菜鸟交流调压应用笔记

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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
 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

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。
 
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。

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)。
  
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。
  
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

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

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