CF系列晶閘管觸發(fā)器

摘要：詳細(xì)介紹了利用CF系列晶閘管觸發(fā)器組成的自動穩(wěn)壓穩(wěn)流的直流電源，充電電源和電力操作用的浮充電電源的實例，同時還介紹了浮充電源的工作特性。

關(guān)鍵詞：整流器；直流電源；充電器；浮充電源；晶閘管觸發(fā)器

1??? 引言

??? 傳統(tǒng)的充電電源、浮充電電源，一般都是采用晶閘管。晶閘管工作在移相控制狀態(tài)，既作為整流元器件，又作為穩(wěn)壓、穩(wěn)流調(diào)節(jié)元器件，這種電源稱之為線性電源。近年來雖然開關(guān)電源已經(jīng)在不斷地取代相控電源，但因其生產(chǎn)成本較高和功率器件IGBT的技術(shù)參數(shù)所限，目前市場上的產(chǎn)品仍以采用晶閘管的線性電源為主。

??? 在這類線性電源中，各種整流器其電路原理除了一些細(xì)節(jié)上的不同外，基本組成都是相同的，都是以晶閘管為核心，所以晶閘管觸發(fā)電路性能的好壞是這類產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。近年來不少單位和技術(shù)人員在開發(fā)和完善晶閘管觸發(fā)器產(chǎn)品，目前市場上已有一些較為成熟的專用和通用的觸發(fā)器產(chǎn)品，CF系列觸發(fā)器就是其中之一。不同類型的觸發(fā)器其功能和特點有所不同，用戶應(yīng)根據(jù)其自己的使用要求進(jìn)行選擇。

??? CF系列晶閘管觸發(fā)器屬于一種固態(tài)器件，它將同步脈沖形成電路，功率驅(qū)動電路，輸出隔離電路，負(fù)反饋PI調(diào)節(jié)電路，脈沖封鎖電路，直流穩(wěn)壓電路，抗電磁干擾兼容電路等集成于一體，故應(yīng)用于系統(tǒng)時非常簡單，連接線很少，不需要進(jìn)行電路調(diào)試，屬于傻瓜型器件。用戶使用時僅需外接一個同步變壓器即可，只要連接線無誤，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。其內(nèi)部電路既吸收了數(shù)字電路抗干擾能力強(qiáng)，又吸收了模擬電路線性度好的優(yōu)點，使得它的適應(yīng)性很強(qiáng)，在較嚴(yán)重的電磁干擾場合都能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

??? CF系列觸發(fā)器是一種通用型晶閘管觸發(fā)器。它既可工作于調(diào)相（調(diào)壓）方式，又可工作于調(diào)功（調(diào)晶閘管導(dǎo)通時間）方式。用于調(diào)相時，晶閘管導(dǎo)通角的移相范圍為0～180°，且線性度很好，用于調(diào)功時，晶閘管工作于過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷狀態(tài)，既延長了晶閘管的使用壽命，又減少了浪涌電流和高次諧波的產(chǎn)生。

??? CF系列晶閘管觸發(fā)器可廣泛應(yīng)用于交、直流調(diào)壓與調(diào)速，整流與逆變場合，適用于星形、三角形和雙反星形等多種電路連接方式。用其組成電機(jī)四象限工作方式的電路非常簡單。

??? CF系列晶閘管觸發(fā)器的功能、性能及電氣參數(shù)指標(biāo)是目前同類產(chǎn)品中較全、較高的一種，詳見產(chǎn)品使用說明手冊。

2??? 電源基本電路組成及功能

??? 對于充電器、浮充電源等具有自動穩(wěn)壓、穩(wěn)流特性的直流電源設(shè)備，其主電路雖有多種形式，但采用CF系列晶閘管觸發(fā)器都非常簡單，圖1是三相半控橋自動穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電源電路原理圖實例。將圖1稍加改動也可工作于全控工作方式，即將圖中D₁－D₃整流二極管改為晶閘管，觸發(fā)器由CF97044B改用CF97033B即可。

注意：該電路中的直流電源線V_cc、接地線V_gnd等直流電部分不能與機(jī)殼、大地、交流電零線相連接，否則將損壞電源。

??? 圖1電路輸出直流電壓的調(diào)節(jié)范圍是DC0～508V，電流的調(diào)節(jié)范圍是0A～最大（最大值視負(fù)載和晶閘管功率而定）。但工作在低電壓、大電流區(qū)域時，輸出直流電壓的質(zhì)量不高，有時還會出現(xiàn)脈動波形。若經(jīng)常工作在該區(qū)域時，應(yīng)考慮增加一降壓隔離變壓器T₃，如圖1中虛線所示，并斷開a、b、c三點。但應(yīng)注意降壓變壓器T₃和同步變壓器T₁的初次級接線方式需保持一致，即若是Y型，均為Y型，若是△型，均為△型。此時直流輸出電壓的上限值由T₃的輸出值決定。

