晶闸管双窄脉冲触发电路的设计.doc

宁夏理工学院毕业设计 I 摘要 电力电子技术诞生自今已有 50 多年的历史 尽管可供电力电子行业技术人员选用的 电力电子器件有 40 多种 但直到今天晶闸管仍占据着单容量的霸主地位 因其触发性能 的好坏 对晶闸管控制系统的可靠性 快速性 稳定性 以及调节范围和精度都有很大 影响 其触发电路的设计也从原先的分立式触发器 主要有阻容移相桥 单结晶体管 正弦波同步 锯齿波同步 三角波同步 发展到模拟集成触发器 再到数字集成式触发 器 直至现在着力研究的数字化 模块化 智能化晶闸管触发器 本文着重阐述了同步 信号为锯齿波的触发电路的工作原理及其双窄脉冲的形成过程设计 继而推出智能型触 发器的设计 关键词 晶闸管 锯齿波 双脉冲 触发 移相 数字触发器 宁夏理工学院毕业设计 II Abstract Power electronic technology has a history of more than 50 years Although the power electronous devichas chosen power electronics has a variety of about 40 nowadays thyristor still occupies the dominance of the single capacity Triggering performance has adeep effect on thyristor controlled system reliability quickness stability and the adjusting range and accuracy Its triggercircuitdesign also develops from the original are mainly flip flops phase shifting reluctance to let bridge and single junction transistor sine wave synchronization sawtooth wave synchronization triangle wave synchronous to analog integrated flip flop to digital integrated type flip flop then to now focusing on research digitization modular intelligent thyristor trigger Now the paper elaborates improve the design synchronous signal is a sawtooth wave DE trigger circuit principle of work the form of wave double pulse and their indelible roles in development Keywords thyristor sawtooth wave double pulse triggering phase shifting Digital trigger 宁夏理工学院毕业设计 III 目录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 晶闸管触发器的发展状况 1 1 2 1 分立式晶闸管触发器 1 1 2 2 模拟集成式晶闸管触发器 2 1 2 3 数字集成式晶闸管触发器 2 1 3 晶闸管触发器的发展趋势及论文的主要内容 3 2 晶闸管 4 2 1 晶闸管及其控制方式 4 2 2 晶闸管的伏安特性 5 3 触发电路 6 3 1 变流器对触发电路的要求 6 3 2 触发电路的类型 6 3 3 晶闸管对触发电路的要求 7 3 3 1 触发脉冲的作用 7 3 3 2 触发脉冲参数要求 8 3 3 3 触发脉冲形式要求 8 3 4 单结晶体管的触发电路分析 9 3 4 1 常见的触发脉冲电压波形 9 3 4 2 要求 9 3 4 3 具有同步环节的单结晶体管触发电路 10 3 5 同步信号为锯齿波的触发电路的研究 11 3 5 1 脉冲的形成与放大电路 11 3 5 2 锯齿波的形成脉冲移相 13 3 5 3 同步环节电路 15 宁夏理工学院毕业设计 IV 3 5 4 三相桥式全控整流电路 16 3 5 5 双窄脉冲的形成环节电路的设计 17 3 5 6 强触发电路环节 18 3 6 防止误触发的措施的研究 18 4 智能型双窄脉冲触发电路的设计 20 4 1 硬件原理图设计 20 4 1 1 RC 移相及同步电路的实现 20 4 1 2 主控芯片的选用 22 4 1 3 A D 转换器 22 4 1 4 闭环调节器 22 4 1 5 脉冲放大与输出电路 23 4 1 6 过压 过流 欠压和过热等外部故障保护电路 24 4 1 7 电源设计 25 4 1 8 软件部分 25 4 2 双窄脉冲的形成 29 5 总结与展望 31 参考文献 32 致谢 33 附录 34 宁夏理工学院毕业设计 1 1 绪论 1 1 引言 自第一只晶闸管诞生以来 电力电子技术已发展了 50 多年 由于晶闸管所能承受的 电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的 所以晶闸管仍是人类可以使用的单 管容量 电压乘以电流 最大的电力电子器件 