4.3 功率控制电路
该部分由晶闸管交流调压电路组成
（1）晶闸管的特性:晶闸管的转换效率高(可达95%～97%)，体积小、重量轻、时间延迟小、功耗低，是工业中实现大容量功率变换和控制的主要器件。晶闸管有三个电极：阳极、阴极和门极。晶闸管的通断规律为：
1）当晶闸管承受反向阳极电压，即UAK<0时，不论门阴极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。
2）当晶闸管承受正向电压，即UAK>0时，仅在门极承受正向电压(UGK> 0)的情况下晶闸管刁一能导通;
3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通。
4）要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压(UAK=0)，或者给阳极加反压(UGK < 0)；或者降低阳极正向电压，使通过晶闸管的电流降低到维持电流以下。
5）当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力，这是一般二极管所不具备的。
（2）交流调压电路用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便地调节输出电压有效值。常用的晶闸管交流调压控制方法有两种：a.通断控制。即把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期(工频1周期为20ms)，然后再断开数个周期，以改变通断时间比值达到调压的目的。这里晶闸管起到一个通断频率可调的快速开关的作用。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载，缺点是输出电压或功率调节不平滑。b：相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中，在选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。在交流调压器中，相位控制应用较多，下面主要分析相位控制的交流调压电路，先阐述作为基础的单向交流调压电路。
单相交流调压电路如图4-3所示，其中晶闸管VT1和VT2反并联连接与负载电阻R串联接到交流电源u1上。当电源电压正半周开始时触发VT1，负半周开始时触发VT2，形同一个无触点开关，允许频繁操作，因为无电弧，所以寿命长。若正负半周以同样的移相角?触发VT1和VT2，则负载电压有效值可以随?角而改变，实现交流调压，图4-3示出其波形。
27
VT1
u0 i0 i0 ?u1 VT2 u0 R
0 ? ? b 波形图 2? ?t
a 调压电路
由上图可以看出，改变控制角?，可得到不同的负载电压波形u?f???，?角越大，在每个周期中晶闸管的导通角?????越小，加在该相负载上的电压有效值u0越小；反之，?角越小，加在负载上的电压有效值u0越大，从而使电路起到调压的作用。交流调压的原理就是利用晶闸管导通角的变化来改变输出电压的有效值以实现对负载电路输入电压的调节。在电路中为使波形的正负半周对称，反并联的两个晶闸管的控制角?应该相等。
在图4-2中使用的是三相交流调压电路，相当于三个单相晶闸管交流调压电路的组合，电路中晶闸管承受的电压、电流就是每相间的单相调压器需要考虑的数值，所不同的是晶闸管承受的电压为线电压，而流过反并联晶闸管的电流为线电流而己，其工作原理和每相负载上的电压波形与单相交流调压情况有点类似但却不完全相同。三相交流调压电路是三相对称电路，所以任一时刻需要位于不同相中两个晶闸管同时导通，工作时电路中一相电流必须和另一相构成回路。至于各晶闸管门极的触发脉冲，同相间两管的触发脉冲应互差180?，三相间的同方向晶闸管的触发脉冲要互差120?，要采用宽脉冲或双窄脉冲触发，在这里采用的是双窄脉冲触发方式。设U为线电压的有效值，则三相线电压分别为：
图4-3 晶闸管单向交流调压电路及其波形
uUV?2Usin?t 2???uVW?2Usin??t??
3??4???uWU?2Usin?wt??
