【有奖征文活动】菜鸟交流调压应用笔记

只看该作者 · 2009-8-24 21:13

本帖最后由 cauhorse 于 2009-8-24 21:31 编辑

0.写在前面的一些东西
最近小弟被一些乱七八糟的事情折腾得不行，忽儿想到可以忙里偷闲参加下本站的活动透透气，也算是给以前的试验工作做个总结吧。
**题目叫做“菜鸟交流调压应用笔记”，一来，因为自己学的是机械专业，搞这个交流调压纯粹是奉命越俎代庖；二来，做这个东西的途中绕了不少弯路，亦符合一名菜鸟的合理表现。
现在把**贴上来，借二姨宝地让各位评看一番。文中可能多有概念/事实性的错误，也欢迎大家前来批评，不吝板砖横飞，刀枪斧正。
1.本活计的由来
因为完全不涉密，小弟就大胆讲明了。
做这个交流调压，是为一台超净台的负压排风设备准备的（超净台就是一种实验设备，生物实验等场合常用）。原本的设计如下图1-1所示。

图1-1 六档风速调节

采用的器件非常好理解，为了方便调压，找了一个六档输出的自耦变压器（据说做安全柜的风机，带调速档的用的基本都是这个东西）。东西拿回来以后，花了一天时间做了个继电器板；又自制单片机控制板一个，按着下面的图1-2，没几天就倒腾出来了，调速的效果还行。

图1-2 自耦变压器与继电器板

哪知天灾人祸，做完了东西，老板突然又翻脸了（朝令夕改乃一大特色），认为：这有级调速，很土很过时；俺们要整就整个无级调速的，外加风速传感器一只，做成带风速闭环的自动无级调速器。这下把小弟害苦了。风机是个带电容运转的单相电机，外加离心叶轮；直流调速还让我好理解些，这个交流调速，怎么个弄法？眼前也没有师傅可以请教，就只好自已上网找资料去了。
   先找成品吧，发现有料：有现成的交流调压器卖。等等，调电压怎么能给交流电机调速呢？按照课本公式，要调速不是变极对数就是变频，怎么可以用调压的方法来调速呢？不过网上的风机水泵调速器，好多都是调压式的。之前不理解，后来想明白了。这个咱后面再说。
2.热身
   现在目标明确了，就是整个交流调压器。不过，因为想自已学点东西，就没买现成的，准备山寨一个出来。磨刀不误砍柴功，了解一下基本原理先[1]。
   调压的方法也有很多种，如图2-1，要是仔细找找的话，应该还能分得更细的。因为小弟以前知道过一些可控硅的东西（其实也就是课上讲过），所以，毫不犹豫地，就挑上了可控硅移相触发的调压方式。

图2-1 交流调压原理

a，周波控制调压 b，相位控制调压 c，斩波调压

   仔细想了想要准备的东西：
   主角：可控硅一只，一瞅要对付交流电，直接用双向可控硅了（洋名TRIAC），我用的是BTA16/600B
   导演：单片机一只，小弟穷，眼光又短浅，就直接去宏晶北京办弄了两只STC来。
   就是它们俩（图2-2）

图2-2 主要的器件

一开始以为这样就OK了，后来一想，不成，要移相触发呀，得先有能检测交流过零信号的电路，于是，上网随便找了一个图（图2-3）；又去电子市场订了一个电源变压器，好方便用上低压交流电。然后呢，触发可控硅怎么弄呢？翻了好几本旧书，终于找到了：有用TRIAC驱动光耦的，也有用脉冲变压器的。小弟向来喜欢便宜货，就直接买了几个MOC3020，这下东西差不多都有了。

图2-3 交流过零检测电路

只看该作者 · 2009-8-24 21:14

3.发现问题
洋公司就是好（太崇洋媚外了），什么文档都有一些。上仙童的网站上搞下来几个Application Note[2]，再看了看TI的Datasheet[3]，然后如法**制。“反正是交流调压，照做应该没问题吧？”我心想（想当然似乎是菜鸟们的通病吧）。于是乎一下午的时间，照这个图把电路弄了出来，如图3-1。

图3-1 双向可控硅驱动阻性负载

先不给风机上电。给过零检测电路通上电试试，还好，波形出来了，正反向过零检测，100Hz，先窃喜一下。再试下移相触发信号，貌似也没问题（图3-2）。

图3-2 过零与触发信号示意图

这下好了，波形都搞对了，让俺先在风机上试一把。上电，风机转起来了。然后，按几下按钮，让它减速。
见鬼了，盯着示波器看，明明触发信号一点点的后移了，这风机怎么就没动静呢。半个工频周波周期是10ms, 我就给可控硅设计了个0～9500us的可调触发延时时间。过了一会，触发信号的延迟到3000us的时候，风机抽疯了——一下快，一下慢地转着；再下去，等触发延迟快到7000us的时候，风机跟死在那儿一样，一动不动了，只听见风机绕组发出嗡嗡的响声。
这一幕把我这菜鸟彻底搞糊涂了：风机不是可以调压调速的吗？不就是用双向可控硅调压吗？大公司出的应用笔记，不会完全不对吧。回头又看了一下TI的文档，发现自已忽略了一条重要信息：我把电路做成处理阻性负载的形式了。再看下面，哦，有一个专门针对感性负载（比如电机）的（图3-3）。