在我国每年投运的电力电子设备中 晶闸管 的装机容量仅次于电力整流管的电力电子器件 在特大功率电力电子设备中的霸主地位 直至今天也是任何其它电力电子器件所无法取代的 因此在特大功率电气传动设备或电 力电子变流系统中 承担电能变换或控制任务的主要电力电子器件仍是晶闸管 而晶闸 管要导通 就必须保证当阳阴极承受正向电压时 门阴极有触发脉冲 所以在晶闸管类 电力电子设备的应用中必不可少的是对晶闸管触发器的研究 触发器性能的好坏 对晶 闸管控制系统的可靠性 稳定性 快速性 以及调节范围和精度都有很大影响 也就是 说只有晶闸管触发器产生可靠的门极触发脉冲 晶闸管才可能正常工作 晶闸管类电力 电子设备的工作性能才能进一步提高 1 2 晶闸管触发器的发展状况 1957 年 美国 GE 公司发明了人类第一只晶闸管 Thyristor 开辟了电力电子技术的 新阶段 为今日电力电子技术的日新月异奠定了坚实的基础 在此期间 伴随着晶闸管 自身的发展 为其提供触发脉冲的触发器也在不断的演进 从最初阶段的分立式晶闸管 触发器到后来广泛应用的多片 单片模拟集成式晶闸管触发器 再到现在正热门开发的 数字集成式晶闸管触发器 晶闸管触发器的发展可谓是突飞猛进 可以预言 将来晶闸 管触发器必然向着更高性能发展 数字化 智能化 模块化是晶闸管触发器发展的必然 趋势 1 2 1 分立式晶闸管触发器 20 世纪 60 年代后期至 70 年代初期 晶闸管主要用来取代汞弧整流器实现从交流到 直流的转化 电力电子行业称之为顺变器阶段 在该阶段内 晶闸管应用的主要领域是 电解 电镀和直流调速等 其触发器绝大部分都是分立式触发器 主要有阻容移相桥 单结晶体管 正弦波同步 锯齿波同步 三角波同步等几种触发器 由于分立器件的分 散性以及所用元件的数量较多 因而决定了一个晶闸管的触发器就是一块控制板 所以 这一时期生产的晶闸管类电力电子设备几乎全为多块控制板式的插件箱 单相全控桥晶 宁夏理工学院毕业设计 2 闸管整流系统 就需四块触发器板 一块正电源板 一块负电源板 一块保护板 一块 调节板 共八块控制板 用量较大的晶闸管三相桥式全控整流系统 需要六块触发器板 一块调节板 一块保护板 一块给定板 两块电源板 一块放大板共有十二块控制板 组成插件箱结构 对于用户来说 要想构成一个晶闸管变流装置 只能在市场上买到各 个组成单元 要将各个组成单元拼接在一起才能构成完整的系统整体 而且 各组成单 元的功能有时并不能满足实际的需要 经常需进行大量的二次开发过程 消耗大量的人 力物力 并且分立器件分散性大 其参数易受环境温度等变化的影响而漂移 所以这种 分立式晶闸管触发器的可靠性相对较差 系统结构及配线较复杂 使用起来很不方便 目前 分立式晶闸管触发器已被集成式触发器所取代 在新生产的晶闸管类电力电 子设备中 分立式晶闸管触发器己不再使用 1 2 2 模拟集成式晶闸管触发器 20 世纪 70 年代后期至今 世界上电力电子技术发达的国家不断推出了模拟集成式触 发器 这种集成触发器将同步信号 脉冲移相 脉冲形成等触发电路的几个主要环节制 作在一个集成块内 外部有适当的引出管脚 使用时 只需接上电源 引入同步电源 控制信号 加上简单的外部辅助电路 就可以得到所需要的触发脉冲 目前国内常用的 多片集成式触发器有 KJ KC 系列 TCA785 等 这种小规模集成电路 通过比较三相锯 齿波信号和直流控制信号来获得移相信号的相位参考点 而三相锯齿波信号的斜率 占 空比 幅度等与分离的每相元器件参数密切相关 信号中比较小的干扰可能造成较大的 相移误差 因而电路的可靠性和自动平衡能力较差 同时 在三相桥式全控整流电路中 必须采用 5 片集成电路 使用时存在电路功耗大 抗干扰能力差 长期可靠性差等问题 1 2 3 数字集成式晶闸管触发器 以往的模拟触发电路都是利用控制电压的幅值与交流同步电压综合来获得同步和移 相脉冲 即用控制电压的模拟量来直接控制触发角 而晶闸管触发信号本质上是一种离 散量 完全可以由数字信号来实现 随着微电子技术的发展 特别是微型计算机的广泛 应用 数字式触发器的控制精度和响应速度可大大提高 同时 由微处理器做成的晶闸 管数字触发器因不存在模拟触发器的分散性以及一致性差等缺陷 故使触发器技术又向 前推进了一步 最早的数字式触发器是由单板机最小系统实现的 后来开发了具有相序 自适应功能及自对相功能的单片数字式触发器 后来 随着单片机技术的发展 人们采 用单片机控制技术开发出了晶闸管数字触发器 该类触发器因为采用数字运算而性能稳 宁夏理工学院毕业设计 3 定 产生的触发脉冲对称度好 易调整 弥补了模拟集成式触发器使用必须确定同步电 压相序等不足 它仅用一片单片机 借助巧妙的软件设计便实现了模拟触发器的所有功 能 并具有相序自适应 缺相保护 内含数字 PI 调节器 参数在线调节等功能 还能实 现系统的智能控制 是国内晶闸管触发器开发研究的一个热点 1 3 晶闸管触发器的发展趋势及论文的主要内容 由于环境 能源 社会 高效化的要求 电力电子设备正向高性能化 智能化 数 字化 系统化及绿色化发展 作为电力电子设备核心器件的晶闸管触发器也就必然要朝 着数字化 模块化和智能化方向发展 但究其根本其原理离不开分立式晶闸管触发器 本文主要以同步信号为锯齿波的触 发电路为对象阐述其原理 为发展数字化 模块化和智能化的晶闸管触发器打下坚实基 础继而对智能化触发电路的设计 宁夏理工学院毕业设计 4 2 晶闸管 2 1 晶闸管及其控制方式 我国目前生产的晶闸管 从外形上分 有两种形式 螺栓式和平板式 晶闸管是一 