郭保峰中期报告.docx
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郭保峰中期报告
毕业设计(论文)
中期报告
题目名称:
微波反应器输出控制板的设计
学院名称:
电子信息学院
班级:
测控101
学号:
201000454129
姓名:
郭保峰
指导教师:
许京雷
2014年4月
1引言
1.1选题背景
微波加热作为一种工业加热技术早在60多年前就已经产生。
与传统的加热方式相比,微波加热具有选择性加热、升温速率快、易于实现自动控制及可降低化学反应温度等优点。
因而,微波加热在工业上的应用日益广泛。
然而目前国内外微波加热设备主要集中在低温加热应用方面,如食品处理、木柴干燥、橡胶硫化等,微波高温加热设备的应用较少。
微波高温加热是指利用微波能量将物料加热到400℃以上,并对物料进行烧结、合成、改性或者热处理的一种技术。
国内外相关学者的研究结果表明,高温微波反应器应用于冶金物料高温煅烧及难选矿物预处理可有效减少能源消耗、强化矿物表面化学性能,可望开发出在常规加热条件下无法实现的冶金新技术和新工艺,以改造某些传统的冶金工艺和技术。
近年来,微波高温加热领域的研究日益受到人们的关注,并成功地开展了小功率高温微波加热装置陶瓷烧结、微波助磨、难处理矿物预处理的实验研究。
为有效促进高温微波应的工业化应用,在微波专用高温陶瓷、大功率微波源、物料温度的测试及数值模拟、设备的适用性等方面尚需进行深入分析与研究。
一般认为,微波有机合成的研究始于1986年,加拿大Lauventian大学的化学教授Gedye和Smith等人同样在常规条件与微波辐射条件下进行醋化、水解、氧化和亲核取代等反应,发现在微波辐射下,反应得到了不同程度的加快,最快高达1240倍,而且产率也有不同程度的提高。
从那时起用微波加速和控制化学反应便受到了人们的高度重视。
目前,微波对化学反应的促进作用正越来越受到人们的关注,微波化学反应器也得到广泛的应用。
化学家利用微波化学反应器来提高某些化学反应的速度和改变其反应机制,使一些在一般条件下不易发生的化学反应在微波作用下可以发生,一般条件下难于获得的产物在微波作用下易于获得。
从那时起用微波加速和控制化学反应便受到了人们的高度重视。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
随着应用领域的不断扩大,研究逐渐深入,已逐渐形成一门新的交叉学科—微波化学。
笔者从信息研究的角度出发,全面检索化工化学领域内20多种核心、专业期刊,追溯了1995—1986年间文献报道,在文献信息研究的基础上,对各个研究方向作出进展论述。
国外自70年代中期,就将微波技术应用于分析化学之中。
至今微波技术已渗透到分析化学的各个分支。
关于微波溶样、微波测湿、微波监测污染组分、微波等离子光谱分析法、微波等离子体色谱检测器等研究均有文献报道。
化学合成往往需要加热或在高温高压下完成。
而微波具有体加热、快速加热和选择性加热等特点,在加热过程中并具有诱导、加速化学反应的效应。
因而,国外从有机合成到无机合成,从液相反应到干反应,从室温下合成到高温高压下合成,从聚合反应到解聚反应等、均有全面研究的报道。
在该方向上应用理论、技术的研究较深入,相应的微波合成化学设备均已纷纷问世。
1.2.2国内研究现状
我国在70年代开始微波能应用研究工作,于1973年开始微波加热应用技术的研究和微波加热用磁控管的研制。
1974年和1980年电子工业部召开了“全国微波能推广应用技术交流会”,交流微波学术及应用技术问题。
81年3月经四机部批准,抽调部属单位的科技力量,成立了——中国电子器件工业总公司微波能推广应用站,负责全国微波能推广应用的组织、设计研究工作。
1983年10月中国电子学会召开了首届“全国微波能应用学术交流会”。
嗣后每二年在全国选择推广应用好的地区轮流举办微波应用技术交流,以推动国内微波事业的发展。
每届均有论文集出版,涉及工业、农业、医药、科研等方面的应用领域。
从国内微波合成化学研究论文来看,数量占总文献量的15%,研究内容有半数是针对某一专题的试验研究,而另一半则就国外各个专题研究进行综述。
课题研究主要集中于文理型综合大学,有部分得到国家自然科学基金及省、部级应用基金资助。
经文献信息系统调查得出:
(1)微波合成化学的机理研究欠缺;
(2)高温高压合成研究未见报道;(3)相应的实验技术、设备装置研究未同步进行。
因而可以说,国内微波合成化学方向上的研究是在学习、介绍、借鉴国外经验,处于起步研究阶段。
目前,我国已在皮革、木材、彩色印刷、食品、纸张、化工、陶瓷、药品、烟叶、建材、橡胶以及医疗等行业逐渐采用微波技术,并取得了良好的经济效益。
微波能技术作为一种新的加工手段,对各行业的技术改造和设备更新已形成极大地冲击。
特别是现阶段,摆在各经营者面前的是解决产品结构与社会需求的问题,适应社会发展对产品品质、品种要求的提高。
其焦点之一就是技术创新不足、品质升级滞后。
