电气电子毕业设计185西华大学交流电力控制调节器设计
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电气电子毕业设计185西华大学交流电力控制调节器设计,毕业设计论文
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第 0 页 西华大学课程设计说明书 说明书 目 录 1.前言 . 1 2系统总体方案设计 . 2 2.1 方案比较 . 2 2.2 方案论证 . 6 2.3 方案选择 . 7 3.单元模块电路设计 . 8 3.1有源带通滤波器的设计 . 8 3.2 同步信号整形电路 . 8 3.3 脉冲形成电路 . 9 3.4 高频脉冲调制电路 . 10 3.5 六脉冲形成电路 . 11 3.6 脉冲驱动电路 . 12 3.7 晶闸管控制电路 . 13 3.8 移相控制电路 . 14 3 9电源电路设计 . 15 3.10 特殊元器件介绍 . 17 3.10.1 集成触发电路 TCA785 . 17 3.10.2 六路双脉冲形成器 KC41 . 19 3.10.3 温度传感器 MAX6611 . 20 4. 系统调试 . 22 5系统功能和指标参数 . 24 5 1 系统功能 . 24 5.2 指标参数 . 24 6.设计总结 . 25 6.1设计小结 . 25 6.2 设计的收获体会 . 25 致 谢 . 26 【参考文献】 . 27 附录：交流调压器电路总图 . 28 nts 第 1 页 西华大学课程设计说明书 说明书 1.前言 60 年代以前，作为交流功率（或电压）控制器（或调节器）的，主要有接触器、接触调压器、感应调压器、移圈式调压器和饱和电抗器等设备。它们的共同特点是采用以电磁原理为基础的铁心与线圈结构。然而，晶闸管的出现，使 60 年代的交流控制器增添了崭新的品种 晶闸管交流电力控制调节器。 晶闸管交流电力控制调节器在自动控制系统中的作用，实际上相当于一个在信息处理控制中心与交流负载之间的接口，在系统中起到了承上启下、强弱电交接转换的作用。不难想象在这种先进的自动控制系统中，如果 换用接触调压器、感应调压器或移圈 调压器，由于这些产品的电磁及机械结构的灵敏度差、惯性大，必然会 使整个系统的控制质量大为逊色。然而晶闸管交流电力控制调节器却为自动控制系统提供了高精度及高动态指标的可能。 所谓的晶闸管交流电力控制调节器 就是通过对晶闸管的控制，可把固定的交流电压转换成可调的交流电压。根据对晶闸管的不同触发控制，可分为以下三种情况： 1） 移相触发控制。在电源电压的每半个 周 波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值 ， 这种电路称为交流调压器。 2） 过零触发 控制。 这种电路是将负载与交流电源接 通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，这种电路称为交流调功器。有全周波连续式和全周波间隔式两种型式。 3） 通 断控制。把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用，这就是交流电力电子开关。 交流 电力控制调节 器广泛应用于电炉的温度控制、舞台灯光的调节、中小功率异步电动机小范围调速以及电解电镀中整流变压器的一次绕组电压控制等。 作为交流电力电子开关，它可以控制交流电机间隙运行，也可控制电机正反转。由于它属于无触点开关，所以没有 火花及拉弧现象。 nts 第 2 页 西华大学课程设计说明书 说明书 2系统总体方案设计 2.1 方案比较 方案一、 采用交流调功电路来实现电炉的温度控制。 如果在单相或三相电路中将一对反并联晶闸管或一只双向晶闸管串接在电源与负载之间，并在设定运行周期内改变触发晶闸管的过零脉冲数目，就可以控制晶闸管的导通周波数（导通比），借以平滑地调节输出功率 P2的大小。 P2与导通比 Ka的函数关系为： 2 0 ()NNnP P K P k V ATf； 322 1 0 ( )N N NP m U I k V A式中，0T=设定运行周期（ s）； f=电源频率（ Hz）； n=设定运行周期内的导通周波数； NP=额定输出容量； m=相数；2NU=每相额定负载电压（ V）；2 NI=每相额定负载电流（ V）； K =0nTf，导通比。 图 2.1为半周波控制的交流调功器用于温度控制的原理方框图。 图中， 点画线部分为调功器。快速熔断器 FU、反并联晶闸管 VT、电流互感器 TA等组成调功器主电路。