种大功率的 PNPN 四层半导体元器件 具有三个 PN 结 引出三个极 阳极 A 阴极 K 门极 控制极 G 其外形及符号如图 2 1 a 所示 各管脚名称 阳极 A 阴极 K 具有 控制作用的门极 G 标于图中 图 2 1 b 所示为晶闸管的图形符号及文字符号 b 电气图符号及 文字符号 a 部分晶闸管的外形 图 2 1 晶闸管的外形及符号 晶闸管的工作原理如下 1 当晶闸管承受反向阳极电压时 无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压 晶闸管不导通 只有很小的的反向漏电流流过管子 这种状态称为反向阻断状态 说明 晶闸管像整流二极管一样 具有单向导电性 2 当晶闸管承受正向阳极电压时 门极加上反向电压或者不加电压 晶闸管不导通 这种状态称为正向阻断状态 这是二极管所不具备的 3 当晶闸管承受正向阳极电压时 门极加上正向触发电压 晶闸管导通 这种状态 小电流 塑封式 小电流 塑封式 小电流 螺旋式 阴极 K 阴极 K 阳极 A 阳极 A 门极 G 门极 G 宁夏理工学院毕业设计 5 称为正向导通状态 这就是晶闸管闸流特性 即可控特性 4 晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变 将触发电压撤除管子依然处于导通状态 即门极对管子不再具有控制作用 5 若要使已导通的晶闸管关断 只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的 电流降至接近于零的某一数值以下 2 2 晶闸管的伏安特性 以上特点反映到晶闸管的伏安特性上如图 2 2 所示 位于 I 区象限的是正向特性 位于 III 象限的是反向特性 当 IG 0 时 如果在其间两端施加正向电压 则晶闸管处于正 向阻断状态 只有很小的正向漏电流流过 如果正向电压超过临界值即正向转折电压 Ubo 则漏电流急剧增大 器件开通 由高阻区经虚线负阻区到低阻区 随着门极电流幅 值的增大 正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 即使通 过较大的阳极电流 晶闸管本身的压降也很小 在 1V 左右 导通期间 如果门极电流为 零 并且阳极电流降至接近于零的某一数值 Ih一下 则晶闸管又回到正向阻断状态 当 在晶闸管上施加反向电压时 其伏安特性类似二极管反向特性 晶闸管处于反向阻断状 态时 外电路如无限制措施 则反向漏电流急剧增大 导致晶闸管发热损坏 晶闸管的门极电流是从门极流入晶闸管 从阴极流出 阴极是晶闸管主电路与控制 电路的公共端 门极触发电流往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产 生的 为保证可靠 安全的触发 门极触发电路所提供的触发电压 触发电流和功率都 应限制在晶闸管伏安特性曲线中的可靠触发区 IA Ih O 正向 导 通 雪崩 击穿 UA UA IG Ub0 宁夏理工学院毕业设计 6 图 2 2 晶闸管伏安特性曲线 3 触发电路 3 1 变流器对触发电路的要求 变流器除主电路 分别为整流电路 逆变电路 交流变换电路和直流变换电路 外 还需有控制功率开关元件通断的触发电路 或称驱动电路 和实现对电能调节 控制 的控制电路 变流器的触发电路包括脉冲发生器和脉冲输出器两部分组成 前者根 据控制信号的要求产生一定的频率 一定的宽度和一定相位的脉冲 后者将此脉冲的 电平放大为适合变流器中功率开关元件需要的驱动信号 3 2 触发电路的类型 触发电路按控制的功能可分为相控触发电路路 用于可控整流器 交流调压器 直接降频器和有源逆变器 斩控触发电路和频控触发电路 采用正弦波的频控电路 不仅能控制逆变器的输出电压 还能改善输出电压的质量 相控触发电路 应用于可控整流器 交流调压器 直接降频器和有源逆变器中 根 据 变流器主电路相数分为单相 三相和多相相控触发电路 在多相相控触发电路中 各晶 闸管 特别是同一相的一对晶闸管的触发滞后角的一致是非常重要的 如各晶闸管的触 发电路移相通道相同 则触发滞后角相同 相控触发电路按移相通道还可分为单通道 三通道和多通道 单通道的相控触发电路的触发滞后角一致性好 三通道的次之 多通 道的最差 斩控触发电路 可按控制方式分为脉冲宽度控制 脉冲频率控制和宽度频率混合控 制 脉冲宽度控制保持方波脉冲的周期不变 仅改变脉冲宽度 脉冲频率控制保持方波 脉冲的宽度不变 仅改变方波的周期 在宽度频率混合控制中 方波脉冲的宽度和频率 都改变 频控触发电路 将控制信号转变为某一频率的脉冲或脉冲群 再由这些脉冲驱动无 源逆变电路中的大功率晶体管或其他功率开关元件 频控触发电路按其能否控制逆变器 的输出电压分为脉宽调制频控触发电路和导电角度恒定的频控触发电路 前者又可按调 压方法分为单脉冲调制 多脉冲方波调制和正弦波调制的频控触发电路 采用正弦波调 宁夏理工学院毕业设计 7 制的频控触发电路不但能控制逆变器的输出电压 还能改善输出电压的质量 脉冲输出器 触发电路产生的脉冲信号经脉冲输出器产生驱动信号 按驱动对象可 分为以下 4 种 1 晶闸管驱动电路 当信号要求晶闸管导通时 产生幅度和宽度足够的正门极脉冲 电流 2 可关断晶闸管驱动电路 当信号要求可关断晶闸管关断时 产生幅度和宽度足够 的负门极脉冲电流 3 功率晶体管驱动电路 当信号要求功率晶体管导通时 产生足够的基极驱动电流 当信号要求功率晶体管关断时 使基极驱动电流降到零或变负 4 功率场效应晶体管驱动电路 