在控制感性负载(交流电动机)时,什么时候应该触发TRIAC的闸门?


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我正在使用光电双向可控硅+ TRIAC的组合来通过微控制器控制230V交流电机。为了检测电压的过零,我正在使用另一个光耦合器。 双向可控硅+双向可控硅+缓冲器 用于过零检测的光耦合器

我知道交流电动机是一个感性负载,因此电压的过零先于电流的过零。我的电路检测到电压的过零,但是当电流为零时,可控硅会关断。我应该何时触发TRIAC的闸门以获得任意的电动机速度(假设是正常速度的一半)?我怎么知道可控硅何时关闭?

Answers:


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我怎么知道可控硅何时关闭?

当三端双向可控硅开关元件导通时,三端双向可控硅开关元件两端的电压被钳位到接近零的电压。(三端双向可控硅开关的数据表可能会说类似最坏情况的V_A1_A2_on为+-1.5 V)。

许多电路检测到双向可控硅两端的电压(正或负)何时高于大约+10 V或低于大约-10 V,以指示双向可控硅肯定断开。参见AN307的图4。

您是否考虑过像所有过零固态继电器一样感测三端双向可控硅开关两端的电压,而不是没有固态继电器那样感测线电压?

我应该何时触发TRIAC的闸门以获得任意的电动机速度(假设是正常速度的一半)?

对于一些负载,速度大致与双向可控硅导通时间成正比。对于这些负载,将三端双向可控硅开关元件开启时间为1/2(关闭三端双向可控硅开关元件的时间为1/2),以获得接近最大速度一半的速度。

负载通常随速度的平方增加(例如,在空中推动车辆时)。对于这些负载,将三端双向可控硅开关元件打开1/4的时间(将三端双向可控硅开关元件关闭3/4的时间),以获得接近最大速度一半的速度。

几乎总是有一些最小的开机时间(最大关机时间)来使事情进展。除此之外,还有一些电力输入,但没有任何动作。

正如Olin Lathrop所提到的,通常需要几次以实验方式测量输出速度与三端双向可控硅开关元件导通时间的关系(也许是全导通时间的1 / 5、2 / 5、3 / 5、4 / 5)。完全关闭时间),找出哪个设置接近半速,并希望在开环运行时保持大致相同。

如果精确地维持某个特定速度很重要,则您可能需要运行闭环-换句话说,添加某种转速表以始终测量实际速度,然后通过添加一些东西来自动增加开环来闭环。测量速度太低时的时间(减少关闭时间),等等。

在控制感性负载时,什么时候应该触发TRIAC的栅极?

请考虑按照制造商提供的数据手册和应用笔记中推荐的方式进行操作,在这种情况下,请参见ST应用笔记AN307:“在感性负载上使用双向可控硅”

也许最简单的方法是

  • 注意三端双向可控硅开关两端的电压(在引脚A1和A2之间)。当该电压高于+10 V或低于-10 V时,三端双向可控硅开关元件绝对关闭。
  • 在我们确定三端双向可控硅开关肯定关闭后,将时间从0(全速)延迟到近10 ms(几乎静止),然后将门拉低。
  • 持续将栅极拉低一段时间,直到三端双向可控硅开关元件打开为止(直到三端双向可控硅开关元件两端的电压很小)。然后将栅极拉高(将栅极电压设置为与双向可控硅A1引脚电压相同)。
  • 重复。

不幸的是,与AN307的链接不再起作用
–aidan

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您需要知道交流线路过零的时间。与其他人的说法不同,在开启双向可控硅时,您正在寻找电压过零问题。考虑到三端双向可控硅开关元件尚未接通,因此电流为零时,这一点应该显而易见。

您似乎正在尝试测量底部电路的电压过零,但是您可能需要做一些实验才能使其正常工作。您指望的电压足够低,以至于在每个零交叉点都不会打开LED,然后在每个零交叉点都会关闭晶体管。因此,您希望每个零交叉点都有一个小的正毛刺。要使LED熄灭足够长的时间,以使晶体管足够熄灭以使上拉工作,然后在几乎没有相位延迟的情况下进行所有操作,这将非常棘手。

在一种情况下,我必须这样做,在推挽式配置中使用了两个optos。LED背对背接线,因此每个线周期打开1/2。输出已布线,因此一个拉高,另一个拉低。产生的输出是占空比为50%的干净方波,其边缘非常接近零交叉点。

无论如何,一旦每个零交叉点都有一个信号,您只需在打开三端双向可控硅开关之前添加一个可变延迟。延迟可以从零到几乎半个线周期。延迟时间越长,电机的总体平均电压越低。如果线路频率为50 Hz,则整个周期为20 ms,半周期为10 ms,因此可变延迟时间可能应限制在0-9 ms左右。

您将不得不尝试确定电动机将看到的平均电压作为延迟的函数。如果已知负载,则可以计算得出。您的负载具有不可预测的电感分量,因此,下一个电压过零后,双向可控硅实际上会关断。该延迟本身将随打开延迟的变化以及电动机的运行状况而变化。如果接通延迟很小,则电感将在半个周期的大部分时间内进行充电,因此需要一段时间才能放电。如果延迟时间很长,那么电感器仅在低压下充电了很短的时间,因此只需要很短的时间就可以放电并达到可控硅关闭的零电流水平。

