晶閘管整流常用同步電路比較及應(yīng)用

許亞飛 李 宏

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

眾所周知，在晶閘管類電力電子變流系統(tǒng)中，整流設(shè)備輸出電壓及功率的改變是通過改變晶閘管的觸發(fā)控制角α來實現(xiàn)的，而同步信號電路工作特性決定了控制角α的精確度。因此，同步信號電路在晶閘管整流電路中扮演著極其重要的角色，其采集精度與響應(yīng)速度直接影響整流電路輸出結(jié)果。另外，同步信號電路還有電源隔離和相位匹配功能，前者實現(xiàn)主電路電源和控制電源間的隔離功能，后者實現(xiàn)同步信號與主電路間的匹配[1]。

同步信號電路的重要性也預(yù)示著電力電子變流系統(tǒng)對同步信號電路工作特性有著極為嚴(yán)格的要求：

（1）在三相可控整流電路中，向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定不變的，而是會在允許范圍內(nèi)有一定的波動，此時同步信號電路應(yīng)體現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性[2]；

（2）目前的變流系統(tǒng)對響應(yīng)時間有著越來越苛刻的要求，同步信號電路必須迅速的反映出各相電源相位變化；

（3）大、中功率的變流器，對同步電路的精度要求較高，同步信號電路必須準(zhǔn)確的傳達(dá)出各相電源的過零點或者換向點[3]。

本文通過分析四種常用的同步信號電路基本原理，得出各自的優(yōu)缺點以及應(yīng)用舉例。

1 四種常用同步電路介紹

1.1 同步變壓器型信號電路

同步變壓器型信號電路如圖1（A）所示，采用同步變壓器來實現(xiàn)電源隔離、降壓和相位匹配獲得同步電壓，該同步電壓值隨用戶系統(tǒng)工作電壓的不同有不同的取值，常用的有效值為6V、9V、12V、30V幾種[4]。同步電壓經(jīng)過零檢測電路檢測過零點并進(jìn)行波形整定和提取。

圖1 三種同步信號原理圖

工作原理：為了保證獲取同步信號的準(zhǔn)確性，同步變壓器三相電源輸入直接取自主電路，降壓后（一般降壓后電壓等級為幾十伏）通過限流電阻觸發(fā)晶體管，當(dāng)每相電壓升高至過零點后晶體管被觸發(fā)導(dǎo)通，經(jīng)過直流電源和上拉電阻整定的同步信號隨之產(chǎn)生。

1.2 光耦隔離式同步信號電路

光耦合器廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、精密開關(guān)電源和微機(jī)接口中，其具有速度快、輸出線性度好等特點[5]。光耦隔離式同步信號電路如圖1（B）所示，采用光電耦合器實現(xiàn)電源隔離和波形整定，其輸入電壓直接取自整流變壓器。

工作原理：該電路輸入電壓取自整流變壓器副邊三相電壓，經(jīng)過限流電阻作用后，光電耦合器會隨著輸入電壓的正負(fù)周期變化而轉(zhuǎn)變導(dǎo)通或關(guān)閉狀態(tài)，在上拉電阻和直流電源的作用下會生成和輸入電壓匹配的同步信號。

1.3 晶體管整形式同步信號電路

晶體管整形式同步信號電路如圖1（C）所示，采用電阻分壓的方法降低電壓幅值，然后由晶體管實現(xiàn)電源隔離并整定同步信號波形，其輸入電壓可以直接取自整流變壓器副邊。在此應(yīng)當(dāng)注意的是在組成該晶體管整形電路時，應(yīng)根據(jù)需求選擇管子的型號，本次應(yīng)用由于輸出為數(shù)字信號故選擇開關(guān)類晶體管[6]。

工作原理：輸入電壓經(jīng)過電阻分壓后，保證相位關(guān)系不變的情況下降低了同步電壓的幅值，然后經(jīng)過限流電阻后作用在晶體管上。隨著輸入電壓正負(fù)周期的變化和晶體管周期性的導(dǎo)通關(guān)斷，與之匹配的同步信號也隨之產(chǎn)生。整形后的同步信號波形如圖2所示，正弦波為220V交流電壓，同步信號為高電平為+5V低電平為0V 的矩形波。

圖2 同步信號波形圖

1.4 光電耦合式同步信號電路

光電耦合式同步信號電路如圖3（A）所示，該電路以光耦合器對主電路電壓進(jìn)行隔離耦合來獲得同步信號，同步信號直接取自整流電路中共陽極晶閘管的陰極電壓，所以觸發(fā)脈沖具有相位自適應(yīng)功能。光耦合器PC1～PC5用來起隔離及整形作用，ua、ub、uc為三相同步信號直接由晶閘管的門陰極引線從主回路的三相進(jìn)線取得，uTa、uTb、uTc、-uTa、-uTb、-uTc為同步環(huán)節(jié)的輸出[7]。

圖3 光電耦合式同步信號電路和簡化電路

工作原理：對于每一相電壓來說，任意時刻總是和與之相連的另一相電壓保持導(dǎo)通狀態(tài)（忽略光耦合器導(dǎo)通壓降），比如a、b兩相電壓，總存在Uab0或者Uab0，即a、b兩相通過兩個光耦合器相連且彼此導(dǎo)通，這樣相鄰的兩個光耦合器可以簡化為兩個二極管反向并聯(lián)，其簡化電路1如圖3（B）所示，也可表明電路狀態(tài)為通路，然后將R4、R5和R6組成的角型電路轉(zhuǎn)化為星型電路，與C1、C2和C3組成的星型電路并聯(lián)，其簡化電路2如圖3（C）所示。