根据信号的要求 提供场效应晶体管合适的栅极电 压 在很多变流电路中 要求控制电路和功率开关元件之间电隔离 按完成隔离的器件 种类 可分为光电耦合器件隔离和脉冲变压器隔离 光电耦合器件的输出信号功率较小 一般都得经过放大后才能驱动功率开关元件 脉冲变压器输出信号一般可以直接驱动功 率开关元件 3 3 晶闸管对触发电路的要求 晶闸管触发电路的作用是将控制信号 Uk转变成延迟角 或 信号 向晶闸管提 供门极电流 决定各个晶闸管的导通时刻 因此 触发电路与主电路一样是晶闸管装置 中的重要部分 两者之间既相对独立 又相互依存 正确设计的触发电路可以充分发挥 晶闸管装置的潜力 保证运行安全可靠 触发电路在晶闸管变流装置中的地位如图 3 1 所 示 可把触发电路和主电路看成一个功率放大器 以小功率的输入信号直接控制大功率 的输出 电源 功率输出触发脉冲控制信号控制系统触发电路主电路 图 3 1 触发电路在晶闸管装置中的地位 3 3 1 触发脉冲的作用 各种电力电子器件的门极或控制极的控制电路都应提供符合一定要求的触发脉冲 对于晶闸管的触发脉冲来说 其作用是决定晶闸管的导通时刻 同时还应提供相应的门 极触发电压和门极触发电流 宁夏理工学院毕业设计 8 触发脉冲除了包括脉冲的电压和电流参数外 还应有脉冲的陡度和后沿波形 脉冲 的相序和相角以及与主电路的同步关系 同时还须考虑门控电路与主电路的绝缘隔离问 题和抗干扰 防止误触发问题 由于晶闸管是半控型器件 管子导通后即失去控制作用 为了减少门极损耗 故门极输出不用直流而用单脉冲或双脉冲 有时还采用由许多单脉 冲组成的脉冲列 以代替宽脉冲 3 3 2 触发脉冲参数要求 触发脉冲的主要参数有触发电流 脉冲宽度等 具体要求如下 1 触发电流 晶闸管是电流控制型器件 只有在门极里注入一定幅值的触发电流时 才能触发导通 由于晶闸管伏安特性的分散性 以及触发电压和触发电流随温度变化的 特性 所以触发电路所提供的触发电压和触发电流应大于产品目录所提供的可触发电压 和可触发电流 从而保证晶闸管的可靠触发 但不得超过规定的门极最大允许触发电压 和最大允许触发电流 实际触发电流可整定为 3 5 倍的额定触发电流 2 触发脉冲宽度 触发脉冲的宽度应能保证使晶闸管的阳极电流上升到大于擎住电 流 由于晶闸管的开通过程只有几微秒 但并不意味着几微秒后它已能维持导通 若在 触发脉冲消失时 阳极电流仍小于擎住电流 晶闸管将不能维持导通而关断 因此对脉 冲宽度有一定要求 它和变流装置的负载性质及主电路的形式有关 对于三相全控桥电 路 要求双窄脉冲宽度为 20 30 3 强触发脉冲 触发脉冲前沿越陡 越有利于并联或串联晶闸管的同时触发导通 因此在有并联或串联晶闸管时 要求触发脉冲前沿陡度大于或等于 10V uS 通常采取强 触发脉冲的形式 另外 强触发脉冲还可以提高晶闸管承受 di dt 的能力 4 触发功率 触发脉冲要有足够的输出功率 并能方便地获得多个输出脉冲 每相 中多个脉冲的前沿陡度不要相差太大 为了获得足够的触发功率 在门极控制电路中通 常要功率放大电路 3 3 3 触发脉冲形式要求 在晶闸管的触发电路中 除了对触发脉冲的具体参数有所要求外 还对触发脉冲的 形式有下列要求 1 正向脉冲 晶闸管的触发电路必须保证加在晶闸管的门极上是一个对阴极为正电 压的触发脉冲 2 脉冲形式 触发脉冲在形式上有宽脉冲 窄脉冲 脉冲列等多种 一般为了减小 损耗采取窄脉冲或双窄脉冲的形式 有时也采用对宽脉冲进行高频调制 得到脉冲列的 宁夏理工学院毕业设计 9 形式 3 与主电路同步 在可控整流 有源逆变及交流调压的触发电路中 为了使每一周 波重复在相同的相位上触发 触发脉冲必须与上升变流装置的电源电压同步 即触发信 号与主电路电源电压保持固定的相位关系 否则负载上的电压会忽大忽小 甚至触发脉 冲出现在电源电压的负半周 使主电路不能正常工作 4 抗干扰能力 晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起的 因此 需要在触发电路中采取屏蔽等抗干扰措施 是为了防止晶闸管的误触发 除上述要求外 触发脉冲的移相范围除了应满足变流装置主电路的要求 另外触发 脉冲的频率也应可调 以适应变频电路和斩波电路的要求 3 4 单结晶体管的触发电路分析 3 4 1 常见的触发脉冲电压波形 图 3 2 常见的触发脉冲电压波形 a 正弦波 b 尖脉冲 c 方脉冲 d 强触发脉冲 f 脉冲列 3 4 2 要求 多数晶闸管电路要求触发脉冲前沿要陡 以实现精确的触发导通控制 当负载为电 感性时 触发脉冲必须具有一定的宽度 以保证晶闸管的电流上升到擎住电流以上 使 之可靠导通 单结晶体管 1 单结晶体管的结构 单结晶体管是在一块高电阻率的 N 型硅片两端用欧姆接触方式引出第一基极 b1和第 二基极 b2 b1与 b2之间的电阻为 N 型硅片的电阻体 约为 3 12k 在硅片靠近 b2极掺 入 P 型杂质 形成 PN 结 由 P 区引出发射极 e a b c d f a b b2 e b2 b1 b1 1111 11 e 宁夏理工学院毕业设计 10 图 3 3 单结晶体管 a 图形符号 d 外形及管脚 2 单结晶体管型号 有 BT33 和 BT35 两种 其中 B 表示半导体 T 表示特种管第一 个数字 3 表示有 3 个电极 第二个数字 3 或 5 表示耗散功率 300mW 或 500mW 3 工作原理 截 至 区 饱 和 区 负 阻 区 Ue Ie Ue Ie oo 平移 a 单结晶体管伏安特性 