基于TCF792B的多功能晶閘管觸發(fā)裝置的研制

徐俊華，李嘯驄，陳葆超，王婷婷，周海龍

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

0 引言

TCF792A和TCF792B是單相、三相通用數(shù)字相位控制觸發(fā)電路，在電路功能上全面兼容TC787，TC788，TC790A，TC790B，TCA785，KJ004，KJ041，KJ04等幾乎所有種類的單、三相移相觸發(fā)電路，性價比高，是新一代的數(shù)字移相電路。

TCF792B主要適用于50Hz工頻范圍，其主要特點如下:脈沖寬度采用電壓控制，無需移相電容;具有補償范圍為0-60°的同步信號補償功能;簡化了整流變壓器的接線組別，可用于任意相整流電路;可以選擇線性移相或者余弦移相;既可用于單相、三相半控與全控可控硅整流橋觸發(fā)和單相、三相交流調(diào)壓反并聯(lián)與雙向可控硅觸發(fā)，又可用于晶體管類變頻、變壓、逆變控制電路;可有效防止頻率變化引起的失控和顛覆現(xiàn)象;具有自動識別相序功能，現(xiàn)場應(yīng)用方便等[1]。目前，TCF792B已經(jīng)逐漸獲得推廣應(yīng)用[2，3]。

本文以通用數(shù)字相位控制觸發(fā)電路芯片TCF792B為基礎(chǔ)，充分利用其特點，研制了一款具有如下主要特點的多功能晶閘管觸發(fā)裝置:①可以選擇半控或者全控觸發(fā)脈沖輸出;②可以選擇線性移相或者余弦移相;③具備相序自動識別功能，不用考慮整流變壓器的接線組別;④接口方便，可靈活的與實際工業(yè)自動控制系統(tǒng)建立連接;⑤觸發(fā)脈沖角度的控制可以采用手動和自動兩種控制模式等。我們已經(jīng)將新研制的觸發(fā)裝置安裝到實際的同步發(fā)電機微機勵磁裝置上，做了一系列的靜態(tài)調(diào)試試驗和動態(tài)試驗。試驗結(jié)果表明，新研制的觸發(fā)裝置工作穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)良。我院新研制的觸發(fā)裝置既可用于“電力電子技術(shù)”等課程的實驗教學，還可用于同步發(fā)電機、風力發(fā)電機和電動機等設(shè)備的控制系統(tǒng)中，使該裝置具有良好的應(yīng)用前景。

1 TCF792B的基本原理及使用簡介

TCF792B 的原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[1，2]。其工作電源電壓為5V，輸入輸出端口兼容TTL電平，可方便地與其他數(shù)字電路連接。振蕩器采用生產(chǎn)商在制造時固定的內(nèi)部振蕩電路。同步信號為方波，由7腳引入，方波的下降沿正好是A相電壓由負變正時的過零點。方波信號經(jīng)過180°倍頻后，進入數(shù)字運算控制單元用于形成控制信號，調(diào)制波脈沖、相位分配等信號由此產(chǎn)生。半控單脈沖或全控雙脈沖選擇、矩形波或調(diào)制波選擇、線性移相或余弦移相選擇、正相序輸出或反相序輸出選擇，分別由15、17、18和19腳懸空或接地進行控制。16腳一般用于過載或短路保護，若接地則閉鎖所有的輸出。芯片內(nèi)含有自動上電復(fù)位電路。另外，TCF792B內(nèi)置有硬件看門狗電路，能對因干擾引起的數(shù)字電路運行節(jié)拍混亂進行糾正。六路脈沖分別由 2、3、6、8、9和11腳輸出。

