一種帶計(jì)量功能的可控直流源設(shè)計(jì)

陳文威 岳旭豪

摘 要

全文以介紹可控直流源的應(yīng)用開頭。設(shè)計(jì)了基于集成芯片的小型化可控直流源的實(shí)現(xiàn)方案。在電路設(shè)計(jì)方面，介紹了為滿足TC787可控穩(wěn)定工作的輸入模塊;實(shí)現(xiàn)可控直流源輸出的TC787模塊;用于安全防護(hù)其具有電能計(jì)量的RN7302電壓檢測計(jì)量模塊。整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)簡單，體積小，且只需要更改可控硅，即可實(shí)現(xiàn)不同功率要求的可控直流源。

關(guān)鍵詞

RN7302;TC787;可控直流源

中圖分類號(hào)： H02H9/04 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 27

Abstract

The full text begins with an introduction to the application of a controllable DC source. An implementation scheme of miniaturized controllable DC source based on integrated chip is designed. In the circuit design， the input module for controlling the stable operation of TC787 is introduced; the TC787 module for controlling the output of the DC source; and the RN7302 voltage detection module for safety protection are introduced. The whole solution is simple to implement， small in size， and only needs to change the thyristor to achieve a controllable DC source with different power requirements.

Key words

RN7302;TC787;SN75HVD3082E;Controllable DC Source

0 前言

電力系統(tǒng)中，可控直流源的應(yīng)用場合十分廣泛，可控直流源可以供各種需求設(shè)備進(jìn)行供電，以使對(duì)應(yīng)設(shè)備可靠工作，是多數(shù)場合不可或缺的必備設(shè)備，十分重要。

然而雖然目前市場上可控直流源很多，且多數(shù)可控直流源均可穩(wěn)定可靠的工作，但是市場上的可控直流源存在一定缺陷，通常體積小的可控直流源會(huì)伴隨功率小的缺陷;功率大的直流源會(huì)伴隨體積較大的缺陷;而體積小且功率大的直流源通常為不可控直流源。然后由于空間以及因出差條件的限制，工作中漸漸追求體積小、功率大且可自帶計(jì)量功能的智能可控直流源。

此處設(shè)計(jì)利用高速發(fā)展的集成芯片技術(shù)，利用集成芯片TC787實(shí)現(xiàn)一個(gè)體積小，功耗大且可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置各種上下限值的直流源，且整體電路方案固定，可根據(jù)實(shí)際需要，選擇并更換其中一個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn)不同的體積及功耗的直流源。電源使用的安全性極其重要，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)計(jì)量功能，本處同樣利用集成芯片RN7302進(jìn)行電壓檢測及計(jì)量，并通過MCU控制可控直流源的通斷，起到保護(hù)作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本處需要設(shè)計(jì)的是一種基于集成芯片的自帶計(jì)量功能的可控直流源。該自帶計(jì)量功能的小型化直流源整個(gè)功能均以集成芯片來實(shí)現(xiàn)其的小型化、智能型、可靠性。

1.1 設(shè)計(jì)產(chǎn)品特點(diǎn)

◆各功能模塊均使用集成芯片;

◆小型化，智能型，可靠性;

◆更換不同可控硅即可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格功耗的直流源;

◆輸出電壓可智能調(diào)節(jié)。

1.2 系統(tǒng)框圖

全文設(shè)計(jì)的是一種集成化的小型可控直流源。按功能模塊劃分主要包含輸入模塊（電源輸入口）、TC787觸發(fā)模塊（實(shí)現(xiàn)可控直流輸出）、電壓檢測及計(jì)量模塊（以RN7302實(shí)現(xiàn)安全可靠功能）、MCU模塊以及輸出模塊（負(fù)載）。其中MCU模塊以及輸出模塊比較普遍且簡單，本文不詳細(xì)敘述。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)見圖2-2所示。本處只進(jìn)行核心功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，即只進(jìn)行實(shí)現(xiàn)可控直流源輸出的TC787功能模塊設(shè)計(jì)、輸入模塊設(shè)計(jì)、電壓檢測模塊設(shè)計(jì)。