b 特性曲线族 图 3 4 单结晶体管伏安特性 单结晶体管可分为以下三个区 截止区 负阻区 饱和区导通条件 发射极电压达 到 图 3 5 所示为单相桥式半控整流电路的触发电路 其方式采用单结晶体管同步触发电 路 其中单结晶体管的型号为 BT33 电路图及参数如图 3 5 所示 宁夏理工学院毕业设计 11 C B 4 1N4148 220V 100n C VD5 V3V4 V2 V10 BT33 V1 1 2k R1 5 1k R2 100 R4 330 R3 36V RP 100k FU1 1N4746 A D 图 3 5 单结晶体管触发电路 3 4 3 具有同步环节的单结晶体管触发电路 前面已知要使晶闸管导通 除了加上正向阳极电压外 还必须在门极和阴极之间加 上适当的正向触发电压与电流 为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路 对晶 闸管触发电路来说 首先触发信号应该具有足够的触发功率 触发电压和触发电流 以 保证晶闸管可靠导通 其次触发脉冲应有一定的宽度 脉冲的前沿要陡峭 最后触发脉 冲必须与主电路晶闸管的阳极电压同步并能根据电路要求在一定的移相范围内移相 此同步电路既作为触发电路同步电压又作为触发电路工作电源 同步变压器与晶闸 管整流电路接在同一相电源上 使晶闸管的阳极电压为正时的某一区间内被触发 同步 电路由同步变压器 桥式整流电路 VD1 VD4 电阻 R2 及稳压管组成 同步变压器一次 侧与晶闸管整流电路接在同一相电源上 交流电压经同步变压器降压 单相桥式整流后 再经过稳压管稳压削波形成一梯形波电压 该电压既是单结管的电源又作为触发电路的 供电电压 从而实现触发电路与整流主电路的同步 调节 RP 就可以改变电容 C 的充电电 流大小 改变电容 C 的电压达到晶体管峰值电压的时间 改变触发脉冲的第一个触发 P U 脉冲出现的时间 即改变晶闸管的控制角 3 5 同步信号为锯齿波的触发电路的研究 在分析电路工作原理之前 先介绍几个名词术语和概念 控制角 控制角也叫触发角或触发延迟角 是指晶闸管从承受正向电压开始到 宁夏理工学院毕业设计 12 触发脉冲出现之间的电角度 导通角 是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度 移相 移相是指改变触发脉冲出现的时刻 即改变控制角的大小 移相范围 移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围 它决定了输出电压的变 化范围 3 5 1 脉冲的形成与放大电路 脉冲的形成环节由晶闸管 V4 V5 组成 V7 V8 起脉冲放大作用 控制电压 Uco加 在 V4 的基极上电路的触发脉冲由脉冲变压器 TP 二次侧输出 其一次绕组接在 V8 集电 极电路中 当控制电压 Uco 0 时 V4 截止 E1 15 V 电源通过 R11 供给 V5 一个足够大的 基极电流 使 V5 饱和导通 所以 V5 的集电极 Uc5接近 E1 15V V7 V8 处于截止 状态 无脉冲输出 另外 电源的 E1 15V 经 R9 V5 发射结到 E1 15V 对电容 C3 充电 充满后电容两端电压接近 2E1 30V 如图 当控制电压 Uco 0 7V 时 V4 导通 UA由 E1 15V 迅速降至 1 0V 左右 由于电 容 C3 两端的电压不能突变 所以 V5 基极电位迅速降至约 2E1 30V 由于 V5 发射 极反向偏置 V5 立即截止 它的集电极电压由 E1 15V 迅速上升到钳位电压 2 1V VD6 VD7 VD8 三个 PN 结正向压降之和 于是 V7 V8 导通 输出触发 脉冲 同时 电容 C3 经电源 E1 R11 VD4 V4 放电和反向充电 使 V5 基极电位逐 渐上升 直到 Ub5 E1 15V V5 又重新导通 这时 Uc5又立即降至 E1 使 V7 V8 截止 输出脉冲终止 可见 脉冲前沿由 V4 导通时刻确定 V5 或 V6 截止持续时间为脉冲宽度 所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数 R11C3 有关 宁夏理工学院毕业设计 13 V 4 V D4 R 9 R 11R 12 C 3 V 5 V D6 V 7 V 8 R 13 R 14 R 16 C 5 V D7T P V D8 V D9 R 18 V CCV CC E1 R 7 U k V CC E 1 E1 图 3 6 脉冲的形成与放大 M V2 断 V2 通 C1 放电 C1 充电 120 240 0 7V 15V 30V 15V 50V 15V 50V 15V 50V uTP uc8 uB uc5 ub5 uA ub4 uco uh up ue3 uQ uTS o o o o o o o o o o o o wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt wt Uco 宁夏理工学院毕业设计 14 图 3 7 锯齿波移相触发电路电压 3 5 2 锯齿波的形成脉冲移相 锯齿波波的形成方案较多 如采用自举式电路 恒流源电路等 图为恒流源电路方 案 由 V1 V2 V3 和 C2 等元件组成 其中 V1 VS RP2 和 R3 为一恒流源电路 当 V2 截止时 恒流源电流 I 对电容 C2 充电 所以 C2 两端的电压 Uc为 Uc 1 C It Uc按线性增 即 V3 的基极电位 