微波技术的出现为提高产品档次、跟上技术进步、创高附加值产品提供了良好条件。
1.3本课题研究的意义
我们知道许多类型的化学反应是要求在恒温条件下进行的,如果不满足一定温度条件,化学反应就不能正常的进行,得不到应有的反应结果。
因此反应物温度是化学反应中一个非常重要的参数,必须进行精确控制。
这样的问题同样在微波化学反应器中存在,虽然微波能促进化学反应,但反应物也必须满足一定的温度条件,这样化学反应才能在微波辐射下快速、正确地进行。
由此可见,控制微波化学反应器内反应物的温度是十分必要的。
综上所述,可以看出微波辐射加热应用解决了传统方法加热无法解决的问题,而且加热速率明显提高,大大降低了能耗!
由于微波加热独有特点,使之与传统工艺相比,可以缩短加热时间,有效地降低能耗,该工艺的研究与应用对加热发展具有实际意义!
在物料预处理方面,致使处理效果明显优于常规处理方法!
尽管对微波能的利用的研究成果尚未有实质性的工业应用,但从人们对环保要求的日益增强,世界能源短缺以及日益激烈的全球性竞争方面,可以看到采用高效的常规或非常规技术来提高效益、降低成本是将来发展的必然趋势!
随着高新技术的发展和对微波技术研究的日益深入,微波作为一种清洁、干净有效的能源,在冶金领域也必将发挥重要的作用,具有着广阔的应用前景!
2技术发展
2.1可控硅调压器
调压器是应用晶闸管(又称可控硅)及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。
在电子设备中起重要作用的晶闸管(也称可控硅,英文缩写SCR)被广泛用于各类生产部门,正在成为自动化、高效化不可缺少的装置。
在最新的温度控制中晶闸管的利用明显的普及起来。
但在国内对其有不同的叫法,如晶闸管调整器、可控硅调整器、晶闸管控制器、可控硅控制器、晶闸管调压器、可控硅调压器、晶闸管调功器、可控硅调功器、调压器、调功器、晶闸管交流电力控制器、可控硅交流电力控制器、电力调整器、电力控制器、电压调整器、电压控制器等……
图2-1可控硅调压器
可控硅调压器:
是一种以可控硅(电力电子功率器件)为基础,以专用控制电路为核心的电源功率控制电器。
简称晶闸管调功器。
又称晶闸管调功器,晶闸管调压器,晶闸管调整器,可控硅调功器,可控硅调整器,具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。
2.2晶闸管简介
晶闸管又叫可控硅(SiliconControlledRectifier,SCR)。
自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等等。
普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。
双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的,它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管而且仅需一个触发电路是目前比较理想的交流开关器件。
双向晶闸管可广泛用于工业、交通、家用电器等领域实现交流调压、电机调速、交流开关、路灯自动开启与关闭、温度控制、台灯调光、舞台调光等多种功能它还被用于固态继电器(SSR)和固态接触器电路中。
因此可控硅导通角的控制就显得越来越重要了。
2.2.1晶闸管的工作原理
一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件,创制于1957年,由于它特性类似于真空闸流管,所以国际上通称为硅晶体闸流管,简称可控硅。
又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件,简称为可控硅SCR。
在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件(俗称死硅)更为可贵的可控性。
它只有导通和关断两种状态。
可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备,如果超过此频率,因元件开关损耗显著增加,允许通过的平均电流相降低,此时,标称电流应降级使用。
可控硅的优点很多,例如:
以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪音;效率高,成本低等等。
2.2.2可控硅元件的结构
不管可控硅的外形如何,它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。
它有三个PN结(J1、J2、J3),从J1结构的P1层引出阳极A,从N2层引出阴级K,从P2层引出控制极G,所以它是一种四层三端的半导体器件。
图2-2可控硅元件结构
2.2.3工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图1所示