2.1 可控直流源輸出模塊

TC787是采用先進(jìn)IC工藝設(shè)計(jì)制作的單片集成電路，可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)電路和三相三極管脈寬調(diào)制電路。與目前流行的KC系列電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬，外接元件少等優(yōu)點(diǎn);而且裝調(diào)簡便，使用可靠。TC787的引腳4為移相控制電壓輸入端，該端電壓的高低直接決定著TC787輸出脈沖的移項(xiàng)角度。在應(yīng)用中為使系統(tǒng)在不同的負(fù)載下輸出恒定的電壓，需要電路能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出脈沖的移項(xiàng)角度。為了實(shí)現(xiàn)可控直流源的輸出，本處將TC787的4號(hào)引腳直接接MCU模塊。TC787的8號(hào)引腳、10號(hào)引腳以及12號(hào)引腳分別通過光耦隔離控制可控硅QD1、QD2以及QD3的分時(shí)輪流導(dǎo)通，進(jìn)而獲得輸出直流電壓，且通過脈沖可控制輸出不同電壓值。TC787的管腳功能圖見圖2所示。

2.2 電壓檢測計(jì)量模塊

本電路模塊采用銳能微三相計(jì)量芯片RN7302應(yīng)用電路，該電路能夠滿足大部分電參數(shù)的測量需求，適用三相四線/三相三線系統(tǒng)。相對(duì)于運(yùn)放AD采樣電路來說，軟件實(shí)現(xiàn)簡單，對(duì)MCU的資源要求較低。RN7302的外圍電路簡單，輸入模塊的電壓采樣經(jīng)過電阻分壓后直接輸入對(duì)應(yīng)的電壓采樣口，既可實(shí)現(xiàn)電壓采樣，又具有內(nèi)部電壓值的自動(dòng)處理功能，最后利用SPI口直接將需求數(shù)據(jù)傳輸給MCU模塊既可實(shí)現(xiàn)電壓的實(shí)時(shí)檢測及計(jì)量。

2.3 輸入模塊

對(duì)于輸入模塊，因本設(shè)計(jì)的是帶計(jì)量功能的小型化可控直流源，其特點(diǎn)之一是大功率，故輸入模塊必不可少是三相交流電輸入，而本處設(shè)計(jì)的利用TC787集成芯片進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換且獲得需求電壓，故需要輸入模塊的三相交流電與TC787進(jìn)行信號(hào)同步檢測，而TC787各引腳承受的最大電壓為DC18V，故需要對(duì)輸入模塊的三相交流電進(jìn)行變壓，此處設(shè)計(jì)的輸入模塊見圖3所示，三相交流電利用同步變壓器T1進(jìn)行同步變壓，獲得同步電壓信號(hào)A12、B12以及C12。

3 測試

3.1 整流器選型

以上完成整流器的各個(gè)參數(shù)的計(jì)算。需求不同輸出電壓范圍，不同輸出電流范圍（不同功率）的可控直流源均可以套用公式直接算出滿足需求的整流器件。

3.2 波形測試

對(duì)于本處測試主要測試的整機(jī)可控電壓輸出測試，因篇幅有限，只介紹測試結(jié)果，并不對(duì)測試?yán)碚撨M(jìn)行計(jì)算。測試主要位置點(diǎn)為輸出負(fù)載電流id、輸出電壓ud以及各相的電流信號(hào)波形ia、ib、ic等。因本處設(shè)計(jì)的是可控直流源輸出，而控制方式為TC787的4引腳移相控制，故此處我們通過設(shè)置不同移相值α（0度、30度、60度），得到不同情況下的波形，具體見圖4所示。

由上圖可知，本設(shè)計(jì)方案可行，能通過設(shè)置，獲得輸出可調(diào)直流源信號(hào)。

4 結(jié)論

全文以介紹可控直流源的應(yīng)用開頭。設(shè)計(jì)了基于集成芯片自帶計(jì)量功能的小型化可控直流源的實(shí)現(xiàn)方案。整個(gè)可控直流源包含輸入模塊、TC787觸發(fā)模塊、電壓檢測計(jì)量模塊、MCU模塊以及輸出模塊（負(fù)載）。在電路設(shè)計(jì)介紹方面，因MCU模塊、輸出模塊（負(fù)載）比較簡單且普遍，故未進(jìn)行。只單獨(dú)介紹了為滿足TC787可控穩(wěn)定工作的輸入模塊;實(shí)現(xiàn)可控直流源輸出的TC787模塊;用于安全防護(hù)且兼容電能計(jì)量功能的RN7302電壓檢測計(jì)量模塊。整個(gè)方案實(shí)現(xiàn)簡單，體積小，且只需要更改可控硅，即可實(shí)現(xiàn)不同功率要求的可控直流源。

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