【摘要】本文介紹了一種大功率直流電源的設計，給出了主電路、控制電路的設計，并詳細介紹了主電路的工作原理，同時介紹了以單片機為核心的觸發(fā)脈沖電路的設計，給出了硬件設計原理和軟件設計流程圖。

【關鍵詞】直流電源；單片機；觸發(fā)脈沖

引言

現實社會中電網提供給工廠的為交流電，而在很多情況下卻需要直流電源，因此大功率直流電源設備是一種必不可少的工業(yè)設備，如應用在蓄電池充電，電力機車、電動車組的實驗中等，本文所設計的直流電源是一種可調的直流電源，其輸出電壓值可調整，輸出電流的最大值也可調整，可以滿足不同情況的需要。

1、總體設計

本文設計的可調直流電源由交流輸入電路、整流濾波電路、數字脈沖觸發(fā)電路、保護電路等組成。其原理框圖見圖1。考慮到三相負載的平衡，此處采用三相橋式整流電路，三相橋式可控整流電路同時具有輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短等優(yōu)點。

2、主電路設計

主電路如圖2所示，3相交流380V工業(yè)配電經斷路器QF11和接觸器KM11后，經整流變壓器、三相全控整流橋和濾波電路后輸出直流電。圖2中輸入側的R1、C1、R2、C2、R3、C3組成RC濾波電路。FU11、FU12、FU13、FU14為熔斷器，分別設置在整流橋前端的三相交流電路中和整流橋后端直流輸出電路中。設置在三相交流電路上的熔斷器其作用除了過流保護外，還有在某個整流晶閘管發(fā)生故障的時候，當整流器件發(fā)生反向擊穿故障時，快速熔斷器快速分斷故障支路的短路電流，保護整流器免受故障短路電流的危害，起到防止事故擴大的作用。操作過電壓是電路工作狀態(tài)突然變化時，電磁能量急劇轉化，快速釋放時產生的一種過電壓，這種現象在電路中經常發(fā)生，當斷路器QF11閉合，KM11閉合后3 相交流380V電源即經過整流變壓器TM1加到整流橋上，在此瞬間所產生的過電壓就有可能會損傷整流橋。為防止輸入整流橋的三相交流電壓的操作過電壓，在整流橋前端并聯一個三角形接法的壓敏電阻；即圖2中的R11、R12、R13。

3、主電路工作原理

圖2中晶閘管的導通順序為 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。當晶閘管觸發(fā)角α=0o時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接交流電壓 值最高的一個導通。而對于共陽極組的3個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最低的一個導通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。由于電感L1的作用，此時電路工作波形如圖3所示。α=0o時，各晶閘管均在自然換相點處換相。由圖中變壓器二次繞組相電壓與線電壓波形的對應關系看出，各自然換相點既是相電壓的交點，同時也是線電壓的交點。從相電壓波形看，以變壓器二次側的中點n為參考點，共陰極組晶閘管導通時，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡線；共陽極組導通時，整流輸出電壓ud2為相電壓在負半周的包絡線，總的整流輸出電壓ud=ud1-ud2是兩條包絡線間的差值，將其對應到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡線。將波形中的一個周期等分為6段，每段為60度。整流輸出的波形在一周期內脈動6次，且每次脈動的波形相同，因此在計算其平均值時，只需對一個脈波（即1/6周期）進行計算即可。此外，以線電壓的過零點為時間坐標的零點，于是可得當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載α≤60o時）的平均值為：

電阻負載且α>60o時，整流電壓平均值為：

在本電路中觸發(fā)角工作在α≤60o的狀態(tài)，隨著觸發(fā)角α的增大，ud平均值逐漸降低。因此可以通過調整觸發(fā)角，來改變直流電壓的輸出值。

4、控制電路設計

控制電路原理圖如圖4所示，由電源進線端的C相和零線引入控制電AC220V，并裝設小型交流斷路器QF01作為控制電源的總開關。合上QF01斷路器，在緊急停機按鈕閉合、連鎖保護閉合的情況下，按下啟動按鈕KM11接觸器得電閉合自鎖，整機得電啟動，主電路合指示燈HL1亮。當按下停止按鈕時KM11失電，主電路分指示燈HL2亮，整機不得電。當發(fā)生故障時KA閉合，故障指示燈HL3亮顯示故障狀態(tài)。

5、數字觸發(fā)電路的設計

5.1硬件電路設計

硬件以AT89C52單片機為控制核心，其結構框圖如圖5所示，它包括同步信號檢測、AD轉換電路（直流輸出電流檢測）、脈沖的形成與放大、顯示模塊和鍵盤電路等。

5.2軟件設計

觸發(fā)電路的軟件設計是非常重要的一個部分。軟件部分包括主函數、中斷子函數、顯示子函數、脈沖產生子函數和鍵盤子函數等。本設計最重要的特點之一就是充分利用了單片機的軟件編程能力。這里主要是用軟件檢測同步電壓的過零點，以控制脈沖信號的產生。六路觸發(fā)脈沖形成過程如下，當單片機檢測到A相同步電壓Ua從負到正的過零點信號時，它會接收到來自于INT1的中斷請求信號，這時，單片機會中斷響應服務子程序。這個子程序的功能是決定如何產生第一個觸發(fā)脈沖的上升沿。當單片機檢測到同步信號過零點時，單片機定時器1 同時開始計時，它工作在工作方式1，定時的長度是由單片機的要產生的觸發(fā)延時角α決定的。延時相應的時間之后接著啟動定時器0，定時器0中斷服務程序產生并發(fā)出六脈沖信號。程序流程圖如圖6所示。首先，將單片機初始化，包括定時器1、定時器0的初始化，封鎖脈沖信號的輸出，以及外部中斷1的初始化；然后調用數碼管顯示子函數，以顯示初設值；其次，單片機會監(jiān)視是否有按鍵按下，如果有，則調鍵盤操作子程序；然后，單片機檢測同步信號，并據此確定是否產生脈沖并將脈沖放大，最后去觸發(fā)晶閘管。如果檢測到直流輸出電流大于定值，則封鎖脈沖輸出，并輸出故障提示。

6、結束語

本文介紹了一種大功率可調直流電源的設計，以單片機為觸發(fā)脈沖產生電路的核心，實現了直流輸出的電壓和電流可調節(jié)。

參考文獻

[1]徐德鴻.電力電子技術.科學出版社，2006

[2]童詩白.模擬電子技術基礎（第四版）.高等教育出版社，2006

[3]趙建領.51系列單片機開發(fā)寶典（第二版）.電子工業(yè)出版社，2012

作者簡介

桑占良（1978-），男，工學碩士，現從事高鐵動車組電氣工藝工作。