零脉冲电路（ 1）、导通比电路（ 2）、过流截止电路（ 3）、 “ 与 ”门电路（ 4）和脉冲变压器（ 5）组成晶闸管控制电路。电炉负载 RL，温度传感器 BST及 PID调节器通过外控开关 S与调功器组成闭环控制，可自动调节电路温度。 “ 与 ” 门电路（ 4）接受三个信号。首先是电路（ 1）发出的与电源电压波形过零点同步的触发脉冲，即 “ 零脉冲 ” 信号；其次是电路（ 2）周期性输出的高电平连续可调的导通比（占空比）信号；第三是过电流截止信号。只要主电路 没有出现过电流，电路（ 3）就输出高电平， “ 与 ” 门电路与脉冲变压器均输出与电源电压过零点同步的、数目连续可调的触发脉冲，使 VT 相应导通。所以，调功器输出功率可在零与全功率（导通比为 1，既连续导通时的输出功率）输出之间平滑可调。 如果主电流发生过流，过流截止电路（ 3）从电流互感器测知过流信号并立即动作，输出低电平信号，使双向晶闸管截止。快速熔断器 RD对主电路实行短路保护，发生过流时，过流截止能在 RD动作之前截止电流，增加了一次保护。 nts 第 3 页 西华大学课程设计说明书 说明书 图 2 方案一原理方框图 方案二、采用 交流调压器实现电炉的温度控制。它采用集成电路 TCA785 来触发晶闸管的导通。 图中，虚线框内为交流调压器，快速熔断器和双向晶闸管构成调压器主路，有源滤波器、同步整形电路、脉冲调制电路、 TCA785、六脉冲形成电路、脉冲驱动电路构成晶闸管控制电路。 电炉负载 RL，温度传感器及 PID控制 器通过外控开关 S与调 压器组成闭环控制，可自动调节电路温度。 有源滤波器只允许 50Hz 左右的频率通过，而将其它频率成分滤掉，这样可以保证三相同步，而且还有效抑制了电网干扰因素的影响。整形电路的作用是 把正弦波同步电压与零电平比较变为同周期 的方波信号，经此处 理使触发器的工作与同步电 压的幅值和正弦波的波形失真与否没有多大关系。nts 第 4 页 西华大学课程设计说明书 说明书 图 2.2 方案二原理方框图 方案三、采用 MOC3061过零触发晶闸管构成炉温控制系统 。 MOC3061 系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件 , 它可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管 ,具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。图 2.3是电路原理图。 该电路由锯齿波发生器，电压控制占 空比调节电路和光电隔离过零触发电路组成。图中恒流充电电容器 C4及单结晶体管 VT11组成锯齿波发生器，以单运放 IC4作比较器，将来自手动设定器或控温仪表的 0-8V（可由 0-10mA转换而来）控制信号与锯齿波电压比较。 当控制 电压高于锯齿波电压时， IC4输出为低电平，驱动 MOC3061（三相触发时为 3个输入端串联）的输入 LED工作。 三相电压按 A、 B、 C相序，则线 UAB、 UBC、UCA、每隔 60 顺序过零。当 LED电流作用时，在三相中线电压先过零的任意两相将同时触发导通（如 UAB先过零，则 A、 B相先触发导通）。第 三相（ C相）将在与其相序最近的A相电压等于其相电压（ UCA=0）时导通。这就保证了无论负载是星形接法还是三角形接法，都是零电流出发导通。当 LED电流为零时，三相中的任意之间的电流降到保持电流以下时，这两相将截止，剩下的一相也将在同一时刻截止。 另外 39 电阻和 0. 01 F 电容组成浪涌吸收电 路 ,防止浪涌电压损坏双向可控硅。 交流电源 快速熔断器 双向晶闸管 负载 RL 温度传感器器 PID 控制器 脉冲驱动电路 同步变压器 有源滤波器 同步整形电路 六脉冲形成电路 脉冲 调制电路 TCA785 nts 第 5 页 西华大学课程设计说明书 说明书 图 2.3 方案三原理方框图 方案四、采用全数字移相触发电路构成交流调压器。 整个电路按功能可分为 A D转换模块、移相模块、脉冲产生模块、缺相保护模块、时钟模块、 脉冲放大和隔离 模块等六个模块 组成。 其电路原理框图如图 2.4所示。该电路在 工 作时，首先使正弦交流电压经过过零比较 器 以产生工频方波 A并进入移相模块，同时将外部控制电压经过 A D转换的数字量也送人移相模块，然后由移相电路根据 A D转换的结果和相对于工频方波的正负半周移动相应 的角度后产生 一 窄脉冲 PA(PAl、 PA2)；再在 PA的上升沿来触发脉冲产生电路以在相同的位置产生要求的脉宽的脉冲 GA(GA1、 GA2)；此脉冲经过时钟电路调制后产生要求的输出 脉冲 (OA1， OA2)。