图2-3可控硅结构示意图和符号图
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用,所以一旦可控硅导通后,即使控制极G的电流消失了,可控硅仍然能够维持导通状态,由于触发信号只起触发作用,没有关断功能,所以这种可控硅是不可关断的。
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,此条件见表
表2-1可控硅关断条件
状态
条件
说明
从关断到导通
阳极电位高于阴极电位
控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通
阳极电位高于阴极电位
阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断
阳极电位低于阴极电位
阳极电流小于维持电流
任一条件即可
2.1.2晶闸管的主要参数
(1)断态不重复峰值电压UDSM
门极开路时,施加于晶闸管的阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧转折处所对应的电压值UDSM。
它是一个不能重复,且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。
UDSM值应小于转折电压Ub0。
(2)断态重复峰值电压UDRM
晶闸管在门极开路而结温为额定值时,允许重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。
每秒50次每次持续时间不大于10ms,规定UDRM为UDSM的90%。
(3)反向不重复峰值电压URSM
门极开路,晶闸管承受反向电压时,对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压值URSM。
(4)反向重复峰值电压URRM
晶闸管在门极开路而结温为额定值时,允许重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。
每秒50次每次持续时间不大于10ms。
规定URRM为URSM的90%。
(5)额定电压UR
在选用晶闸管时,应该使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍,以作为安全裕量。
(6)通态峰值电压UTM
规定为额定电流时的管子导通的管压降峰值。
一般为1.5-2.5V,且随阳极电流的增加而略为增加。
额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。
(7)通态平均电流IT(AV)
在环境温度为+40℃和规定的散热冷却条件下晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载的单相、工频正弦半波导电,结温稳定在额定值125°时,所允许通过的最大电流平均值。
选用一个晶闸管时,要根据所通过的具体电流波形来计算出容许使用的电流有效值,该值要小于晶闸管额定电流对应的有效值。
晶闸管才不会损坏。
设单相工频正弦半波电流峰值为Im时通态平均电流为:
正弦半波电流有效值为:
有效值与通态平均电流比值为:
则有效值为:
根据有效值相等原则来计算晶闸管的额定电流。
2.3过零检测技术
过零检测技术,即利用电路或门技术准确检测、准确指示出信号的过零点所处的位置。
过零检测器用占空比为1:
2的标准方波的前后沿来分别表示正弦波信号的正负向过零位置。
正弦波信号每个周期有两个过零点,信号从负值通过零点到达正值,这次过零称为正向过零,相应的过零时刻称为正向过零点。
信号从正到负的过零者称为负向过零点,相应的过零时刻称为负向过零点。
过零检测技术又分为两种方式,即单向过零检测和双向检测。
2.4开关电源技术
开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。
它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点,在小功率范围内基本上取代了线性调整电源,并迅速向中大功率范围推进,在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。
开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。
但是开关电源的设计工作较为繁琐,难度大。
2.4.1开关电源的定义
开关电源是作为线性稳压电源的一种替代物出现的,开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。
顾名思义,开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。