圖1 TCF792B的原理結(jié)構(gòu)簡圖

TCF792B的其它管腳功能及基本使用方法詳見參考文獻[1，2]，這里不再贅述。

2 主觸發(fā)電路設(shè)計

基于TCF792B的三相半控晶閘管整流橋觸發(fā)裝置主電路原理圖如圖2所示。

由于TCF 792B采用單相同步采樣，一般只引入A相電壓作為同步電壓即可。從勵 磁變壓器輸出的A相電壓Ua經(jīng)R1、R2、R3和D1、D2削波限幅后，由R4輸入電壓比較器74LM358的負輸入端，Ua正半波時比較器輸出低電平，負半波時輸出高電平，正弦波轉(zhuǎn)換成了方波，再通過光耦隔離后從同步信號輸入端子Tb引入到芯片內(nèi)，作為形成觸發(fā)脈沖的同步信號。方波整形電路中的電容C1主要用于去除Ua過零點附近的毛刺，而濾波導(dǎo)致的相位滯后則可通過RW2調(diào)整相位補償電位輸入端Xb的電位來補償。為了防止相序錯誤導(dǎo)致的觸發(fā)混亂，增加B相輔助信號來判斷觸發(fā)脈沖是正序輸出還是負序輸出，使設(shè)計出的觸發(fā)電路具備相序自動識別功能。B相電壓經(jīng)方波整形電路以及光電耦合后以方波形式輸入到反序輸出選擇端子Fx，TCF792B會在A相同步信號對應(yīng)的方波下降沿時刻鎖存Fx端口電位，若鎖存的是高電平，則表明輔助信號正是B相電壓，觸發(fā)脈沖按正序輸出，否則表明引入的輔助信號是C相電壓，芯片按負序輸出觸發(fā)脈沖。

手動方式或者自動方式形成的控制電壓通過輸入引腳Vk引入到芯片內(nèi)，控制觸發(fā)角的大小。全控雙脈沖或半控單脈沖選擇、調(diào)制波或矩形波選擇、余弦移相或線性移相選擇、正相序輸出或反相序輸出選擇，分別由15、17、18和19腳接地或懸空進行控制。調(diào)整RW1可以在0～178°范圍內(nèi)改變脈沖寬度。

TCF792B輸出的觸發(fā)脈沖功率較小，需要經(jīng)過脈沖功率放大之后才能成功觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。脈沖變壓器TB1由鐵鈦氧圓形磁罐做成，除起阻抗變換作用以外，還與VT1構(gòu)成強、弱電路隔離環(huán)節(jié)。二極管D5在TB突然關(guān)斷時可以起續(xù)流作用，D6、D7主要用于保護晶閘管觸發(fā)極。

3 調(diào)試試驗

3.1 試驗系統(tǒng)原理

為了調(diào)試新研制的觸發(fā)裝置并檢驗其性能，我們將新研制的觸發(fā)裝置安裝到實際的同步發(fā)電機微機勵磁裝置上，做了一系列的靜態(tài)調(diào)試試驗和動態(tài)試驗。試驗系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)原理圖

上圖所示的試驗系統(tǒng)實質(zhì)上是同步發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)，主要由模擬同步發(fā)電機、微機勵磁系統(tǒng)以及配套的整流變壓器、電壓互感器和電流互感器等部分組成。模擬同步發(fā)電機的額定有功功率為5 kW，額定機端電壓為380 V。微機勵磁系統(tǒng)包括微機勵磁調(diào)節(jié)器和勵磁功率單元。勵磁調(diào)節(jié)器主要由模擬量輸入處理單元、開關(guān)量輸入輸出模塊、控制核心、觸摸屏、手動通道以及本文研制的TCF792B觸發(fā)裝置等幾個部分組成?？刂坪诵牟捎玫膭畲趴刂撇呗詾槎嘀笜朔蔷€性勵磁控制，關(guān)于多指標非線性勵磁控制相關(guān)的內(nèi)容可以參考文獻[4，5]，這里不贅述。微機勵磁調(diào)節(jié)器手動通道或自動通道輸出的控制電壓Vk通過控制TCF792B觸發(fā)裝置形成觸發(fā)脈沖，從而控制勵磁功率單元中的三相半控晶閘管整流橋的導(dǎo)通，最終控制同步發(fā)電機的勵磁。轉(zhuǎn)換開關(guān)QS用于選擇勵磁方式為自并勵或者他勵，其中他勵電源取自380 V交流市電。關(guān)于同步發(fā)電機微機勵磁控制的原理，可參考文獻[6]。

靜態(tài)調(diào)試試驗時，通過切換轉(zhuǎn)換開關(guān)QS選擇勵磁方式為他勵。

3.2 靜態(tài)調(diào)試試驗

(1)線性移相靜態(tài)調(diào)試

設(shè)置TCF792B為線性移相方式，得到線性移相靜態(tài)調(diào)試試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。這里要指出的是，由于試驗系統(tǒng)的整流橋采用的是三相半控橋，因此，本文調(diào)試試驗中的觸發(fā)脈沖為單脈沖。