另外，缺相保护电路可对三相电源的相序和缺相进行检测，当缺相或相序混乱时，保护模块将输出控制信号，禁止输出并给出相应的指示。移相角度由外界控制电压 VCON控制；采样脉冲 Sample-pulse可由施密特电路产生，通过调整电阻和电容值可获得任意的采样频率 。nts 第 6 页 西华大学课程设计说明书 说明书 图 2.4 方案四原理方框图 2.2 方案论证 晶闸管交流调功器不能平滑调节电压，不能用普通电压表，电流表测量，在晶闸管断续通断时，电源变压器和负载受到电流通 断冲击，且负载电流中存在次谐波（频率低于基波的谐波）分量，所以调功器的应用范围受到一定的限制。 但晶闸管交流调功器，以改变周期内周波数连续控温，精度高，温度波动小，是一种新型的控温方式；其采取正弦波过零触发方式；输出为完整的正弦波，因而其辐射干扰、传导干扰和负载电流的瞬态浪涌也最小；其运行时无噪音 ，寿命长，效率比电磁装置高（达 99%），功率因数也 较高 ,有利于节约电能。 而晶闸管交流调压器正好与之相反，两者各有优缺点。 目前国内较多采用 TCA785组成的模拟式触发电路和单片机组成的数字式触发电路。数字式触发电路触发效果好，但触发板本身适应电网电压波动能力较差，时常烧毁，且造价较高；模拟式触发电路容易受电网中各种因素影响，触发效果差一些，脉冲放大器易发热，触发功率低，影响了模拟式触发板的应用。 交流电源 快速熔断器 反并联晶闸管 电炉负载 频率采样电路 温度传感器 PID 调节器 缺相保护电路 脉冲产生电路 过零比较器 脉冲放大和隔离电路 A/D 转换器 移相电路 时钟电路 nts 第 7 页 西华大学课程设计说明书 说明书 2.3 方案选择 综上所述 ,晶闸管交流调压器能够平滑地调节电压 ,而调功器能够连续地调节输出功率 ,在 控温系统中比调压器控温精度高 ,但在调功器的两个方案中 ,一个设计起来比较复杂 ,一个设计较简单 ,在方案框图中已给出具体电路 ,因此 ,本设计决定采用调压器 ;至于数字式触发电路 ,虽然 触发效果好，但触发板本身适应电网电压波动能力较差，时常烧毁，且造价较高 ,尽管模拟式触发电路也有缺点 ,但只要经过改进就可得到改善 ,因而本设计采用模拟式触发晶闸管交流调压器 . nts 第 8 页 西华大学课程设计说明书 说明书 3.单元模块电路设计 3.1 有源带通滤波器的设计 当负载电流大于 l0A或电网电压波形畸变时，从示波器观察到三相交流输入 ABC三相电 压和经过降压限幅后进入 TCA785的输出电压 UTA、 出现了不同步，造成触发后的直流输出波形出现了缺相或波头波尾参差不齐，且各相交替出现波形长短不齐，输出电压不稳，交流纹波增大，并影响到整流变压器，使整流变压器噪音增大，不能达到直流电源对稳压精度的要求。 采用有源带通滤波器就可很好的解决这个问题。 该电路工作原理是：交流电压经降压电阻降压后输入有源带通滤波器的输入端，通过公式计算选择好各元件参数，就可只允许 50 Hz左右的工频信号通过，其它频率的信号则迅速衰减，有效地抑制了电网中各种谐波对触发板的干扰 ， 使输入 信号 ABC三相电压与输出信号同步。 L M 3 24R1 3 1. 8 KR32 .4 KR49 .4 kR24 .6 KR5 9 .4 KC11uC2 1uV o ut-1 5 V+ 15 V同步变压器2 20 v图 3.1 有源带通滤波器 3.2 同步信号整形电路 从同步变压器过来的信号都是正弦信号，由于是利用检测过零点的原理来实现同步的，因此，如果正弦波的幅值过小，那么，就不能提供清晰的过零点，同nts 第 9 页 西华大学课程设计说明书 说明书 时，电磁干扰也可能导致过零点检测错误，但是，正弦波的幅值过大又会超过芯片的同步电压输入范围，所以应当将同步信号整形成方波，具体的整形电路如图所示。 图3.2 中运算放大器 (LM324)用作比较器，其作用是把正弦波同步电压与 零电平比较变为同周期的方波信号， 当同相输入端电压大于反相输入端电压时 ,运放输出和电源正电压相同的高电平 ,当同相输入端电压小于反相输入端电压时 ,运放输出和电源负电压相同的低电平 ,经此处理使触发器的工作与同步电压的幅值和正弦波的波形失真与否没有多大关系。 