图3-3 双向可控硅驱动感性负载

区别似乎只在于：需要为原来的电路加上一个Snubber network，汉名应该叫“缓冲网络”。幸好电路不用怎么改。直接照着一个技术文档[4]算了一下值，安上电容电阻，打了打表，没问题了，再上电。
结果还是令人沮丧的。这没有解决我的问题，反而增加了一个更不爽的地方——调压时，电路会发出“嗞嗞”的响声，而且，触发延迟越大，响声也越大。后来发现，自已一时糊涂，把高压瓷片电容加到缓冲网络里去了，换成CBB电容，声响就基本没有了。可是，这还是不解决调速的问题——调到大约50°触发角的时候，风机就会一下快，一下慢地抽起疯来。
4问题分析

又仔细查了一下文献，开眼了。ST的一篇应用笔记[5]中指出，对付阻性负载与对付感性负载的不同之处。原来，用一般的可控硅调节感性负载的电压时，不仅要给它安上缓冲网络，消除高电压、大电流冲击下可能产生的误触发情形，还得注意触发时机，因为，感性负载会使得通过的交流电压与电流不同步，电流相较电压会产生一个明显的滞后角，不恰当的触发时机会使电机处于不对称运行的状态（比如交流的正半周有电流，而负半周完全被关断），以致无法进行正常的调压。上面说的就是图3 -4的这种情形。

图4-1 不同类型负载下双向可控硅的导通情形

图3-4中的上半部分是双向可控硅连接阻性（或较小的感性）负载时的电压与电流波形，而下半部分是其在连接感性负载时的电压与电流波形。可见，下半个图中，通过双向可控硅的电流波形正负半周明显不对称。

现在的问题就是：如何改进触发方式，以解决“不对称运行”的问题。

只看该作者 · 2009-8-24 21:15

5.问题解决方案

此后的几天，自已一直在网上找相关的处理手段，但是没有找到能把原理讲透的**（菜鸟需要对本质有更深入的了解才敢动手）。无意中又翻回去看看了以前找的资料，里面提到了采用Pulse train(脉冲串)的方法来触发可控硅（图5-1）。

图5-1 脉冲串驱动可控硅门极波形

可惜，那个是用模拟电路实现的，模电没有系统学过，看电路如看天书般，又不合我用单片机做数字触发的本意，故只好作罢。细看几篇老外的文献中，提到了处理感性负载时，几条需要注意的基本结论，里面有一条：Keep the triac in conduction: By selection of the type of control (avoid gate control by a single short pulse).意思是：保持双向可控硅导通：选择控制（触发）方式，避免使用单个的短脉冲触发门极。又想起前面看到的脉冲串触发，觉得可以人为地用单片机制造脉冲串的方法来试一试。就像这样，图5-2。

图5-2 使用单片机定时中断产生脉冲串示意波形

一开始并不顺利。因为我是用定时中断的方法来产生脉冲串的，运行这个程序，单片机负载很重（本来就100Hz过零中断一次，中间还夹杂了不少定时中断）。运行时，风机始终处于最高转速运转状态，根本调不了速。后来发现，原来，那些个“脉冲串”没有规矩，起始点是在开始触发的位置，可是终止位置不是很准确，这导致可控硅一直无法关断，怪不得风机全速运转呢。

学校的好处是可以搜学报**（虽然里面垃圾也不少）。一开始没发现，这种早就被国内砖家们玩烂的东西还有不少人写。找到一篇有用的（可惜忘了是具体是哪篇**了），介绍了下面这种方法（图5-3）。也就是使触发信号与过零信号同步。一旦触发，触发信号一直保持到交流电压过零前一刻为止。

图5-3 用D触发器实现触发信号与电源过零信号同步

这下好搞了，D触发器我手上可有一堆。直接搭电路。再触发，好了，波形变成这个样子了（图5-4）。

图5-4 延时8ms触发的实测波形

上图中，蓝色的是交流过零信号，黄色的是单片机发出的延迟8ms的触发信号（低有效），可以看到，在交流出现过零时（蓝色信号的上升沿），触发信号也同时被关断（黄色信号的上升沿处）。

为了试验这个板子是否真能移相调压（怕直接试验把风机折腾坏了），先用个阻性负载——白炽灯，接上试一下。效果就是这样的（图5-5），这是白炽灯调光过程。

图5-5 白炽灯的交流调压效果

再换上风机，终于实现调压调速了：从可控硅全开到接近135°的触发角均可以稳定地调速（角度再大些风机力量就不够了，会转不起来）。今天屋里人多，不便接风机，太吵了，就给自已山寨的电路还有风机上个图吧（图5-6）。