3?? （4-1）
图4-2中六只晶闸管从右往左依次为VT1、VT4、VT3、VT6、VT5、VT2，
VT4、六只晶闸管门极触发的相序是VT1、VT3、触发相位依次滞后120?，VT5，VT6、VT2的触发相位又分别滞后于VT1、VT3、VT5的触发相位180?，这样，触发相位自VT1至VT6，依次滞后间隔为60?。4. 4节能装置控制部分
28
4.4节能装置控制部分
控制电路是整个节能装置的核心，接收检测信号、发出指令，控制节能装置的所有操作，如图4-4所示，控制电路的系统构成包括主控CPU，电压、电流的采样，电压与电流的相位角检测，A/D和D/A转换，缺相保护，继电器输出，监控和电源。
输入电压电流采样 A/D转换 A/D 转换 电压与电流的相位差对应的角度检测 主控 CPU 缺相保护部分 AC 380V M ～ 监控部分 继电器输出控制交流接触器
抽油机节能装置主电路中的电压和电流经电压互感器和电流互感器进入电压、电流采样输入部分进行采样，采样后的信号进入A/D转换器，形成数字量，进入单片机进行处理。另外，来自互感器的电压、电流信号还进入电压与电流的相位角检测电路，获得它们之间的相位角，单片机利用得到的相位角来计算电动机的铜耗和铁耗。缺相保护部分用来监测来自电流互感器的三相电流，只要缺少任何一相，单片机就会发出指令，使电动机停止运行，从而对电动机进行保护。键盘部分利用一些独立式按键来控制电动机的动作以及有关显示的部分。单片机计算的铜耗、铁耗以及它们的差值经模糊控制器的模糊判决后，形成控制信号的精确量，然后通过D/A转换变成模拟电压信号，进入KC6SM-2型晶闸管触发控制板，控制晶闸管的导通角，改变加在电动机定子电压的有效值。当需要甩开节能装置或晶闸管出现故障时，单片机发出一控制信号，由直流固态继电器控制交流接触器KM3，使其触点接通，工频三相电源直接加于三相异步电动机定子绕组上。
29
图4-4 控制装置控制电路的系统构成框图
主控CPU是整个控制电路的核心，它决定了整个系统方案的设计和其他外围器件的选择。由于控制电路的输入变量和输出变量较少，所要求的运算速度和精度不是很高。因此选用P87LPC762为主控CPU。
P87LPC762的主要特性如下：
1）操作频率为20MHz时，除乘法和除法指令外，加速80C51指令执行时间为300～600ns。VDD=4.5～6.0V时，时钟频率可达20MHz，VDD=2.7～6.0V时，时钟频率最大为10MHz；
2）用于数字功能时，操作电压范围为2.7～6.0V； 3）2K字节OTP程序存储器； 4）128字节的RAM；
5）32字节用户代码区可用来存放序列码及设置参数；
6）2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口出； 7）2个模拟比较器； 8）全双工UART；
9）8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入； 10）4个中断优先级；
11）低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件；
4.5采样与检测
4.5.1电压、电流采样
由一个电压互感器和三个电流互感器构成。将高电压、大电流电流变换为安全的测量用电压、电流信号，输入测量、保护电路。设计的电压互感器的变比为50:1，其输出电压输入到控制电路里进行电压信号采样、检测。电流互感器的变比设计为10000:1，电流互感器的输出有一路进入控制电路里进行采样和检测，另一路作为保护取样信号。采样和检测电路获得的的电压和电流信号为计算铜耗、铁耗做准备，控制电路里还利用来自三个电流互感器的电流进行缺相保护。
30
VD1 VD5 R14 RP1 U VS1 U1 U2 VD2 VD6 C2 C4 VT1 R16 P12 VD3 VD7 R1 RP2 I VS2 I1 I2 VD4 VD8 C1 C3 VT2 R15 P12 图4-8 电压、电流的采样电路图
如图4-8所示为电压、电流的采样电路图，上图为电压采样图，下图为电流采样图。从电压互感器取出的信号经过桥式整流后，由电容C2滤波，形成的直流电压信号再经R14分压，加在电位器RP1上，VS1为稳压管，使直流电压稳定在5.1V。调节电位器，使采样环节输出电压的范围为0～5V时，对应三相交流电压范围0～380V。采集到的电压信号经U端进入A/D转换器进行模数转换，给单片机提供可处理的数字量。P12在这里作为单片机的输出端口，控制着晶体管VT1和VT2的通断。图中晶体管VT1和VT2的作用是:开始时单片机的P12口为高电平，使VT1和VT2饱和导通，则U端和I端为低电平。需要采样时，再使P12口变为低电平，VT1和这时A/D转换器对电压信号或电流信号进行采样。VT1和VT2起到了保护VT2截止，
A/D转换器免受干扰信号冲击的作用。对电流信号采样，需要先将电流信号转化为电压信号，A/D转换器才能对其进行采样。为此，将来自电流互感器的电流信号流经一个电阻，然后从该电阻两端取出电压信号，再进行整流、滤波、采样，图中C3和C4的作用都是为了滤除高频干扰，保护A/D转换器。
31