L M 3 2 4R66 8 K-1 5 V+ 1 5 VV o u tV in图 3.2 同步信号整形电路 3.3 脉冲形成电路 图 3.3 中专用集成电路 TCA785 担当触发脉冲的形成环节，它的脚 13 接高电平则输出为窄脉冲，脉冲的宽度由脚 12 所接的电容 Cp 决定，脚 11 为移相电压输入端，脚5 为同步电压输入 端，脚 15 与脚 14 分别为对应同步电压负正半周的触发脉冲输出端，在 TCA785 的内部集成了给脚 10 外接的电容充电的恒流源，该恒流源输出电流的大小由其引脚 9 对接地端 (引脚 1)所接电阻的大小唯一决定，图 3.3 中引脚 9 通过电阻接地 ，因而采用的是 内部恒流源 ,恒流源的输出 电流 给电容 CT 充电形成锯齿波，该锯齿波与脚11 输入的移相控制电压进行比较，从而形成移相触发脉冲。图 1 中 C4 与 C 为抗干扰电容，而整流管 D1 与 D2 是因为 TCA785 单电源工作用来削波的，也就是说 TCA785单电源工作时要求的同步电压峰值为 O 7V。 nts 第 10 页 西华大学课程设计说明书 说明书 12345687910111312141516T C A 78 5R81 5KR73 0KC6 0 .1 uC41 50 PC52 .2 uC31 0p+ 15 VP+P-同步信号高频信号控制信号RP1 00 K自动手动+ 15 V图 3.3 脉冲形成电路 3.4 高频脉冲调制电路 大多数触发板在 TCA785的脉冲禁止端加的是 5 V直流电压，脉冲禁止端的工作原理是：当电压小于 2 5 V时，起封锁作用， TCA785不发脉冲，当电压大于 2 5 V时，不起封锁作用， TCA785输出脉冲，这样就造成脉冲放大器长期工作在导通状态，功耗过大而严重发热。为了解决这个问题可以在 TCA785的脉冲禁止端加上由 NE555组成的高频脉冲调制器。 该电路是由 NE555构成的占空比可调的多谐振荡器 ,接入两只二 极管 D1,D2后 ,电容 C的充放电回路分开 ,放电回路为 D2, BR,内部三极管 T及电容 C,放电时间为 1 0.7 Bt R C(3.4.1),充电回路为AR,D1,C,充电时间为 2 0.7Bt R C(3.4.2),输出脉冲的频率为 1 .4 3()ABf R R C (3.4.3),调节电位器 RP可以改变输出脉冲的占空比 ,但频率不变 . 根据式 (3.4.1)及 (3.4.2)可得占空比为 ( % ) 1 0 0 %AABRq RR 。 式中 , AR由 RP上部分和 R9构成 , BR由 RP下部分和 R10构成。 因此合理选择 RC的大小，使输出脉冲频率为 20 kHz左右，调节电位器 R 使输出脉nts 第 11 页 西华大学课程设计说明书 说明书 冲占空比为 1： 4，即脉冲宽度只占整个周期的 1 4，这样 TCA785的输出 脉冲就变成了频率与其相同的高频调制脉冲，不仅抑制了干扰信号，而且使三极管的导通时间变为原来的四分之一，降低了功耗，消除了三极管发热现象。 3487621 5N E 55 5R 1 01KR91KC70 .1 uC80 .0 1 uD1RP5KD2+ 15 VV o ut图 3.4 高频脉冲调制电路 3.5 六脉冲形成电路 由 TCA785形成的脉冲触发电路用于三相触发晶闸管时需要把它变成六脉冲输出 ,因而就需要六脉冲产生电路进行脉冲变换 .本电路采用六路双脉冲发生器 KC41.使用集成器件的好处是电路简单 ,易于调试 . 6 路双脉冲形成器集成电路 KC4l 在此处用来把三相 6 路单脉冲变换成为 6 路相位彼此 互 差 60的双窄脉冲 。 电路如图示 : nts 第 12 页 西华大学课程设计说明书 说明书 1436528 7K C 4 116+ 1 5 Vg1g2g3g4g5g6脉冲输入图 3.5 六脉冲形成电路 3.6 脉冲驱动电路 脉冲驱动电路包括脉冲放大器和脉冲变压器，多数的驱动电路都采用如图 3.5.1所示的电路，因 TCA785输出脉冲不是高频脉冲，所以脉冲变压器和脉冲放大器经常处于导通状态，且电流较大，发热严重，造成脉冲变压器体积较大，驱动能力差，不能驱动大功率可控硅。 V1V2R1R4R3R2VD1VD3VD2V C C+ E 2+ E 1V in图 3.6.1 常见的晶闸管触发电路 nts 第 13 页 西华大学课程设计说明书 说明书 改进后的驱动电路原理如图 3.5.2所示，因 TCA785输出脉冲为高频调制脉冲，所以脉冲变压器要采用高频变压器，体积小，不发热，易安装；二极管 DI D3均采用快速二极管。该驱动电路工作原理是：当 TCA785有脉冲输出时，三极管立即进入导通状态，由于电容的瞬间短路作用，使得脉冲变压器的副边得到的信号为 +24 V的尖峰脉冲，它可用作可控硅的强触发脉冲，加快其导通速度，提高触发的可靠性。而后 TCA785输出的高频调制脉冲使得变压器副边得到持续的幅值较低的高频调制脉冲，继续给可控硅提供触发脉冲，以提高电流断续时可控硅工作的稳定性，同时也降低了驱动电路的功耗。 