移相控制电路应用方法的改进 |
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移相控制电路应用方法的改进龙 飞，李晓帆，蔡志开，高奇峰（华中科技大学，湖北 武汉430074）
摘 要：TCA785是一种优秀的移相控制电路，在晶闸管控制中广泛应用。根据TCA785电路在一台逆变器实际运用中出现的一些问题，提出改进方法。
关键词：集成电路；移相控制电路；晶闸管；应用Improvements of Application Methods of Phase Control ICLong Fei, Li Xiao fan, CaiZhikai,GaoQifeng(Huazhong University of Science ＆ Technology, Wuhan of Hubei 430074,China)
Abstract: TCA785 is a good kind of phase control IC. It's widely used in thyristor's control. According to problems occured in an inverter, some improvements of TCA785 application methods are proposed.
Keywords: IC;PhasecontrolIC;Thyristor;Application
1引言
目前，大功率逆变电源直流部分一般利用三相桥式整流方式实现，可以采用全控或者不控方式。在使用全控桥式整流时，利用改变晶闸管触发相位的方法调节直流母线电压的高低，此时，需要检测三相交流电压的相位以实现同步触发，一般用专用的移相控制电路实现。在最近研制的一台三相工频输入、输出115V、30kVA舰用400Hz中频电源的可控整流部分中，利用TCA785电路成功实现了三相整流桥的移相控制。
2移相控制电路
TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，与其他电路相比，它的工作温度范围宽，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，移相范围更宽，输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以，适用范围较广。
它的主要引脚功能及波形如图1所示。引脚5为外接同步信号，用于检测交流电压过零点。引脚10为片内产生的同步锯齿波，其斜坡最大值及最小值由引脚9和引脚10的外接电阻器与电容器决定。通过与引脚11的控制电压相比较，在引脚15和引脚14输出同步的脉冲信号。改变引脚11的控制电压，就可以实现移相控制，脉冲的宽度由引脚12外接电容器的容值决定[1]，当选择双窄脉冲的驱动方式时，引脚12接上150pF电容器，有几微秒的脉冲宽度即可使晶闸管正常导通。
3相控整流电路
在三相桥式相控整流部分中，一般使用的方法是利用三相同步变压器，从电源进线端引入3路同步信号，将同步信号整形后分别输入到3个TCA785（编号为A、B、C）的引脚5，就能够控制6只晶闸管，通过引脚复用，可以实现双窄脉冲方式驱动。由于驱动脉宽窄，双窄脉冲方式可以有效地减小驱动用脉冲变压器的体积，防止磁芯饱和[2]。主电路及同步变压器如图2所示，3个785电路的引脚及控制的晶闸管对应关系如表1所示。
晶闸管通过一个△/Y型同步变压器给TCA785提供同步信号，当进线相序如图2所示为正序A、B、C时，同步变压器3个输出端对中性点实际电压向量为AC、BA和CB，AC接至785（A），BA接至785（B），CB接至785（C），这样，可以实现正序输入时晶闸管的同步驱动。以T5～T1换流为例来分析：T5至T1自然换流点滞后于A相由负到正过零点30°，即785（A）引脚15输出至少应该滞后于该过零点30°，而电压AC由负到正过零点正好滞后于A相30°，用AC作为785（A）的同步信号可以实现最大范围的移相控制[3]。
对其他晶闸管的分析相类似，即用相应的线电压代替相电压作为同步信号，一个周期的驱动时序如图3所示。从A相的自然换流点开始，上下桥臂晶闸管的驱动顺序为。
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4问题与措施
4.1电源进线电压的相序问题及解决方法
实验中发现，如果直接利用同步变压器的输出作为同步信号，只能在一种输入相序（正序或者逆序）下工作，一旦输入相序接法改变，整流就不能正常进行。当输入电压正序时，根据上一节的接线方法，可以使相控整流正常工作。但是，当输入相序变为逆序A、C、B时，785（A）的同步信号变为AB，785（B）的同步信号变为CA，785（C）的同步信号变为BC，而785电路的输出与晶闸管的对应关系不变，于是上下桥臂晶闸管驱动顺序变为
