基于STM32的晶闸管三相调压电路的设计

摘要：SCR三相调压触发电路已有不少设计与应用，文中提出了一种简化的基于STM32的调压触发电路设计方案，并完成了系统的软硬件设计。该设计主要采用了光电隔离并利用三相电源自身的相间换流特性，只用三组触发信号就可以达到控制六只晶闸管导通角的作用。软件部分采用了STM32芯片多个高性能定时器及周边AD接口，完成了高精度触发信号发生、PID控制调压等功能。通过实验表明该系统简便可靠，达到了设计要求。
关键词：SCR；触发电路；三相异步电机；STM32

晶闸管三相电源调压的核心是在准确采集电源电压或电流的同步信号基础上，可靠有效地按照三相电源的相间规律计算触发角来触发对应的六只晶闸管。传统的晶闸管触发电路有模拟电路触发方式与数字电路触发方式之分，而数字式触发方式又分成电源电压同步的双脉冲触发、电源电压同步的宽脉冲触发、电源相电流同步的双脉冲触发等多种触发方式。这些触发方式要求以同步信号为基准，按照预先设计好的时序依次控制晶闸管的导通与关断，即使有外界干扰也不会改变时序。
由此可见，如要实现高可靠、高精度的三相电压调节必须满足如下几个条件：准确可靠的同步信号获取；高精度、抗干扰能力强的晶闸管触发脉冲的发生与隔离输出。为了实现以上目标在参考了其他研究的基础上，提出了采用运算能力较强的32位STM32单片机结合特定主回路的相间合成触发电路的设计思想。该方案通过实际实验验证可以可靠地控制三相电机负载的电压。

1 移相触发电路的总体设计
移相触发调压系统主要由输出相间电压检测电路、过零同步信号检测电路、相序检测电路、STM32核心及周边电路、触发脉冲发生与输出电路、晶闸管光电隔离与驱动电路、晶闸管调压主回路所组成，如图1所示。系统通过检测过零同步信号、根据负载的电流电压相位差算出功率因数角，通过调整输出触发脉冲序列的触发角大小达到调整输出电压从而改善功率因数的目的。

2 调压电路及移相触发脉冲序列时序设计
根据图2三相电源的波形图我们知道，三相U、V、W完全对称，各相相差都是120°(2π／3)。电路每隔60°(π／3)换流一次，而且换流次序是依据相间电压的高低变化顺序规律地转换。三相电压正负周交点是非控制时整流的自然换流点(图2中1～6点)，也就是三相晶闸管能被触发导通的最早时刻(1点离U相相电压Uu的过零点π／6)，该点作为U相触发角α在纯阻性负载下能够调压的计算起点。

图3为三相异步电机晶闸管调压主回路，由VT1～VT6及3组RC吸收电路构成。电路的工作原理是以触发角α(α>=max(φ，y)，φ为功率角；y为过零点与自然换相点的相位差)开始按照VT1～VT6的顺序每隔60°触发导通两只晶闸管，即在触发每只(如VT1)晶闸管的同时也要触发换流相对应的晶闸管(如VT2)。所以通过控制触发角大小并且以(VT1、VT2)、(VT2、VT3)、(VT3、VT4)、(VT4、VT5)、(VT5、VT6)、(VT6、VT1)、(VT1、VT2)…的顺序每隔60°循环触发对应晶闸管，就可达到三相异步电机晶闸管调压的目的。

图4是U相电压同步信号采集电路，文中将U、V、W三相通过100 k／1 W的电阻接一公共点，将该点当做强电与弱电的参考点，即数字地。U相线经D301、D302箝位至TTL电平，通过Q1开关三极管输出与正弦波反相的方波，再用CD4049处理成与U相电压同相的方波，这一信号正是我们需要的U相电压过零同步信号U_Syne。