圖4 線性移相靜態(tài)調(diào)試試驗波形

圖5 線性移相時實測控制角與計算控制角對比圖

圖4是用示波器記錄的線性移相靜態(tài)試驗波形。圖中，Ua、Ub、Uc為三相交流同步電壓，+A觸發(fā)脈沖為經(jīng)功率放大之后可直接用于控制晶閘管導(dǎo)通的觸發(fā)脈沖，需要指出的是，觸發(fā)脈沖的幅值實際為4.5 V左右，為了方便與同步信號進行比較，故用示波器記錄時，將其幅值相對同步電壓放大了10倍并將波形調(diào)整到圖中所示位置(下同)。其中，圖4(a)是控制電壓Vk為0 V時的靜態(tài)試驗波形，此時+A觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角約為2°;圖4(b)是+A觸發(fā)脈沖觸發(fā)角為60°時的靜態(tài)試驗波形。由圖可見，新研制的觸發(fā)裝置采用線性移相時產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖波形平滑，前沿較陡，而且可以與晶閘管的陽極電壓同步。

圖5是在整個移相范圍內(nèi)，移相方式為線性移相時，實測控制角與計算控制角的對比圖。其中計算控制角是根據(jù)線性移相時，輸入電壓0～VCC，線性對應(yīng)控制移相角2～178°得到的?？紤]到同步發(fā)電機勵磁控制的實際需要，我們將觸發(fā)角的范圍設(shè)定在2°～160°(余弦移相也一樣)。由圖可見，當新研制的觸發(fā)裝置采用線性移相時，在整個移相范圍內(nèi)的實測控制角與計算控制角的大小基本一致，即在整個移相范圍內(nèi)都可以正確形成觸發(fā)脈沖。

(2)余弦移相靜態(tài)調(diào)試

設(shè)置TCF792B為余弦移相方式，得到余弦移相靜態(tài)調(diào)試試驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 余弦移相靜態(tài)調(diào)試試驗波

圖7 余弦移相時實測控制角與計算控制角對比圖

圖6是用示波器記錄的余弦移相靜態(tài)試驗波形。其中，圖6(a)是控制電壓Vk為0V時的靜態(tài)試驗波形，此時+A觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角約為0°;圖6(b)是+A觸發(fā)脈沖觸發(fā)角為120°時的靜態(tài)試驗波形。可見，新研制的觸發(fā)裝置采用余弦移相時產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖波形平滑，前沿較陡，并與晶閘管的陽極電壓同步。

圖7是在整個移相范圍內(nèi)，移相方式為余弦移相時，實測控制角與計算控制角的對比圖。其中計算控制角是根據(jù)余弦移相時輸出移相角α與控制電壓Vk的關(guān)系式:α=arcCos[(Vcc-2Vk)/Vcc)得到的。由圖可見，當新研制的觸發(fā)裝置采用余弦移相時，在整個移相范圍內(nèi)的實測控制角與理論計算控制角的大小也基本一致，即在整個移相范圍內(nèi)都可以正確形成觸發(fā)脈沖。

3.3 動態(tài)試驗

我們采用圖3所示的試驗平臺，進行一系列的勵磁系統(tǒng)動態(tài)試驗，用于考核觸發(fā)裝置的工作性能。進行動態(tài)試驗時，勵磁方式設(shè)置為自并勵，移相方式選為余弦移相。下面，我們對其中最典型的起勵試驗進行分析。

圖8是勵磁系統(tǒng)的起勵試驗波形。圖中，IL表示勵磁電流，UL代表勵磁電壓，UGA、UGB、UGC為三相機端電壓。圖8所示起勵試驗波形的性能指標如下:端電壓超調(diào)量為3%，振蕩次數(shù)0.5次/秒，調(diào)節(jié)時間2.3 s?？梢?，起勵性能指標完全滿足相關(guān)國標的要求[7]。而勵磁系統(tǒng)的性能指標與觸發(fā)脈沖形成環(huán)節(jié)的性能密切相關(guān)，因此，通過圖8所示的起勵波形以及起勵完成之后的空載運行波形可知，本文研制的TCF792B觸發(fā)裝置，可以根據(jù)控制電壓準確、穩(wěn)定的形成觸發(fā)脈沖，控制晶閘管整流橋的導(dǎo)通，晶閘管整流橋輸出的直流電壓波形平滑。

圖8 勵磁系統(tǒng)起勵試驗波形

4 結(jié)語

本文研制了一款基于新一代集成數(shù)字相位控制觸發(fā)芯片TCF792B的多功能晶閘管觸發(fā)裝置，并將新研制的觸發(fā)裝置安裝到實際的同步發(fā)電機微機勵磁裝置上，做了一系列的靜態(tài)調(diào)試試驗和動態(tài)試驗。試驗結(jié)果表明，TCF792B觸發(fā)裝置功能豐富，接口方便，工作穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)良。新研制的觸發(fā)裝置即可用于“電力電子技術(shù)”等課程的實驗教學，還可用于同步發(fā)電機、風力發(fā)電機、電動機等設(shè)備的控制系統(tǒng)中，具有良好的應(yīng)用前景。

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