??? 圖1電路的基本功能為：

??? 1）輸出電壓??? DC0～508V；

??? 2）輸出電流??? 視V₁～V₃，D₁～D₃的功率而定；

??? 3）具有自動穩(wěn)壓穩(wěn)流調(diào)節(jié)功能；

??? 4）具有自動檢測、判斷、記憶、顯示交流側(cè)三相電中缺相、過電流、過電壓、欠電壓、低頻和直流側(cè)過電流等故障，并具有故障逐一指示及輸出聲、光報警和自動拉閘、脈沖封鎖、故障鎖定等保護(hù)功能，另外還有＋10～14V/2A，＋12V/0.5A，＋8V/0.5A，－8V/0.5A四種直流電源，可供系統(tǒng)中其它電路用。

??? 若不需要上述4）中的保護(hù)功能時，可將圖1中的DY－BH部件去掉，仍具有自動穩(wěn)壓穩(wěn)流功能，這樣可降低系統(tǒng)生產(chǎn)成本。

圖1??? 硅整流設(shè)備基本組成電路原理

圖中：DY－BH電源保護(hù)板，HL故障報警燈，HA故障報警喇叭，S_C清除按鈕，S_R復(fù)位按鈕，

S_sr啟動按鈕，S_sp停止按鈕，TA₁～TA₃電流互感器，TAD直流互感器，C計算機(jī)，

RP₁人工控制下，輸出值給定調(diào)節(jié)旋鈕，KM接觸器，K₁人工或計算機(jī)控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，

K₂穩(wěn)壓或穩(wěn)流轉(zhuǎn)換開關(guān)

??? 若電源的輸出功率不大，也可采用單相供電方式，相應(yīng)地將CF97044B改用CF97077B，生產(chǎn)成本會更低。電路如圖2所示。

圖2??? 單相輸入整流裝置電路原理

??? 以上介紹的是這類直流電源基本組成的電路原理實例，但在不同用途時，還應(yīng)考慮一些相應(yīng)的問題。

3??? 不同負(fù)載時應(yīng)考慮的問題

??? 圖1所示電路作直流電源用時，應(yīng)考慮所帶負(fù)載的特性，是以阻性為主、容性為主，還是以感性為主的問題。我們一般常說的負(fù)載概念以阻、容、感三種特性都同時存在，但以阻性為主。

??? 1）負(fù)載以阻性為主時

??? 如果所帶負(fù)載是純電阻或以阻性為主時（如電阻絲、熱電耦、加熱棒，或作通用直流電源用時），圖1電路就能完全滿足要求，不需再考慮其它因素。

??? 2）負(fù)載以容性為主時

??? 如果所帶負(fù)載是純電容或以容性為主時（如電容器、蓄電池，或作電鍍、電解電源用時），應(yīng)考慮在圖1的基礎(chǔ)上增加限流功能。具體做法是將直流互感器TAD（或用分流器）輸出的取樣信號（0～5V）的兩條引出線DC＋、DC－從d、e兩處斷開分別與CF97044B的Vfs、Vgnd相連接，如圖1虛線所示。當(dāng)然限流設(shè)定值需用戶根據(jù)自己的使用要求而設(shè)定。

??? 3）負(fù)載以感性為主時

??? 如果所帶負(fù)載是純電感或以感性為主時（如直流電機(jī)、電磁振動機(jī)等），應(yīng)考慮在圖1的基礎(chǔ)上增加續(xù)流功能，即在直流輸出側(cè)并聯(lián)一個整流二極管D₄，如圖1中虛線所示。

4??? 浮充電電源

??? 作為充電電源用時，負(fù)載一般是電池或蓄電池，給電池或蓄電池充電有2種工作方式，即離線式和在線式。離線式是指將放完電的空電池連接在電源上進(jìn)行充電，充滿電后再將其斷開；在線式是指充滿電后也不斷開，仍掛在電源上繼續(xù)進(jìn)行浮充電，所以叫浮充電源，在電力行業(yè)也叫直流操作電源。

??? 首先討論離線式工作方式，在離線式中又有簡單充電和精密充電之分，簡單充電是指電池充電次數(shù)比較頻繁，充電質(zhì)量要求不高的場合，如給礦燈配用的蓄電池充電等；精密充電是指充放電次數(shù)少，充電質(zhì)量要求高的場合，如給干電池充電等。精密充電需經(jīng)過恒流均充、恒壓均充和恒壓浮充等三個階段。

??? 簡單充電對充電電源的功率要求不高，只有兩個或一個充電工作階段，一般電源即能滿足要求。恒流和恒壓均充狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，是人工利用手動轉(zhuǎn)換開關(guān)K來實現(xiàn)的，當(dāng)然也可用一個定時器來控制K，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換的工作方式。

??? 而廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、紡織行業(yè)及各大工礦企業(yè)變電站、配電室中的浮充電源，又稱之為直流操作電源。在實際應(yīng)用中，它是與鎘鎳電池（或鉛酸免維護(hù)蓄電池）組和直流饋電柜，組合為一整體而工作的，被稱為直流系統(tǒng)或直流屏。其連接方式如圖3所示，工作特性如圖4所示。

