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[導(dǎo)讀]摘要:TCA785是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)秀的移相控制芯片,該器件具有溫度適應(yīng)范圍寬,對(duì)過零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠,輸出脈沖的整齊度更好,移相范圍更寬等優(yōu)點(diǎn),此外,由于TCA785的輸出脈沖寬度可以手動(dòng)自由調(diào)節(jié)

摘要:TCA785是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)秀的移相控制芯片,該器件具有溫度適應(yīng)范圍寬,對(duì)過零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠,輸出脈沖的整齊度更好,移相范圍更寬等優(yōu)點(diǎn),此外,由于TCA785的輸出脈沖寬度可以手動(dòng)自由調(diào)節(jié),因此,該器件可廣泛應(yīng)用在晶閘管控制系統(tǒng)中。文章根據(jù)TCA785芯片的使用特點(diǎn)以及在逆變器實(shí)際運(yùn)用中可能出現(xiàn)的一些問題,提出了一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。

1 引言

目前大功率逆變電源的直流部分一般利用三相橋式整流方式來實(shí)現(xiàn),可以采用全控或者不控方式。全控橋式整流主要通過改變晶閘管觸發(fā)相位的方法來調(diào)節(jié)直流母線電壓的高低,此時(shí)需要檢測(cè)三相交流電壓的相位以實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā),這通常必須使用專用的移相控制芯片實(shí)現(xiàn)。筆者在研制一臺(tái)三相工頻輸入、輸出為115V的30kVA艦用400Hz中頻電源的可控整流部分時(shí),采用TCA785芯片成功地實(shí)現(xiàn)了三相整流橋的移相控制。

2 TCA785移相控制芯片簡(jiǎn)介

TCA785是德國(guó)西門子(Siemens)公司開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路,與其它芯片相比,TCA785具有溫度適用范圍寬,對(duì)過零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠,輸出脈沖的整齊度更好,移相范圍更寬等優(yōu)點(diǎn)。另外,由于它輸出脈沖的寬度可手動(dòng)自由調(diào)節(jié),所以適用范圍更為廣泛。

TCA785的基本引腳波形如圖1所示。其中5腳為外接同步信號(hào)端,用于檢測(cè)交流電壓過零點(diǎn)。10腳為片內(nèi)產(chǎn)生的同步鋸齒波,其斜坡最大及最小值由9、10兩腳的外接電阻與電容決定。通過與11腳的控制電壓相比較,在15和14腳可輸出同步的脈沖信號(hào),因此,改變11腳的控制電壓,就可以實(shí)現(xiàn)移相控制,脈沖的寬度則由12腳外接電容值決定[1],當(dāng)選擇雙窄脈沖的驅(qū)動(dòng)方式時(shí),12腳應(yīng)接150pF電容。實(shí)際上,有幾十個(gè)微秒的脈沖寬度即可使晶閘管正常導(dǎo)通。

3 使用TCA785實(shí)現(xiàn)相控整流

實(shí)現(xiàn)三相橋式相控整流的一般方法是利用三相同步變壓器從電源進(jìn)線端引入三路同步信號(hào),這樣,將同步信號(hào)整形后分別輸?shù)饺裕茫粒罚福担ň幪?hào)為A、B、C)的5腳,就能控制6只晶閘管,然后通過引腳復(fù)用即可實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖方式驅(qū)動(dòng)。雙窄脈沖方式由于驅(qū)動(dòng)脈寬窄,因而可以有效地減小驅(qū)動(dòng)用脈沖變壓器的體積,防止磁芯飽和[2]。該方法的主電路及同步變壓器如圖2所示,三片TCA785芯片的引腳與所控制的晶閘管的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。晶閘管通過一個(gè)△/Y型同步變壓器為TCA785提供同步信號(hào),當(dāng)進(jìn)線相序(如圖2所示)為正序A、B、C時(shí),同步變壓器的三個(gè)輸出端所對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)的實(shí)際電壓向量為AC、BA、CB,將AC接至TCA785(A),BA接至TCA785(B),CB接至TCA785(C),即可實(shí)現(xiàn)正序輸入時(shí)晶閘管的同步驅(qū)動(dòng)?,F(xiàn)以T5~T1換流為例進(jìn)行分析:T5至T1管自然換流點(diǎn)滯后于A相由負(fù)到正過零點(diǎn)30°,即TCA785(A)的15腳輸出至少應(yīng)該滯后于該過零點(diǎn)30°,而電壓AC由負(fù)到正過零點(diǎn)正好滯后于A相30°,因而用AC作為TCA785(A)的同步信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)最大范圍的移相控制[3]。