R 1 268R 1 32 0 0R 1 45 1 0C90 .3 3 uD2D3脉冲变压器+ 2 4 V输出脉冲GAKAD1图 3.6.2 脉冲驱动电路 3.7 晶闸 管控制电路 采用双向晶闸管控制三相负载 .图中给出的是三相四线联结方式 ,也可以接成其它方式 ,在这种方式中因中线电流大 ,大容量设备中不宜采用 .图中的晶闸管采用了简单的保护措施 ,可以有效地抑制电压上升率和电流上升率。采用快速熔短器能够简单地抑制过电流。 电流上升率的抑制： 晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域局部电流密度很大然后以 0.1mm/s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面若晶闸管开通时电流上升率 di/dt 过大会导致 PN 结击穿必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内其有效办法是在晶闸管的阳极回 路串联入电感 。 电压上升率的抑制： 加在晶闸管上的正向电压上升率 dv/dt 也应有所限制 ,如果dv/dt 过大由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流该电流可以实际上起到触发nts 第 14 页 西华大学课程设计说明书 说明书 电流的作用使晶闸管正向阻断能力下降严重时引起晶闸管误导通 。 为抑制 dv/dt的作用可以在晶闸管两端并联 RC阻容吸收回路 。 ABCNNR239R1 39R339C20 .0 1 uC10 .0 1 uC30 .0 1 uL22 2 m HL12 2 m HL32 2 m H图 3.7 晶闸管控制电路 3.8 移相控制电路 移相控制电路可以采用 PID调节器、自动温度控制仪等精密测量仪器，本设计只采用简单的温度传感器来构成移相控制电路。电路如图示。它由温度传感器 MAX6611和放大器构成。 该电路由 MAX661 1及运放 CA3140组成。 CA3140组成减法电路， 其输出电压0V。与同相端输入电压INV及反相端输入电压INV的关系为：0V=（INV-INV）现INV接 NAX661l的 TAMP端，即INV=1.2V+(16(mV/ )T),反相端INV接由 MAX6611基准电压(REFV=4.096V)的分压端 (分压端调到 1 2V)。则0V=1.6(mV/ )T. 在 0 +l25测温范围内，运放输出电压为 02v。为保证测量的精确度， 4个 l00kQ电阻应采用 l精度的金属膜电阻。电路不经标定也可以应用。若要提高一些精度，可作简单元的调整：在 0（冰与水共融体）中放入传感器，等温度平衡后，调 47K的电位器，使输出为 0V即可。 nts 第 15 页 西华大学课程设计说明书 说明书 132 654M A X 6 6 1 1R7 1 0 0 KR61 0 0 KR51 0 0 KR41 0 0 KC40 .1 uC51nRP4 7 K+ 5 VV o u t图 3.8 移相控制电路 3 9电源电路设计 图 3.4.1 直流稳压电源的组成框图 1）电源变压器：将 220V,50HZ 的交流电压转换成 24V 整流电路 2）滤波电路：利用 电感和电容的阻抗特性，将整流后的单向脉动电流中的交流分量滤去，使 单向脉动电流变换成平滑的直流电。 3）稳压电路：当电网电压波动或负载的变动会导致负载上得到的直流电不稳定，影响电子设备的性能，用稳压管，即采用一些负反馈方式的稳压电路，使之自动调节不稳定因素，从而得到稳定电压 本 图中电解电容 的作用是： 减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。 nts 第 16 页 西华大学课程设计说明书 说明书 二极管的作用是保护稳压器。当输入端短路时，给输出电容器 C5 一个放电通路，防上C3两端电压作用于调整管的 be结，造成调整管 be结击穿而捐坏。 小电容的作用是防止自激振荡， 即用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，后面的电容有存储能的作用 . 供电部分输入 220V、 50HZ 的交流电， 经过整流滤波后得到 +24V 的比较平稳的直流电供给脉冲驱动部分，然后再经过滤波、稳压得到 +15V的直流电， 供给 除了温度传感器部分的 电路电 源，电流最大为 400mA； LM7815 和 LM7805负载重，功率大，加装了散热片， LM7915则不需要散热片，这样在保证了性能的同时也降低了成本，对于电容的选择要考虑 LM7815 、 LM7805 和 LM7915最小允许电压降 Ud,电网的波动。 