这样一来,如果把四大类基本电力电子电路(AC-DC电路、DC-AC电路、AC-AC电路、DC-DC电路)都看成电源电路,则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路。
但是在实际应用中,开关电源所涵盖的范围比这个范围要小的多。
同时具备三个条件的电源可称之为开关电源,这三个条件就是:
开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)。
2.4.2开关电源应用范围
开关电源的前身是线性稳压电源。
在开关电源出现之前,许多控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。
由于计算机等电子装置的集成度不断增加,功能越来越强,他们的体积却越来越小,因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源,这就成了开关电源技术发展的强大动力。
3系统总体方案设计
3.1设计要求
1.设计STC单片机最小系统
2.设计开关电源电路,为单片机提供所需的电源电压
3.设计光耦电路,隔离单片机系统和大电流部分
4.编制触发程序,使系统可以根据输入电压控制触发时间
(其系统框图如图4.2所示)
电气要求:
1、实现单片机的控制;2、了解可控硅的原理和触发方法;3、完成电源电路的设计;4、掌握光耦隔离技术;5、完成软件编制;6、绘制原理图和电器元件选型;
3.2方案对比
3.2.1单片机与继电器控制和PLC控制的比较
传统的继电器控制系统结构简单、容易掌握、价格便宜,能满足大部分场合电气顺序逻辑控制的要求,但也存在明显的缺点:
设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱,难以实现较复杂的控制系统;系统由硬连线逻辑构成,接线繁琐;当生产工艺要求改变时,通用性和灵活性较差。
PLC的成本高一些,但运行速度高,采用循环扫描工作方式,运行可靠。
连线少,结构简单,维护方便,可以直接与输入/输出信号接线,并且输出接口具有一定的驱动能力,例如接触器—继电器输出,其输出触点容量可以达到220V,2A。
功能强大,具有逻辑运算、计时计数、顺序控制、数据处理、通信联网的功能,未来还会有更大的发展空间。
灵活性高,编程方法容易掌握,只要改变程序,就能适应不同控制系统的要求。
其输入/输出接口均有光电耦合环节,抗干扰能力强。
但是对于本系统而言,为小规模的控制,并非是工业现场的控制,因此,不太适合。
单片机价格比较便宜,所以成本低。
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也小,并且低电压,低功耗,便于生产便携式产品。
易扩展,片内具有计算机正常运行所必需的部件,芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚,很容易构成各种规模的计算机应用系统。
所以,在本系统中采用单片机控制。
3.2.2线性电源和开关电源的比较
开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。
将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压。
转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。
开关电源的结构中由于中间没有变压器和散热片,因而体积非常小,而且工作时不是很热,成本很低。
线性电源功率器件工作在线性状态,也就是说他一用起来功率器件就是一直在工作,所以也就导致他的工作效率低,一般在50%~60%,还得说他是很好的线性电源。
线性电源的工作方式,使他从高压变低压必须有降压装置,一般的都是变压器,也有别的像KX电源,再经过整流输出直流电压。
这样一来他的体积也就很大,笨重,效率低、发热量也大。
1、输入电源AC220V的情况下
1)采用工频变压器转换成7.5V,然后使用整流桥+电解电容+7805(线型电源)+电解电容
2)采用工频变压器转换成7.5V,然后使用整流桥+电解电容LM2575/76/95/96(开关电源)+电解电容
2、输入直流电源的情况下
1)电解电容+电阻+7805(线型电源)+电解电容
2)电解电容+LM2575/76/95/96(开关电源)+电解电容
关键是看电源输入电压及5V输出电流来定。
如果输入电源电压较高,输出电流较大,为提高电源效率,减少发热,则应考虑采用开关稳压电路。
如果输入输出电压相差3-5V,且电流<1A,为简单和降低成本起见,采用线性稳压电路7805较好。
如果输入输出电压相差极少,则应考虑采用LDO。
如果输入电压低于输出电压或者极性相反,则必须采用开关稳压电路。
本设计由于输入电源电压较高,为提高电源效率,减少发热,则应考虑采用开关稳压电路。
4基于单片机的可控硅触发硬件实现
4.1系统设计方案和系统组成
