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(dòng)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(shí)例，同時(shí)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(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)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(dòng)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(shí)非常簡(jiǎn)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(shí)僅需外接一個(gè)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(diǎn)，使得它的適應(yīng)性很強(qiáng)，在較嚴(yán)重的電磁干擾場(chǎng)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(shí)間）方式。用于調(diào)相時(shí)，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(shí)，晶閘管工作于過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷狀態(tài)，既延長(zhǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(cè)。

2 電源基本電路組成及功能

對(duì)于充電器、浮充電源等具有自動(dòng)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(jiǎn)單，圖1是三相半控橋自動(dòng)穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電源電路原理圖實(shí)例。將圖1稍加改動(dòng)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(shí)，輸出直流電壓的質(zhì)量不高，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)波形。若經(jīng)常工作在該區(qū)域時(shí)，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(diǎn)。但應(yīng)注意降壓變壓器T₃和同步變壓器T₁的初次級(jí)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(shí)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(dòng)穩(wěn)壓穩(wěn)流調(diào)節(jié)功能；

4）具有自動(dòng)檢測(cè)、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(bào)警和自動(dòng)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(shí)，可將圖1中的DY－BH部件去掉，仍具有自動(dòng)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(bào)警燈，HA故障報(bào)警喇叭，S_C清除按鈕，S_R復(fù)位按鈕，

S_sr啟動(dòng)按鈕，S_sp停止按鈕，TA₁～TA₃電流互感器，TAD直流互感器，C計(jì)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(jì)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(huì)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(shí)例，但在不同用途時(shí)，還應(yīng)考慮一些相應(yīng)的問題。

3 不同負(fù)載時(shí)應(yīng)考慮的問題

圖1所示電路作直流電源用時(shí)，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(shí)存在，但以阻性為主。

1）負(fù)載以阻性為主時(shí)

如果所帶負(fù)載是純電阻或以阻性為主時(shí)（如電阻絲、熱電耦、加熱棒，或作通用直流電源用時(shí)），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(shí)

如果所帶負(fù)載是純電容或以容性為主時(shí)（如電容器、蓄電池，或作電鍍、電解電源用時(shí)），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(hào)（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(shí)

如果所帶負(fù)載是純電感或以感性為主時(shí)（如直流電機(jī)、電磁振動(dòng)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(gè)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(shí)，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(jiǎn)單充電和精密充電之分，簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(gè)階段。

簡(jiǎn)單充電對(duì)充電電源的功率要求不高，只有兩個(gè)或一個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)K來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然也可用一個(gè)定時(shí)器來控制K，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(shí)還向動(dòng)力合閘母線、信號(hào)控制母線電路供電。

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

3）由于動(dòng)力母線合閘時(shí)，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(gè)完整的浮充電電源，應(yīng)具備以下兩項(xiàng)基本功能：一是在向蓄電池充電的同時(shí)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(dòng)化。這是工作環(huán)境對(duì)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(dòng)力母線合閘放電后，蓄電池電壓降低至某一值A(chǔ)時(shí)，電源自動(dòng)開始對(duì)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(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓均充電B—C段，該段在給定時(shí)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(dòng)力母線合閘時(shí)，蓄電池快速放電，電壓又降至A點(diǎn)。F—A為合閘瞬間段。

5）當(dāng)交流電網(wǎng)停電時(shí)，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(gè)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(gè)變電站改造直流電源時(shí)采用的實(shí)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(dòng)控制和自動(dòng)控制2種。在手動(dòng)控制下分為穩(wěn)壓和穩(wěn)流2種工作狀態(tài)；在自動(dòng)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(dòng)和自動(dòng)切換開關(guān)K₂—穩(wěn)壓和穩(wěn)流切換開關(guān)RP₁—手動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制方式時(shí)，所有檢測(cè)轉(zhuǎn)換工作都是由電源自身自動(dòng)完成。圖5中，由U₃，R₁，R₂，R₃，C₃和C₄組成一個(gè)交流停電的自動(dòng)計(jì)時(shí)電路，當(dāng)停電時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，則將U₄置“0”，交流復(fù)電后電源自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒流均充電狀態(tài)下工作；否則，復(fù)電后電源自動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(cè)電路，當(dāng)VC－D低于VA給定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒流均充電狀態(tài)；當(dāng)VC－D高于VB給定值時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓均充電狀態(tài)，經(jīng)1h延時(shí)后則自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓浮充電狀態(tài)，至此完成一個(gè)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(duì)蓄電池的充放電過程和變電站現(xiàn)場(chǎng)操作人員的使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，經(jīng)多處實(shí)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。