参数计算： 1）允许纹波峰峰值 t=18*1.414(1-10%)-0.7-Ud-15=4.9V C=I* t/ U=1430 f 选取滤波电容 C=2200/30 f 2） +15V电源 允许的最大纹波峰峰值 t（ max） =9*1.414(1-10%)-1.4-2.3-5=2.76V C=I* t/ U=3600 f 选取滤波电容 C=4700/16 f V in1GND2V o u t37 8 L 1 51234C10 .3 3 uC20 .1 uC31 0 uV in1GND2V o u t37 8 L 0 5+ 1 5 V+ 5 V2 2 0 Vc42 2 0 u2 4 V+ 2 4 V图 3.9 电源电路 nts 第 17 页 西华大学课程设计说明书 说明书 3.10 特殊元器件介绍 3.10.1 集成触发电路 TCA785 1主要设计特点 TCA785的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行识别，因而可方便地用作过零触发而构成零点开关；它具有宽的应用范围，可用来触发普通晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管及作为功率晶体管的控制脉冲，故可用于由这些电力电子器件组成的单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它拓扑结构电路的变流系统；它的输入、输出与 CMOS及 TTL 电平兼容，具有较宽的应用电压范围和较大的负载驱动能力，每路可直接输出 250mA的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电压的范围较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围 (-25+85C) 和工作电源电压范围 (-0.5+18V)。 2极限参数 (1)电源电压： +818V 或 49V ； (2)移相电压范围： 0.2VVS-2V; (3)输出脉冲 最大宽度： 180 ； (4)最高工作频率： 10500Hz； (5)高电平脉冲负载电流： 400mA； (6)低电平允许最大灌电流： 250mA； (7)输出脉冲高、低电平幅值分别为 VS和 0.3V； (8)同步电压随限流电阻不同可为任意值； (9)最高工作频率： 10500Hz； (10)工作温度范围：军品 -55+125 工业品 -25+85 民品 0+70 3.引脚功能及内部电路图 nts 第 18 页 西华大学课程设计说明书 说明书 TCA785是双列直插式的 16引脚大规模集成电路。它的引脚排列如图所示。 图 3.10.1 各引脚的名称、功能及用法如下 : 引脚 16(VS)：电源端。使用中直接接用户为该集成电路工作提供的工作电源正端。 引脚 1(OS)：接地端。应用中与直流电源 VS、同步电压 VSYNC及移相控制信号 V11的地端相连接。 引脚 4(Q1)和 2(Q2)：输出脉冲 1 与 2 的非端。该两端可输出宽度变化的脉冲信号，其相位互差 180 ，两路脉冲的宽度均受非脉冲宽度控制端引脚 13(L)的控制。它们的高电平最高幅值为电源电压 VS，允许最大负载电流为 10mA。若该两端输出脉冲在系统 中不用时，电路自身结构允许其开路。 引脚 14(Q1)和 15(Q2)：输出脉冲 1 和 2 端。该两端也可输出宽度变化的脉冲，相位同样互差 180 ，脉冲宽度受它们的脉宽控制端引脚 12(C12)的控制。两路脉冲输出高电平的最高幅值为 VS。 引脚 13(L)：非输出脉冲宽度控制端。该端允许施加电平的范围为 -0.5VVS，当该端接地时， Q1、 Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压 VS时， Q1、 Q2 为最窄脉冲输出。 引脚 12(C12)：输出 Q1、 Q2脉宽控制端。应用中，通过一电容接地，电容 C12的电容量范围为 1504700pF，当 C12在 1501000pF范围内变化时， Q1、 Q2输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为 100s ，而输出宽脉冲的最宽宽度为 2000s 。 引脚 11(V11)：输出脉冲 Q1、 Q2 或 Q1、 Q2 移相控制直流电压输入端。