图5-6 交流调压板与离心风机

只看该作者 · 2009-8-24 21:15

6.后记

看来，菜鸟做事情，细心是第一条；另外不能想当然地处理问题，否则就是在制造问题。

此事做完后，并非一帆风顺。老板又想在另一个机器上整出个交流调速来。这次的主角是个25W的单相交流电机，也是带电容运行的。我充满期待地把做好的调速板接上，发现，电机只有三种运行情况：全速运行——开始发抖——停着不转。怎么调都不行。为什么风机能调速，而一个普通的单相电机却不行呢？上网上一查，发现一行字：只有风机、泵机类电动机等软特性负载、或者力矩电机场合可通过调压来实现调速。好了，原来我这个电机的应用场合不太合乎要求。不过老板硬要我实现这个功能，怎么办呢？咱下回再来分解吧，我得吃饭去了。

哦，对了，还有参考文献，方便查找，下面列出来。还有其他没列出来的，是当时看过的一些可能有用的文档资料，我都把它打包传上来了。感兴趣的朋友可以下载来研究下，有什么好的建议也尽量提出来吧。

最后，欢迎拍砖！

7.参考文献

[1]
单相交流调压电路简介，www.hudong.com/wiki/单相交流调压电路

[2]
Applications of Non Zero Crossing Triac Drivers- Featuring the MOC3011，仙童半导体，2003

[3]
MOC3020 THRU MOC3023 元器件数据表,德州仪器，1995

[4]
RC snubber circuit design for TRIACs，意法半导体，2007

[5]
USE OF TRIACS ON INDUCTIVE LOADS，意法半导体，2004

只看该作者 · 2009-8-24 21:16

本文相关参考资料：

2万 · 2009-8-24 21:18

LZ继续

只看该作者 · 2009-8-24 21:33

头一回发现，发帖是个体力活。
PS：调整图片的位置实在是太费劲了。。

1万 · 2009-8-24 21:57

楼主发贴好认真。加酷不够，再加分。

1万 · 2009-8-24 22:32

好贴要顶，
3楼示波器图下的
“上图中，蓝色的是交流过零信号，黄色的是单片机发出的延迟8ms的触发信号（低有效），”
单片机发出的延迟8ms的触发信号-----这个信号是以什么为基点开始延时的？

只看该作者 · 2009-8-24 22:51

8# 程序匠人
谢谢匠人的支持！～

只看该作者 · 2009-8-24 22:58

9# gaohq
触发信号的起始点，理论上应该从交流信号的过零点开始计算，
而实际上，过零信号是一个窄脉冲，所以，起始点就设置在过零脉冲下降沿之后，程序中的处理方法就是：用下降沿触发的方式进入中断，然后再开始计时，定时时间一到就发出触发信号。

4万 · 2009-8-24 23:24

不错，你的问题主要出在感性负载上，电流和电压有相位差引起的，和单次触发关系不大。

PS：楼主的第一个图犯了严重的错误，好得你老板没接受，不然会很难看的。呵呵...

只看该作者 · 2009-8-24 23:34

12# awey
愿闻其详，请不吝赐教。

只看该作者 · 2009-8-24 23:39

之前发现，用拉电流驱动的时候，第一个图，一上电，所有继电器全都闭合了。。。汗！～
后来改成灌流方式驱动了，问了老板，总觉着不加些别的保护啥的就不可靠，最后因为换方案就不了了之了。。

4万 · 2009-8-24 23:47

随便说说：
用继电器的场合要考虑到当继电器失控，触电粘合，老化等情况出现时，机子不会出大的乱子。
楼主前面的电路如果任意一个继电器触点粘合，会造成变压器局部短路，后果会非常严重！
还有当控制的MCU万一程序跑飞，造成多个继电器同时吸合，结果同上。

只看该作者 · 2009-8-24 23:53

虽然看不懂，但也要支持一下

只看该作者 · 2009-8-24 23:57

谢谢awey，
其实这些问题我也考虑过，最后的方案是在变压器铁芯上拿硅胶贴了个热敏电阻；一开始我和跟老板提议加机械互锁，不过考虑到成本太高，最后没有采用。

4万 · 2009-8-25 00:14

继电器转接法调压，通常使用带转换触点的继电器串联组合的接法，可以避免继电器失控造成的事故，
但会增加电流流经的触电数目，对继电器的触点寿命不利。

2万 · 2009-8-25 01:45

虽然做的还比较粗糙，但确实用了心思，呵呵，好好在整理一下图纸和产品，哈哈，俺们继续围观。

开始没考虑到感性负载的问题就上去一通弄，呵呵，没有冒烟或者放火，运气真的好的惊人哦。

可控硅还是要注意隔离的问题，不隔离的情况下比较危险。

只看该作者 · 2009-8-25 07:30

本帖最后由徐小剑于 2009-8-25 07:41 编辑

截图好清晰呀，你们是怎么做到的呢？

好**呀，不知道还有没有下文！

【有奖征文活动】菜鸟交流调压应用笔记

相关下载

相关帖子

精华达人奖章

湍急之河流

伴坛终老

技术奇才奖章

终身成就奖章

坚毅之洋流

技术领袖奖章

十世金身

核心会员奖章