表1 三片TAC785引腳及其對(duì)應(yīng)的晶閘管

TCA785引腳 晶閘管 晶閘管
785(A)15腳 T1 T6
785(C)14腳 T2 T1
785(B)15腳 T3 T2
785(A)14腳 T4 T3
785(C)15腳 T5 T4
785(B)14腳 T6 T5

其它晶閘管的分析與此類似,即用相應(yīng)的線電壓代替相電壓作為同步信號(hào)。圖3所示是一個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。從A相的自然換流點(diǎn)開始,上、下橋臂晶閘管驅(qū)動(dòng)順序分別為:1→1→3→3→5→5→1和6→2→2→4→4→6→6。
 
4?。裕茫粒罚福凳褂弥谐霈F(xiàn)的問題

4.1 電源進(jìn)線電壓的相序問題及解決方法

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果直接利用同步變壓器的輸出作為同步信號(hào),只能在一種輸入相序(正序或者逆序)下工作,一旦輸入相序接法改變,整流就不能正常進(jìn)行。當(dāng)輸入相序?yàn)檎驎r(shí),根據(jù)前述接線方法,可以使相控整流正常工作,但是當(dāng)輸入相序變?yōu)槟嫘颍?、C、B時(shí),TCA785(A)的同步信號(hào)變?yōu)椋粒拢裕茫粒罚福担ǎ拢┑耐叫盘?hào)將變?yōu)椋茫?,TCA785(C)的同步信?hào)變?yōu)椋拢茫酒妮敵雠c晶閘管的對(duì)應(yīng)關(guān)系不變,于是,此時(shí)上、下橋臂晶閘管的驅(qū)動(dòng)順序?qū)⒎謩e變?yōu)椋海?rarr;5→3→3→1→1→5和6→4→4→2→2→6→6,而正確的驅(qū)動(dòng)順序應(yīng)當(dāng)為:1→1→5→5→3→3→1和2→6→6→4→4→2→2??梢?,實(shí)際的驅(qū)動(dòng)順序比正確的驅(qū)動(dòng)順序超前120°,此時(shí)運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)故障。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入接成逆序時(shí)會(huì)出現(xiàn)一相進(jìn)線沒有電流的情況,且裝置啟動(dòng)時(shí)直流平波電抗器有振動(dòng),這在電源輸出功率過大時(shí)會(huì)損壞晶閘管。

實(shí)際上,由于三相全控橋式整流各管可以互換,因此通過改進(jìn)同步信號(hào)獲取電路即可做到整流與輸入相序無關(guān),從而防止了相序接錯(cuò)損壞晶閘管的問題,同時(shí)還可提高調(diào)試效率。通過分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)輸入為逆序時(shí),接到TCA785(A)上的同步信號(hào)應(yīng)該是BC,而接到TCA785(B)上的同步信號(hào)應(yīng)該是AB,TCA785(C)上的同步信號(hào)應(yīng)該是CA,這正好比實(shí)際超前了120°,因此,如果將同步變壓器副方與TCA785連接改為圖4所示電路,并通過6個(gè)常開節(jié)點(diǎn)的直流繼電器將同步變壓器與3個(gè)TCA785的同步輸入端相連接,3個(gè)標(biāo)為J1的繼電器為一組,3個(gè)標(biāo)為J2的繼電器為一組,每組繼電器同時(shí)打開或者同時(shí)閉合。那么,實(shí)現(xiàn)任何輸入相序下整流控制電路觸發(fā)脈沖的正確順序就只需要使J1與J2組中相位滯后120°的那一組導(dǎo)通來提供同步信號(hào)即可。