Ub3按线性增长 调节电位器 RP2 即改变 C2 的恒定 冲电电流 I 可见 RP2 是调节锯齿波的斜率的 当 V2 导通时 由于 R4 阻止小 所以 C2 迅速放电 使 Ub3迅速降至零伏附近 当 V2 周期性的导通关断时 Ub3便形成一锯齿波 同样 Ue3也是一个锯齿波电压 射极跟随 器是减少控制回路的电流对锯齿波 Ub3的影响 V4 管的基极电位由锯齿波电压 直流控制电压 直流偏移电压三个电压作用的叠加 值所 他们分别通过电阻 R6 R7 和 R8 与基极相接 设 Uh为锯齿波电压 Ue3单独作用在 V4 基极 b4 时的电压 其值为 3 7 8 6 7 8 eh RR uu RRR 可见 Ub仍为一锯齿波 但倾斜比 Ue3低 同理偏离电压 Up 单独作用是 b4 的电压 U p为 6 7 8 6 7 pp RR uu RRR 可见 U p仍为一条与 Up平行的一条直线但绝对值比 Up小 直流控制电压 Uco单独作用时 b4 的电压 U co为 6 8 7 6 8 coco RR uu RRR 可见 U co仍为与 Uco平行的一条直线但绝对值比 Uco小 123456 A B C D 654321 D C B A Title N umberR evisionSize B D ate 14 M ay 2011Sheet of File D M y Documents pcb M yD esign ddbD raw n By R 6 R 7 R 8 R 6 R 7 R 8 R 6 R 7 R 8 V T4V T4V T4 U p U co U h U h U co U p 图 3 8 移相控制环节的等效电路图 如果 Uco 0 时 Up为负值时 b4 点的波形由 Uh U p确定 当 Uco为正值时 b4 点的 波形由 Uh U p U co确定 由于 V4 的存在 上述电压波形与实际波形有出入 当 b4 点电 宁夏理工学院毕业设计 15 压等于 0 7V 后 V4 导通 之后 b4 一直被钳位在 0 7V 所以实际波形如图 3 7 所示 图 中 M 点是 V4 由截止到导通的转折点 由前面分析可知 V4 经过 M 点时使电路输出脉冲 因此当 Up为某一固定值时 改变 Uco便可改变 M 点的时间坐标 即改变了脉冲产生时刻 脉冲被移相 可见加 Up的目的是为确定控制电压 Uco 0 时脉冲的初相位 当接阻感负载 电流连续时 三相全控桥的脉冲初始位应定为 90 如果是可逆系统 需要在整流和逆 变状态下工作 三相全控桥的脉冲初始相位范围理论上 180 但实际是 120 由于锯 齿波波形两端的非线性 因而要求锯齿波的宽度大于 180 例如 240 此时 令 Uco 0 调节 Up的大小使产生脉冲的 M 点移至锯齿波 240 中央 对于 90 的位置 这时 如 Uco为正 M 点就向前移 控制角小于 90 晶闸管电路处于整流状态 如 Uco为负 M 点就向后移 控制角就大于 90 晶闸管就处于逆变状态 V D1V D2 C 1 T s R 2 R 1 V S V 1 V 2 R 4 R 3 V 3 C 2 R 5 E1 R P2 图 3 9 锯齿波的形成环节 宁夏理工学院毕业设计 16 R 6 R 7 R 8 V 4 R 9 C 3 U e3 U kU p T ext 图 3 10 移相控制环节 3 5 3 同步环节电路 1 什么是同步 触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步 例如 在单相半波可 控整流电路中 触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内 而且每个周期的角相同 确保电路输出波形不变 输出电压稳定 2 同步电路组成 由同步变压器 TS 和作为开关用的晶闸管 V2 组成 同步变压器与整流变压器接在同 一电源上 用同步变压器的二次电压来控制 V2 通断作用 这就保证了触发脉冲与主电路 的同步 在锯齿波同步的触发电路中 触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波频率与主电 路电源的频率相同且相位关系确定 从图 3 9 可知 锯齿波是由开关 V2 管来控制 V2 由 导通变截止期间产生锯齿波 V2 截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度 V2 开关的频率 就是锯齿波的频率 要使触发脉冲与主电源同步 使 V2 开关的频率与主电路电源的频率 同步就可以达到 同步变压器 TS 二次侧电压 Uts经二极管 VD1 间接加在 V2 的基极上 当二次电压波 形在负半周的下降阶段时 VD1 导通 电容 C1 被迅速充电 因 O 点接地为零电位 R 点位负电位 Q 点电位与 R 点电位相接近 故在这一阶段 V2 基极为反向偏置 V2 截止 在负半周的上升阶段 E1 电源通过 R1 给电容 C1 充电 Uq为电容反相充电波形 其上 升速度比 Ust波形慢 故 VD1 截止 如图 3 11 当 Q 点电位达 1 4V 时 V2 导通 Q 点 电位被钳位在 1 4V 如此周而复始 在一个正弦波周期内 V2 包括截止和导通两状态 Uco 宁夏理工学院毕业设计 17 对应锯齿波形恰好是一个周期 与主电路电源和相位完全同步 达到同步的目的 可以 看出 Q 点电位从同步电压负半周上升阶段开始时刻到达 1 4V 的时间越长 V2 截止的时 间越长 锯齿波就越宽 可知锯齿波的宽度是由充电时间常数 