當(dāng)三相電源電壓為380V工頻交流電源，R1=15K，C1=680nF，R4=7.5 K，排阻R7=60.8 K，C4=6.2nF時，示波器測量的uTa、uTb和uTc三路輸出波形如圖4所示，正弦波為ua輸入，依次出現(xiàn)的黃、綠、紅矩形波分別為uTa、uTb、uTc同步信號。

圖4 uTa、uTb和uTc輸出波形

表1 四種常用同步電路的優(yōu)缺點

2 四種常用同步電路比較

四種常用同步電路各有異同，根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)、電子元器件選擇、工作原理和工作環(huán)境可總結(jié)出其各自的優(yōu)缺點如表1所示。

3 四種常用同步電路應(yīng)用舉例

3.1 同步變壓器型信號電路應(yīng)用舉例

該同步信號電路主要配合其他芯片來完成應(yīng)有功能，如配合陜西高科電力電子有限責(zé)任公司開發(fā)的KC168集成電路后可用于雙向晶閘管溫控系統(tǒng)和單相橋式全控晶閘管整流系統(tǒng)。另外，配合三片KC168集成芯片可組成三相觸發(fā)器集成電路，如圖5同步變壓器型信號電路用于三相整流系統(tǒng)所示，同步信號電路輸出的三路同步信號分別進(jìn)入三片KC168的同步信號輸入端6引腳，在芯片內(nèi)部形成數(shù)字式鋸齒波，然后與移相控制電壓相比較生成對應(yīng)的觸發(fā)脈沖，直流霍爾電流傳感器檢測直流輸出，起到保護(hù)作用。上述應(yīng)用在多個系列產(chǎn)品中已經(jīng)體現(xiàn)出較好的實用性和穩(wěn)定性。

圖5 同步變壓器型信號電路用于三相整流系統(tǒng)

3.2 光耦隔離式同步信號電路應(yīng)用舉例

該電路配合KC188集成電路后經(jīng)常用在三相半波、三相橋式半控、三相橋式全控以及其他電路拓?fù)涞娜嘟涣麟娐分?。另外該同步信號電路也?yīng)用在陜西高科電力電子有限責(zé)任公司開發(fā)的三相交流調(diào)功及溫控系統(tǒng)和多片KC188組成的有源逆變系統(tǒng)中，圖6為光耦隔離式同步信號電路用于三相交流調(diào)功及控溫系統(tǒng)的簡圖，該系統(tǒng)用光電隔離器和晶體管組成雙層保護(hù)，三路方波同步信號分別引入虛擬A、B、C三相同步信號輸入端，引腳17和引腳6分別是移相控制電壓輸入端和輸入脈沖封鎖端。此應(yīng)用體現(xiàn)出該同步電路的實用性和靈活性。

圖6 光耦隔離式同步信號電路用于三相交流調(diào)功及控溫系統(tǒng)

3.3 晶體管整形式同步信號電路應(yīng)用舉例

該電路和光耦隔離式同步信號電路相似，也經(jīng)常配合KC188集成電路用在三相半波、三相橋式半控、三相橋式全控以及其他電路拓?fù)涞娜嘟涣麟娐分?。圖7為晶體管整形式同步信號電路用于三相半波可控整流系統(tǒng)的應(yīng)用舉例，圖中用電阻分壓作為同步電壓輸入，用集電極輸出的晶體管來進(jìn)行同步交流電壓到方波電壓的轉(zhuǎn)化，該系統(tǒng)工作于開環(huán)狀態(tài)，并且有過流保護(hù)功能及缺相或三相嚴(yán)重不平衡保護(hù)功能[7]。

圖7 晶體管整形式同步信號電路用于三相半波可控整流系統(tǒng)

3.4 光電耦合式同步信號電路應(yīng)用

目前該電路已成功應(yīng)用于陜西高科電力電子有限責(zé)任公司的KCZ6F-1、KCZ6F-5等諸多晶閘管控制板中，特別是與SGK198或SGK199等數(shù)字芯片軟硬件結(jié)合后，達(dá)到了精確安全功效，總體運(yùn)行取得良好的效果。如圖8光電耦合式同步信號電路應(yīng)用模塊所示，當(dāng)光電耦合同步信號電路依次產(chǎn)生A、AF、B、BF、C和CF六路同步信號時，SGK199芯片根據(jù)各路同步信號的下降沿和輸入頻率開始計數(shù)，達(dá)到一定數(shù)值后產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號。給定電壓轉(zhuǎn)化為對應(yīng)頻率，給定電壓越高對應(yīng)頻率越高，芯片內(nèi)部計數(shù)速度越快，對應(yīng)α角越小，輸出功率越大。

圖8 光電耦合式同步信號電路應(yīng)用模塊

4 結(jié)語

在目前晶閘管整流或調(diào)功設(shè)備中，同步信號電路的設(shè)計種類很多，各自具有不同的工作方式和優(yōu)缺點，不同的電力電子變流裝置需要不同的同步信號電路與之相匹配。隨著科技進(jìn)步和時代發(fā)展，同步信號

電路不僅要滿足變流裝置的基本要求還要追求更加簡潔的布局和靈活的使用性。文中介紹了四種常用同步信號電路，為以后晶閘管類變流裝置的設(shè)計和發(fā)展提供了一定幫助。

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