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74121和D觸發(fā)器可以構(gòu)成相位鑒別與驅(qū)動(dòng)電路[4],其電路連接方法如圖5所示,圖中,接到TCA785(A)上的兩個(gè)繼電器J1和J2的輸入端在經(jīng)過削波、整形后可得到同步信號(hào)V1 和V2,這可以通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。該檢測(cè)電路各電壓波形如圖6所示。可以看出,如果用D觸發(fā)器的Q端驅(qū)動(dòng)J1組繼電器,而用Q非端驅(qū)動(dòng)J2組繼電器,就可以使TCA785得到正確的同步信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意的是:設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)選擇74121芯片的Rext和Cext外接電阻電容的參數(shù),以使74121Q1非引腳低電平狀態(tài)持續(xù)時(shí)間小于D觸發(fā)器的D輸入引腳的持續(xù)時(shí)間,同時(shí)應(yīng)小于同步信號(hào)周期的1/6。

由此可見,通過使用繼電器選擇正確的同步信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)整流相序的無關(guān)性。

4.2 TCA785的過零點(diǎn)振動(dòng)問題及解決方法

三相全控橋式整流進(jìn)線電流是一種不連續(xù)的兔耳狀尖峰電流。當(dāng)電源阻性負(fù)載較重(阻性電流大于150A)時(shí),由于需要大量的有功功率,因此該尖峰電流峰值較大(如本裝置尖峰電流峰值達(dá)到120A)。尖峰電流在電源進(jìn)線電阻上會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。該電流產(chǎn)生的壓降與輸入正弦波疊加后送到同步變壓器輸入端,可作為同步信號(hào)提供給TCA785芯片。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該疊加電壓在過零點(diǎn)附近存在抖動(dòng)現(xiàn)象。由于TCA785對(duì)過零點(diǎn)檢測(cè)極為靈敏,從而導(dǎo)致芯片第10腳鋸齒波斜邊也發(fā)生抖動(dòng),這樣,由輸出反饋到11腳的控制電壓即使沒有改變,TCA785輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖也會(huì)存在移相,引起的結(jié)果是進(jìn)線電流峰值變化很大,進(jìn)而在直流平波電抗器上引起強(qiáng)烈的振動(dòng),甚至對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。解決的辦法是在進(jìn)線處加上3個(gè)電感濾波,以平滑進(jìn)線電流,濾除諧波。本裝置?。罚?mu;H左右的電感,而同步信號(hào)依然從電網(wǎng)側(cè)獲取。實(shí)驗(yàn)證明:該裝置會(huì)使電流振動(dòng)現(xiàn)象消失。

4.3 同步信號(hào)的整形

從同步變壓器過來的信號(hào)都是正弦信號(hào),由于TCA785是利用檢測(cè)過零點(diǎn)的原理來實(shí)現(xiàn)同步的,因此,如果正弦波的幅值過小,那么,就不能提供清晰的過零點(diǎn),同時(shí),電磁干擾也可能導(dǎo)致過零點(diǎn)檢測(cè)錯(cuò)誤,但是,正弦波的幅值過大又會(huì)超過芯片的同步電壓輸入范圍,所以應(yīng)當(dāng)將同步信號(hào)整形成方波,具體的整形電路如圖7所示。

圖7電路主要是通過68kΩ電阻實(shí)現(xiàn)限流分壓的,并利用D1、D2反并限幅(管壓降為1V左右)將以正弦波變?yōu)榉讲?。本電源中,同步變壓器的變比為5.1/1,副邊電壓為75V,副邊電壓之所以選得較高,是因?yàn)檎也ǚ翟礁?,過零點(diǎn)處的斜率越大,二極管導(dǎo)通越迅速,輸出越接近理想方波。但濾波電容C1不可過大,否則會(huì)引起同步信號(hào)相位的偏移。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了大功率中頻電源的三相全控橋式整流電路中的一些實(shí)際問題,在該中頻電源中,逆變環(huán)節(jié)采用的是電壓型二重化疊加方式,因此,在利用整流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓時(shí),該環(huán)節(jié)的穩(wěn)定工作極為重要。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,通過本文所介紹的改進(jìn)方法,其中頻電源工作正常,達(dá)到了預(yù)定指標(biāo)。

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