4.1.1电路的设计
电路的最初设想是根据可控硅触发电路的实用性来进行的,其设计方案可分为以几个步骤:
1、确定可控硅电路设计的整体思路,并根据现在市场上的可控硅电路
进行调查,目的是了解他们的优缺点,以便融入到我们的设计中,使设
计电路更加完善。
2、对设计电路进行模块化研究,分别研究出最佳性能。
3、对电路的所有元件参数进行整体设计,并进行仿真软件综合
4、计算出元件的最佳参数值
5、对整个设计电路进行安装和调试,截止完成整体设计方案。
4.1.2电路原理分析
可控硅触发电路是用移相触发板的同步信号,取自于主回路电源同步的交流电源输入端。
当移相控制电源Vc由0-5V变化时,移相触发板的触发脉冲Vo的起始点后移,使可控硅的触发角ɑ从0~180度变化,导通角从180-0度变化,从而实现了对负载进行交流调压的目的。
单片机控制控硅导通角度关键交流电过零检测电路般思路单片机检测交流电零点时产生断经段时间延时触发控硅。
50HZ市电而言延时时间必须10毫秒内延时时间分成N份即N级调节输出功率延时时间越短控导通角度越大输出功率越大延时时间越长控导通角度越小输出功率越小
4.2单片机的触发器的组成
单片机控制的晶闸管触发器主要由过零检测电路、开关电源、CPU单片机电路、可控硅延时触发电路。
系统框图如下:
开关电源
过零检测
提供5v电压
同步信号
单片机
A/D转换
电压输入端
电压转换
中断延时
触发可控硅
图4-1系统框图
图4-2开关电源电路
4.3.2整流器件DB107S的介绍
DB107S整流桥作为一种功率元器件,应用广泛用于多种电子设备。
其
内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为输出
的直流电压。
图4-3过零检测电路
220V电源输入端,如图所示,通过浪涌吸收器ZNR(压敏电阻),抑制突发电压,比如雷电、静电、电路形成的尖峰信号等,起保护作用,电路中并联使用。
并联在电路中的RE223电容,起抗干扰作用。
图4-4220V电压输入端
4.3.3功率开关管TNY264PN介绍
开关管受控于控制源脉冲参数(脉宽周期等),实现按指定方式开或关来调节输出。
表4-1功率开关管规格
型号
用途
功能
封装外形
TNY264PN
电源
线性电路
双列直插式
DIP-8B
封装/外壳8-DIP(0.300",7.62mm),7引线
图4-5器件实物图
图4-6TNY264PN
4.4光耦电路
光耦电路,能实现隔离单片机系统和大电流部分。
本电路选取的是光耦MOC3052如图所示:
图4-7MOC3052
光耦合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器,简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。
所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。
可控硅直接接在电压较高的交流电上,但是单片机采用低电压供电,因此需要采用一定的隔离措施,将强电与5V弱点隔离,系统采用的是MOC3052作为强电与弱点的隔离器。
MOC3052系列光电可控硅驱动器是美国摩托拉公司推出的器件。
该系统器件的显著特点是大大加强了dv/dt能力。
输入与输出采用光电隔离,绝缘电压可达7500v。
其触发电流为10mA。
图4-8MOC3052实物图与耦合原理图
4.5单片机电路
P87LPC767是20脚封装的单片机适合于许多要求高集成度低成本的场合可满足许多方面的性能要求作为Philips小型封装系列中的一员P87LPC767提供高速和低速的晶振和RC振荡方式可编程选择具有较宽的操作电压范围可编程I/O口线输出模式选择可选择施密特触发输入LED驱动输出有内部看门狗定时器P87LPC767采用80C51加速处理器结构指令执行速度是标准80C51MCU的两倍。
图4-9单片机引脚图
图4-10晶振图4-11开关控制器
5软件的实现
5.1软件实现的功能
检测输入信号电压,转化为相应的导通时间显示出来,通过按键调整导通时间,然后等待是否到达过零点时刻,中断定时,触发脉冲,实现对电压、功率的控制。
上电复位后,此时电路的状态为可控硅导通角的时间设置模块。
通过调整键可选择对数码管中的哪一位进行调整或者退出设置状态进入显示导通角状态。
通过增加键和减少键可对可控硅的导通时间进行设置。
每成功按一下增加键,显示的值就加一,每成功按一下减少键,显示的值就减一。
当低位设置完,再次按下调整键,就单片机就进入工作状态并显示当前可控硅的导通时间。
5课题进度安排
第一学期:
8--9周查找资料,写读书笔记;
10--14周电路设计;
15周写译文,开题报告;
第二学期:
15周写译文,开题报告;
1周开题审查,修改开题报告;
2-8周毕业实习
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