R1C1 决定的 V D1V D2 C 1 T s R 2 V 2 图 3 11 锯齿波形成的同步环节锯齿波形成的同步环节 3 5 4 三相桥式全控整流电路 双窄脉冲是晶闸管桥式整流电路的特殊要求 电路的构成及工作特点三相桥式全控 整流电路原理图如图 3 12 所示 三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变 而来的 它由三相半波共阴极接法 VT1 VT3 VT5 和三相半波共阳极接法 VT2 VT4 VT6 的串联组合 其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时 导通 构成电流通路因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通 必须对不同组别应 到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲 所以触发脉冲的宽度应大于 60 的宽脉冲 宽脉 冲触发要求触发功率大 易使脉冲变压器饱和 所以可以双窄脉冲代替宽脉冲 每隔 60 换相一次 换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行 但只在同一组别中换相 接 线图中晶闸管的编号方法使每个周期内 6 个管子的组合导通顺序是 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 共阴极组 T1 T3 T5 的脉冲依次相差 120 同一相的上下两个桥臂 即 VT1 和 VT4 VT3 和 VT6 VT5 和 VT2 的脉冲相差 180 给分析带来了方便 当时 0 输出电压 Ud 一周期内的波形是 6 个线电压的包络线 所以输出脉动直流电压频 率是电源频率的 6 倍 比三相半波电路高 1 倍 脉动减小 而且每次脉动的波形都一样 故该电路又可称为 6 脉动整流电路 同理 三相半波整流电路称为 3 脉动整流电路 0 时 Ud 波形出现缺口 随着角的增大 缺口增大 输出电压平均值降低 当 120 时 输出电压为零 所以电阻性负载时 的移相范围是 0 120 当 0 60 时 电流连续 每个晶闸管导通 120 当 60 120 时 电流断续 每个晶闸管导通小于 120 60 电阻性负载电流连续和断续的分界点 RQ 宁夏理工学院毕业设计 18 123456 A B C D 654321 D C B A T itle N umberR evisio nSize B D ate 28 A pr 2 011Sh eet of File D M y Do cu men ts p cb M yD esign d dbD raw n By V T1V T3V T5 V T2V T4V T6 R T r 图 3 12 三相桥式全控整流电路原理图 3 5 5 双窄脉冲的形成环节电路的设计 双窄脉冲触发电路 本方案是采用性能价格比优越的 每个触发单元的的一个周期内 输出两个间隔 60 的脉冲电路 图中 V5 V6 两个晶闸管构成一个 或 门 当 V5 V6 都导通时 Uc5约为 15V 使 V7 V8 都截止 没有脉冲输出 但只要 V5 V6 中有一个截止 都会使 Uc5变为正电 压 使 V7 V8 导通 就有脉冲输出 所以只要适当的信号来控制 V5 或 V6 的截止 前 后间隔 60 就可以产生符合要求的双脉冲 其中第一个脉冲由本相触发单元的 Uco对 应的控制角所产生 使 V4 由截止变为导通造成 V5 的瞬间截止 于是 V8 输出脉冲 相隔 60 的第二个脉冲是由滞后 60 相位的后一相触发单元产生 在其生成第一个脉冲 时刻将其信号引至本相触发单元 V6 的基极 使 V6 瞬间截止 于是本相触发单元的 V8 管又导通 第二次输出一个脉冲 因而得到间隔 60 的双脉冲 其中 VD4 R17 的作用 主要防止双脉冲信号的互相干扰 在三相桥式全控整流电路中器件的导通次序为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 彼此间 隔 60 相邻器件成双接通 因此触发电路中双脉冲环节的接线方式为 以 VT1 器件的 触发单元而言 图 3 13 电路中的 Y 端应该接 VT2 器件触发单元的 X 端 因为 VT2 器件 的第一个脉冲比 VT1 器件的第一个脉冲滞后 60 所以当 VT2 触发单元的 V4 由截止变 导通时 本身输出一个脉冲 同时使 VT1 器件单元的 V6 管截止 给 VT1 器件补送一个 脉冲 同理 VT1 器件触发单元的 X 端应当接在 VT6 的 Y 端 以此类推 可以确定六个 器件相应触发单元电路的双脉冲环节的相互接线 如图所示 图 3 13 双脉冲环节的相互接线 宁夏理工学院毕业设计 19 3 5 6 强触发电路环节 强触发脉冲可以缩短晶闸管的开通时间 提高晶闸管承受 di dt 的能力 有利于改善 串并联元件的动态均压和均流 因此大中容量的触发电路都带有强触发环节 一般要求 初始幅值约为通常情况的 5 倍 前沿为 1A US 当 V8 截止时 单相全波整流电路通过 R15 给 C6 充电 达到 50V 当有脉冲输出时 C6 通过放电回路放电 驱动电平瞬间可达 50V 放电低于 15V 时 D15 导通 驱动电平维持在 15V 所以 C6 提高了脉冲的 前沿陡度 加快 SCR 导通 即强触发 3 6 防止误触发的措施的研究 