应用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当 TCA785 工作于 50Hz，且自身工作电源电压 Vs 为 15V时，则该电阻的典型值为 15k ，移相控制电压 V11的有效范围为 0.2VVs-2V，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲 Q1、 Q2及 Q1， Q2的相位便在整个移相范围内变化 ，其nts 第 19 页 西华大学课程设计说明书 说明书 触发脉冲出现的时刻为 trr=(V11R9C10)/(VREFK) 式中 R9、 C10、 VREF 分别为连接到 TCA785 引脚 9的电阻、引脚 10的电容及引脚 8输出的基准电压 K 常数 为降低干扰，应用中引脚 11通过 0.1F 的电容接地，通过 2.2F 的电容接正电源。 引脚 10(C10)：外接锯齿波电容连接端。 C10 的实用范围为 500pF1F 。该电容的最小充电电流为 10A 。最大充电电流为 1mA，它的大小受连接于引脚 9的电阻 R9控制， C11两端锯齿波的最高峰值为 VS-2V，其典型后沿下降时 间为 80s 。 引脚 9(R9)：锯齿波电阻连接端。该端的电阻 R9决定着 C10的充电电流，其充电电流可按下式计算： I10=VREFK/R9 连接于引脚 9 的电阻亦决定了引脚 10 锯齿波电压幅度的高低，锯齿波幅值为： V10=VREFKt/(R9C10) 电阻 R9的应用范围为 3300k 。 引脚 8(VREF)： TCA785 自身输出的高稳定基准电压端。负载能力为驱动 10块 CMOS集成电路，随着 TCA785应用的工作电源电压 VS及其输出脉冲频率的不同， VREF的变化范围为 2.83.4V，当 TCA785 应用的 工作电源电压为 15V，输出脉冲频率为 50Hz 时， VREF的典型值为 3.1V，如用户电路中不需要应用 VREF，则该端可以开路。 引脚 7(QZ)和 3(QV)： TCA785 输出的两个逻辑脉冲信号端。其高电平脉冲幅值最大为VS-2V，高电平最大负载能力为 10mA。 QZ 为窄脉冲信号，它的频率为输出脉冲 Q2 与 Q1或 Q1与 Q2的两倍，是 Q1与 Q2或 Q1与 Q2 的或信号， QV为宽脉冲信号，它的宽度为移相控制角 +180 ，它与 Q1、 Q2或 Q1、 Q2 同步，频率与 Q1、 Q2或 Q1、 Q2相同，该两逻辑脉冲信号可用来提供给用户的控 制电路作为同步信号或其它用途的信号，不用时可开路。 引脚 6(I)：脉冲信号禁止端。该端的作用是封锁 Q1、 Q2及 Q1、 Q2的输出脉冲，该端通常通过阻值 10k 的电阻接地或接正电源，允许施加的电压范围为 -0.5VVS，当该端通过电阻接地，且该端电压低于 2.5V 时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁。而该端通过电阻接正电源，且该端电压高于 4V 时，则封锁功能不起作用。该端允许低电平最大灌电流为 0.2mA，高电平最大拉电流为 0.8mA。 引脚 5(VSYNC)：同步电压输入端。应用中需对地端接两个正反向并联的限幅二 极管，该端吸取的电流为 20200A ，随着该端与同步电源之间所接的电阻阻值的不同，同步电压可以取不同的值，当所接电阻为 200k 时，同步电压可直接取 220V。 3.10.2 六路双脉冲形成器 KC41 KC41 六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成二种功能。 nts 第 20 页 西华大学课程设计说明书 说明书 KC41 电路是脉冲逻辑电路，内部电路原理图如下。当把移相触发器输出的触发脉冲输入到 KC41 电路的 “1” “6”端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由 T1 T6 进行电流放大分六路 输出。补脉冲按 2 1， 3 2， 4 3， 5 4， 6 5， 1 6 顺序排列组合。T7 是电子开关，当控制 “7”端接逻辑 “0”电平时 T7 截止，各路有输出触发脉冲。当控制 “7”端接逻辑 “1”电平（ +15V） 时， T7 导通，各路无输出。 图 3.10.2 3.10.3 温度传感器 MAX6611 MAX661是 MAXIM公司今年推出的新器件，是一种带基准电压的温度传感器 .该器件主要特点：测温范围 -40-+125 ； 灵敏度 16mV ，工作电压 (单电源 )4 5-5 5V；低功耗， 静态电流典型值 150p,A；有关闭控制，在关闭状态时耗电小于 1 A；在 25 时，测温精度 1 。