对于视在较低的电动机电压(长时间的接通延迟),关断延迟无关紧要,因为可控硅开关在您试图在下一个半周期结束时再次将其打开之前先关断。当您打开电动机驱动器并因此减少打开延迟时,最终电感器零电流将在下一个半周期的打开信号之后出现。现在,三端双向可控硅开关元件将一直导通,这意味着您的电动机可以看到满线电压。较短的开启延迟不会增加电动机驱动器。但是,您仍然可以对电动机进行几乎全范围的控制,只是它在整个生产周期中分布不均匀。小打开延迟与连续打开相同。

注意,这是假设三端双向可控硅开关元件从接通延迟开始持续驱动,直到接近半线周期结束为止。这保证了双向可控硅在每个半线周期的导通阶段均导通,无论电流如何。如果您不这样做,而是在开启延迟后短暂地触发三端双向可控硅开关元件,则会发生两件事。首先,当电动机满载并且在上一个半周期的电流过零发生在打开下一个周期后,则双向可控硅将在该过零处关闭。其次,当电流出现短毛刺时,双向可控硅可以关断,就像机械换向的电动机一样。


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您可能要看的一件事是用栅栏围栏发射双向可控硅。阻断发射(仅将栅极驱动为低电平)不如以〜20kHz方波将栅极驱动为低电平有效。在门极电阻上并联一个小的(.01至.1uF)电容器将为您在每个脉冲上提供一个不错的大电流上升沿,从而有助于三端双向可控硅开关。用栅极R / C进行实验,以获得较短的高电流前沿,并在每个脉冲上具有较低的电流“后沿”。
akohlsmith 2011年

@安德鲁:是的,很好。OP要记住的重要事情是在导通时间内以某种方式继续驱动三端双向可控硅开关元件。如果电感滞后足够高,这将使它保持在电流过零的整个范围内,并且也将使它保持在短电流毛刺的范围内,就像机械通信的电动机那样。
Olin Lathrop

@akohlsmith您能开发一点 “阻塞发射(仅将栅极驱动为低电平)不如以〜20kHz方波将栅极驱动为低电平有效”吗?谢谢
rom1nux

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您需要检测电流过零而不是电压过零。

最直接的方法是将并联电阻与交流负载串联,并测量该电阻两端的压降。这样可以直接测量电流。通常,您应该放大此电压,因为您应该使用尽可能小的分流电阻。

从那里开始,使用该电压为比较器或类似设备供电,以触发uC中的过零中断。

当当前的交叉接近并通过零时,您将获得比较器的多次触发,因此通常需要包括某种窗口功能来处理此问题。


我不能仅凭我拥有的硬件来控制电动机的速度吗?
m.Alin 2011年

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并非完全如此。如果三端双向可控硅开关元件不工作,您将不会有过零现象。如果要精确控制输送给电机的功率,则使电流和电压过零都重要,但是绝对需要电压过零才能启动。
akohlsmith 2011年

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正如安德鲁所说,您确实需要知道电压过零的时间。在决定何时开启三端双向可控硅开关元件时,由于三端双向可控硅开关元件关闭,因此没有电流,因此没有电流过零。
Olin Lathrop

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我建议使用三个选项之一。两个(a和b)仅涉及电压ZC的知识。另一个(c)涉及电压和单个负载电流的知识[一旦电动机达到“转向”并且传导可检测的AC] ZC。

对于每个选项:以“最小”极性为三端双向可控硅开关栅极使用高频PWM驱动器(最好不要象限III,最好是同相或负极性栅极驱动器)。此外,晶闸管栅极不一定需要连续驱动,而只是经常提醒操作,直到它们在半波期间启动(即电流流动)为止。

每个选项都假定已计算出几乎相同的速度ZC电压(请记住,感应电动机的相位控制效率非常低,并且在合理的负载转矩下无法进行太多的减速,并且在最佳情况下电动机失速和过热是常见的)。

实验当然是最好的决定因素,但在占空比为25%的情况下,如43.2kHz (2因子错误)-> 21.6kHz pwm,每60Hz相位将产生四分之一度长的脉冲,这可能是一种功率-saver,但非常权威。在下面,对于给定的速度降低,“电压ZC”术语可以用每半个波的已知相位角替换。

选项(a)栅极驱动器pwm从电压ZC激活,直到刚经过计算(或高估或实验确定)的电流ZC相角为止。

选项(b)栅极驱动器pwm从电压ZC激活直到几乎下一个电压ZC都有效-别无选择。

选项(c)栅极驱动pwm从电压ZC激活,直到刚好超过观察到的电流ZC。

我个人已经使用选项(a)取得了很大的成功。通过相位控制,我在降低速度方面做得很少。不简单使用选项(b)的唯一原因是

当我想降低速度时,我尝试使用直流电动机(便宜)或VFD(扭矩)。

相比之下,我将注意到,在当前的改造项目中,我将尝试使用上述选项(a)进行速度控制,并将报告任何成功的发现。

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