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但正确的驱动顺序应当为
因此，实际的驱动顺序比正确的驱动顺序超前120°，此时运行会出现故障，在实验中发现，输入接成逆序后会出现一相进线没有电流的情况，装置启动时直流平波电抗器有振动，如果电源输出功率过大，会损坏晶闸管。
由于各个三相全控桥式整流管可以互换，因此，通过改进同步信号获取电路可以做到整流与输入相序无关，防止相序接错损坏晶闸管，同时提高了调试效率。
通过分析发现，当输入逆序时，接到785（A）上的同步信号应该是BC，785（B）上的同步信号应该是AB，785（C）上的同步信号应该是CA，正好比实际超前120°，将同步变压器副方与TCA785连接改为图4所示，通过6个常开节点的直流继电器将同步变压器与3个TCA785的同步输入端相连接，3个标为J1的继电器为一组，3个标为J2的继电器为一组，每组继电器同时打开或者同时闭合。
要实现任何输入相序下整流控制电路触发脉冲的顺序正确，只需要使J1与J2组中相位滞后120°的那一组导通，提供同步信号即可。利用单稳态触发器74121和D触发器可以构成相位鉴别与驱动电路[4]，如图5所示，V1和V2为接到785（A）上的两个继电器J1和J2输入端经过削波、整形后得到的同步信号，可以使用运算放大器实现。该检测电路的各个波形如图6所示，可以看出，如果用D触发器的Q端驱动J1组继电器，Q端驱动J2组继电器，就可以使TCA785得到正确的同步信号。应当注意的是适当选择74121电路Rext和Cext外接电阻器和电容器的参数，使74121的Q1引脚低电平状态持续时间要小于D触发器D输入引脚的持续时间，还应当小于同步信号周期的1/6。
通过使用继电器选择正确的同步信号，可以实现整流相序的无关性。
4.2输入谐波引起的过零点振动问题及解决方法
三相全控桥式整流进线电流为不连续的兔耳状尖峰电流。当电源阻性负载较重（阻性电流>150A）时，由于需要大量的有功功率，因此，该尖峰电流峰值较大，如本装置的尖峰电流峰值达到120A。尖峰电流在电源进线电阻器产生一定压降，该电流产生的压降与输入正弦波叠加以后送到同步变压器输入端，作为同步信号提供给785电路。实验发现，该叠加电压在过零点附近存在抖动，由于785对过零点检测极为灵敏，导致电路的引脚10的锯齿波斜边也发生抖动，这样，当由输出反馈的引脚11控制电压即使没有改变，785输出的驱动脉冲也在移相，产生的结果就是进线电流峰值变化很大，在直流平波电抗器上引起强烈的振动，甚至对电网也造成冲击。
解决的办法就是在进线处加上3个电感滤波器，可以平滑进线电流，滤除谐波。本装置取75μH左右，而同步信号依然在电网侧获取，实验观测到电流振动现象消失。
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4.3同步信号的整形
从同步变压器过来的信号都是正弦信号，由于TCA785是利用检测过零点的原理实现同步的，如果正弦波幅值过小，则不能提供清晰的过零点，电磁干扰也可能导致过零点检测错误，但是，正弦波幅值过大又会超过785的同步电压输入范围，所以，应当将同步信号整形，成为方波，整形电路如图7所示。
该电路通过68kΩ电阻器限流分压，利用D1、D2反并限幅，管压降为1V左右，将正弦波变为方波。电源的同步变压器变比为5.1/1，副边电压为75V，副边电压之所以选得较高，是因为正弦波幅值越高，过零点处斜率越大，二极管导通越迅速，输出越接近理想方波。同时，滤波电容器的容值C1不可过大，否则，会引起同步信号相位偏移。
5结束语
本文分析了一台大功率中频电源的三相全控桥式整流电路中的一些实际问题，在该中频电源中，逆变环节采用电压型二重化叠加方式，因此，利用整流环节实现调压，该环节的稳定工作极为重要。通过实验验证，该中频电源工作正常，达到了预定指标。参考文献
[1]孙茂松.TCA785集成触发器及应用[J].唐山高等专科学校学报，2002，（1）：85－88.
[2]黄俊，王兆安.电力电子技术变流技术（第3版）[M].北京：机械工业出版社，1993，44－45.
[3]张军建.30kVA中频电源的研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2003，39－40.
[4]康华光.电子技术基础（数字部分）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1988，338－339.电子元器件应用
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