圖3??? 電源的應(yīng)用連接方式

圖4??? 電源的工作特性

4.1??? 浮充電電源的工作方式

??? 1）電源在為蓄電池充電的同時還向動力合閘母線、信號控制母線電路供電。

??? 2）動力母線在合閘瞬間，往往需要很大的啟動電流，電源自身因功率有限，則由蓄電池供電。

??? 3）由于動力母線合閘時，蓄電池釋放了大量的電能，所以合閘過后，電源又向蓄電池充電。

4.2??? 浮充電電源的工作特性

??? 作為一個完整的浮充電電源，應(yīng)具備以下兩項基本功能：一是在向蓄電池充電的同時還能向其它負(fù)載電路供電；二是充電方式合理化和充電過程自動化。這是工作環(huán)境對浮充電源的要求，也稱為電源的輸出特性，如圖4所示。

??? 1）當(dāng)在交流電網(wǎng)失電或動力母線合閘放電后，蓄電池電壓降低至某一值A(chǔ)時，電源自動開始對蓄電池進(jìn)行大電流充電，圖4中A—B段為恒流均充電區(qū)域。

??????? 2）當(dāng)蓄電池電壓被充電至某一值（B）時，則自動轉(zhuǎn)入恒壓均充電B—C段，該段在給定時間內(nèi)結(jié)束。

??? 3）恒壓均充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充電D—F段，蓄電池處于充滿電備用階段。

??? 4）當(dāng)動力母線合閘時，蓄電池快速放電，電壓又降至A點。F—A為合閘瞬間段。

??? 5）當(dāng)交流電網(wǎng)停電時，蓄電池向負(fù)載供電，電壓呈指數(shù)規(guī)律下降，E—A為停電工作段。

4.3??? 浮充電電源的組成

??? 在圖1的基礎(chǔ)上增加1個穩(wěn)壓限流和穩(wěn)流限壓調(diào)節(jié)及工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制電路即可組成浮充電電源（如圖5所示），這是筆者為大同供電局幾個變電站改造直流電源時采用的實際電路圖。

4.4??? 浮充電電源的工作過程

??? 該電源的工作方式分手動控制和自動控制2種。在手動控制下分為穩(wěn)壓和穩(wěn)流2種工作狀態(tài)；在自動控制下又分為恒壓浮充電、恒壓均充電和恒流均充電3種工作狀態(tài)，這5種工作狀態(tài)的運(yùn)行都是由圖5所示控制電路完成。

圖5??? 控制電路

圖中：K₁—手動和自動切換開關(guān)K₂—穩(wěn)壓和穩(wěn)流切換開關(guān)RP₁—手動控制下的給定值調(diào)節(jié)旋鈕

RP₂—恒壓浮充狀態(tài)下的給定值RP₃—恒壓均充狀態(tài)下的給定值RP₄—恒流均充電狀態(tài)下的給定值

??? 在手動控制方式下，由人工調(diào)節(jié)K₁，K₂和RP₁來完成2種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換工作；在自動控制方式時，所有檢測轉(zhuǎn)換工作都是由電源自身自動完成。圖5中，由U₃，R₁，R₂，R₃，C₃和C₄組成一個交流停電的自動計時電路，當(dāng)停電時間超過設(shè)定值時，則將U₄置“0”，交流復(fù)電后電源自動轉(zhuǎn)入恒流均充電狀態(tài)下工作；否則，復(fù)電后電源自動轉(zhuǎn)入恒壓浮充電狀態(tài)下工作。U₁和U₂分別組成獨(dú)立的兩種PID調(diào)節(jié)電路，U₁為穩(wěn)流調(diào)節(jié)電路，U₂為穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路。在穩(wěn)壓狀態(tài)下工作時，U₂電路起穩(wěn)壓調(diào)節(jié)作用，U₁電路起限流調(diào)節(jié)作用；相反在穩(wěn)流狀態(tài)下工作時，U₁電路起穩(wěn)流調(diào)節(jié)作用，U₂電路起限壓調(diào)節(jié)作用。RP₅，RP₆和U₅，U₆等組成直流輸出電壓VC－D的的檢測電路，當(dāng)VC－D低于VA給定值時，自動轉(zhuǎn)入恒流均充電狀態(tài)；當(dāng)VC－D高于VB給定值時，則自動轉(zhuǎn)入恒壓均充電狀態(tài)，經(jīng)1h延時后則自動轉(zhuǎn)入恒壓浮充電狀態(tài)，至此完成一個圖4給出的充電工作周期。恒流均充電按鈕的作用是，不管在哪種狀態(tài)下工作，都可人工按下此按鈕，使電源工作在恒流均充電狀態(tài)下。

5??? 結(jié)語

??? 前述的浮充電電源的工作特性是根據(jù)對蓄電池的充放電過程和變電站現(xiàn)場操作人員的使用經(jīng)驗總結(jié)出來的，經(jīng)多處實際使用結(jié)果表明，該電源是一種較為理想的直流操作電源。