1.本设计的由来
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。