菜鸟交流调压应用笔记--可控硅+单片机控制交流调压

海洋DZ

( _  J) {- z. c6 Q5 R菜鸟交流调压应用笔记
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。
文章题目叫做“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。
现在把文章贴上来，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
4 y' `) i; k& q$ m! P5 v$ y 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。
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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。
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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。
0 I2 }/ g/ {/ Z2.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。
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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）
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+ T- A7 M: k+ K; p' i图2-2 主要的器件
- M* N: q, C3 Z; e8 L 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。
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图2-3 交流过零检测电路
7 e/ H3 a0 T) s! b" }9 h. x4 B1 v3.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]，然后如法炮制。“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。
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  _: _9 V. J+ e1 @- i! Z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）。
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# l. ^: o/ {- O8 o; S( t' q图3-2 过零与触发信号示意图
$ \3 f: ]  D4 H( L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。
& O% Z/ j% ~; t) M, u 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。
# A6 O' h1 m' n 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）。
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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。
. R) K/ u4 w/ A! b 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
( O5 ~1 [, S; [2 E& P- Z% O 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。
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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。
+ }; w' G) ?7 m2 ^ 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。
5.问题解决方案
! q. q: k' ]% o) T 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文章（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）。
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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。
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% r$ h7 @- ]  @; ]0 o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文章（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文章了），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。
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图5-3 用D触发器实现触发信号与电源过零信号同步
5 i! @, l1 t1 k* ^4 y4 l5 N# O 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）。
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7 Q3 S" s% j# P0 Q, I8 B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）。
- T9 e4 D% y8 n. Z; c% h& L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。
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图5-5 白炽灯的交流调压效果
( L2 y4 {" Y/ V" \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）。
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" g- Z; D* O! k图5-6 交流调压板与离心风机
( k2 z2 z4 M; ?) g6 R5 O! g) a6.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。
9 h. b, j5 Q7 D/ ]) {7 E 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
  x8 c0 _- J+ Z[2]    Applications of Non Zero Crossing Triac Drivers- Featuring the MOC3011，仙童半导体，2003
/ N- J& W+ f; ]$ W- p[3]    MOC3020 THRU MOC3023 元器件数据表,德州仪器，1995
, J( L. p% W4 \- A8 R, s# m% W: D[4]    RC snubber circuit design for TRIACs，意法半导体，2007
" A: m, ~' c1 P2 B- r4 h[5]    USE OF TRIACS ON INDUCTIVE LOADS，意法半导体，2004
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海洋DZ

这个电路对于可控硅交流调压和单片机控制调压都是一篇不错的文章，转来让大家一起看看

1020833847

好文章，仔细看了一下，启发不小。

唐山老电工

先收藏，要仔细、认真的看一下。

唐山老电工

我的帖子
& j6 V, p# g1 d0 N这张图中几个元件的作用？
. ~; ]/ P$ _3 E" Rhttp://www.chinadz.com/forum.php ... &fromuid=919011
# q  F% W, Z- q% J; V(出处: 家电维修论坛)
涉及的问题还没有明确答案，能帮助分析一下吗？

菊翁

谢谢分享资料

海洋DZ

今天有空，把资料的图片补上了