晶闸管的误触发通常是由于干扰信号进入门极电路而引起的 例如 在多相和大功 率晶闸管装置中 晶闸管的阴极和门极的引线间常有磁场干扰信号 其次 是触发电路 本身夹杂有干扰信号输出所造成的 一般采取的措施有 1 将门极回路导线给以屏蔽 如采用有屏蔽层的绞线 将金属屏蔽层接地 此外 与大电流的导线以及易产生干扰的引线 如接触器 继电器的操作线路 之间应保证的 距离 2 单独敷线 走线径直 避免电感元件靠近门极回路 3 触发器的电源采用有静电屏蔽的变压器供电 取自电网的同步信号也采用有静电 屏蔽的同步隔离 必要时再加设滤波器 脉冲变压器一 二次绕组间必要时加设静电设备 4 在多项和大功率晶闸管装置中 选用触发电流较大的元件 5 在靠近晶闸管的阴极和门极间电容 C1 和电阻 R2 见图 3 14 以降低阴极和门极间 的阻抗 C1 为 0 01 0 1uF R2 100 左右 但是加上 C1 和 R2 回影响触发脉冲的波形和 功率 尤其是电容 C1 严重影响脉冲前沿 因此不宜用较大的电容量 6 在阴极和门极佳反向偏置电压一般为 3 0V 左右 可以用固定负压 也可以串联二 极管 D3 D4 D5 正向压降产生反压 当然也可用稳压管代替代替串联的二极管 但稳 压管的稳压值取 2 4V 为宜 见图 3 14 宁夏理工学院毕业设计 20 123456 A B C D 654321 D C B A T itle N umberR evisionSize B D ate 3 M ay 2011 Sheet of File D M y Documents pcb M yD esign ddbD raw n By B M D 5 D 1 D 3 D 2 D 4 R 1 R 2 C 1 T 图 3 14 加阻容元件和二极管的抗干扰措施 4 智能型双窄脉冲触发电路的设计 4 1 硬件原理图设计 本设计的主要任务就是研究晶闸管数字触发形成双窄脉冲触发的原理 设计集相序 自适应 缺相保护 脉冲形成 脉冲调制 A D 转换时序控制等功能于一体的晶闸管数 字触发器 实现晶闸管类电力电子设备的智能控制 其硬件原理图如图 4 1 所示 宁夏理工学院毕业设计 21 CPLD 缺相 保护 相序 自适应 脉 冲形成 A D 转换时 序控制 外 部故障保护 过热欠压晶振 同步 电 路 过流 过压 A D调 节 器 脉 冲 放 大 电 路 三相 桥式 全控 整流 电 路 给定 A B C 图 4 1 硬件原理图 此控制板主要由以下几个部分组成 同步电路 CPLD 芯片 闭环调节器 A D 转 换器 脉冲隔离放大部分 外部故障检测部分和晶振 符合系统要求的时钟 等 各部 分的功能是 同步电路将电网进线输入的三相电整形成同步信号送入 CPLD 外部故障信 号通过 I O 线输入到 CPLD 闭环调节单元将三相桥式全控整流电路输出的电压或电流 信号与触发角给定信号经过模拟 PI 运算后 经 A D 转换成数字信号控制触发角送入 CPLD CPLD 输出的脉冲送给脉冲隔离放大单元 经脉冲变压器隔离放大后驱动晶闸管 4 1 1 RC 移相及同步电路的实现 本论文中的同步电路原理图如图 4 2 所示 不用判断相序 直接将电网电压 A B C 接入 那么实际电网电压相序有六种组合情况 正序 ABC BCA CAB 负序 ACB BAC CBA 不管电网电压相序如何 首先通过 RC 移相装置移相 30 以确保所 产生的电压信号 Ua Ub Uc 的过零点与自然换相点相对应 然后利用光电耦合器把 A B C 变换为与电源同频的方波信号 a b c 它的组合也有六种情况 正序 abe bca cab 负序 acb bac cba 方波信号的跳变点在自然换相点上 将其直接送入 CPLD 进行处理 这样在三相整流系统中 不仅省去了对相序的麻烦 还能直接反映电网 电压 频率的变化 提高同步信号的对称度 宁夏理工学院毕业设计 22 1234 A B C D 4321 D C B A R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 C 1 C AP C 2 C AP C 3 C AP 5 V D1 V D2 V D3 A B C a b c U a U b U c T LP52 1 1 N etL ab el9 T LP 5 21 1 T LP52 1 1 图 4 2 RC 移相及同步获得电路 RC 移相电路是利用了元件两端电压与流过它的电流间的相位关系来实现的 电源为 电路提供输入电压 Uint 是电流与输入电压之闻的相位差 也是电阻上的电压 UR与输 入电压 Uint之间的相位差 因为电阻上的电压和电流彼此同相 由于电容两端电压 Uc 滞 后于电阻两端电压角度为 90 则电容上的电压与输入电压 Uint之间的相位差为 向量 图如图 4 3 所示 电容电压作为输出电压 Uout 且滞后于输入电压 Uint 因而产生相移 经过 RC 后的输出电压与输入电压要移相 30 即输出电压滞后输入电压 30 RC 的取 值就要恰当 使用线性光耦 TLP521 1 将电网电压信号变为同步方波信号 out U int U R U 图 4 3 电压向量图 4 1 2 主控芯片的选用 本设计选用 Altera 公司生产的 MAX7000S 系列 CPLD 器件 但该系列器件有多种不 同型号的芯片 我们通常是根据其内部容量大小和外部管脚多少来决定使用什么型号的 芯片 本系统应用 VHDL 语言来实现 CPLD 内部的整个控制逻辑 实现相序自适应 缺 宁夏理工学院毕业设计 23