过程的中转地，比如暂存准备参加运算的一个操作数（称为源操作数）。或者暂存运算产生的结果（称为目标操作数）。换而言之，在运算之前W是源操作数的出发地，在运算之后W是目标操作数的目的地。16F87X中的W相当于其他单片机中的“累加器A”。状态寄存器