在 -10-+55范围，测温精度 2 4 (在 40范围内 )， 在 -40 125 范围内，最大误差 5 ；基准电压源 4 096V(可输出 1mA)，其温度系数 10ppm C. 管脚排列及功能 .MAX66ll的管脚排列如图所示。各管脚功能如下： V (1脚 )、 GND(2、 6脚 )分别为电源正负极； SHDN(3脚 )关闭控制端，低电平有效 ( 0 5V)，若此功能不用时此端接 VCC； TEMP (4脚 )温度输出端； REF(5脚 )基准电压输出端。输入特性及基准电压 MAX6611的输出电压 V1E 与测量温度 T成线性关系，其关系式为： = 1 2V+(TCx16mVPC)式中 16mV C是该传感器的灵敏度。在 40时输出电压 V 加 P=0 56V，在 0C时 V1E =1 2V，在 100时，REFV=2 8V。基准电压VREF=4 096V是温度传感器灵敏度的 256倍度，它与模数转换器是配合的，使得在 8位模做转换器时， 其最低有效位 (LSB)等值 ；在 10位模数转换器时，其最低有效位等值 0 25 。 nts 第 21 页 西华大学课程设计说明书 说明书 图 3.10.3 MAX6611 管脚功能 nts 第 22 页 西华大学课程设计说明书 说明书 4. 系统调试 滤波电路中各 电阻电容的参数非常重要，特别是各相相对应的元件，必须采用高精度元件或经过仔细挑选参数一致的元件，否则将出现三相不完全同步， 通过示波器观察到的输出波形 将 不整齐，纹波稍大。因此为了保证三相输入输出完全同步，提高触发 电路 工作的可靠性，必须对各元件参数进行筛选。 将输入信号为 Vi=50V 左右 ,其频率可变的交流电压输入到有源带通滤波器中 ,用频谱仪观察电路的幅频特性 ,看它是否具有很好的滤波作用 ,主要看它的带宽 ,中心频率以及衰减速率是否达到要求 .如不满足 ,可用以下几个公式修改元件参数 (也可参考谢自美 主编 电子线路设计、实验、测试 ): 20 2231 1 1()1R C R R (4.1) 00 0()fQ B WB W B W 或 时 (4.2) 51 | ( 2 )4VVRAAR (4.3) 在调试好带通滤波器之后，将输入信号为幅值可变，而频率为 50Hz 的交流电压输入到滤波器电路，用示波器观察运放 LM324的输出电压，正常情况下看到的是方波信号，幅值为 15V左右。 完成上述两个步骤以后，对于集成触发电路的调试工作就比较容易了。将从同步整形电路出来的同步信号接到 TCA785的同步信号输入端（ 5脚） ，给芯片通以 +15V的直流电压，然后用示波器观察各引脚输出波形。然后调节移相控制电压的大小，观察触发脉冲是否能够移相。然后给高频脉冲调制电路加上 +15V的直流电，用示波器观察它的输出频率，看是否满足频率为 20KHz左右，如不满足可适当调整 RC的阻值。之后，仔细调节 RP的阻值，使占空比为 1/4左右。做好这几步工作后，将高频调制信号加到 TCA785的脉冲封锁端（ 6脚），用示波器观察 TCA785 的脉冲输出端（ 14、 15 脚），看电路是否具有脉冲封锁功能。 nts 第 23 页 西华大学课程设计说明书 说明书 以上工作做好以后也就完成了单相触发电路的调试工作，至于三相电 路的调试和单相的调试一样，不再赘述。但要注意，每一相都有同步变压器、滤波电路、整形电路、触发电路；高频调制电路只用一块电路就行了，信号输出端分别连到 TCA785的 6脚，移相控制电路也是一样。用示波器观察 KC41 的输出端应该是六路相位互差 60的双窄脉冲。将这六路双窄脉冲接到脉冲驱动电路就可以驱动双向晶闸管了。 nts 第 24 页 西华大学课程设计说明书 说明书 5系统功能和指标参数 5 1 系统功能 本电路 设计的是通用的无触点电力电子装置，能够实现对交流负载的电压控制。该装置能够与调节仪表配套使用，自动控制各种三相大功率 电阻炉的温度，实现温度的自动控制，并具有自动和手动双重控制方式。 5.2 指标参数 由 TCA785构成的三相触发电路所能实现的移相范围为 5 -175。 TCA785在同步信号、高频调制信号和移相调整信号的共同作用下，产生的 6组触发脉冲，用示波器观测其触发效果，波头波尾齐整，从零到最大的反复调节过程中，未出现任何跳跃和干扰波形，即使在三相电压严重不平衡时，脉冲不平衡度不大于 2o，脉冲移相范围 为 5 -175，完全可与数字式触发板相媲美，通过移相
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