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觸發器是晶閘管類電力電子設備中必不可少的單元。自從1957年晶閘管問世至今，經過近50年的研究和探索，伴隨著晶閘管容量的不斷增大，派生器件的日益增多，有關晶閘管觸發器的研究也在不斷發展，盡管如今可供電力電子行業工程技術人員使用的晶閘管觸發器種類繁多，但從大的方面可把它們歸納為模擬式、數字式、數模混合式3大類。對模擬式晶閘管觸發器來說，常用的又可分為正弦波同步和鋸齒波同步的兩大家族。采用正弦波同步的觸發器，由于對同步信號幅值和正弦波的波形要求較嚴，如今已較少應用，而鋸齒波同步的模擬式觸發器在當今晶閘管電力電子設備中獲得了甚為廣泛的應用。然而這種觸發器由于是通過恒流源對電容充電來得到鋸齒波的，往往電容和恒流源輸出電流在觸發器制作過程中便設定為定值，當同步電壓頻率降低時，則鋸齒波寬度增加，充電時間變長，造成鋸齒波幅值增高，相反當同步電壓頻率升高時，鋸齒波寬度變窄，充電時間變短，造成鋸齒波幅值降低，因此，當移相控制電壓一定時，由于同步電壓頻率變化，導致輸出觸發脈沖的控制角不相同，便很難達到穩定輸出的要求，自然很難適應同步電壓頻率的變化，本文介紹的新型晶閘管觸發器可以彌補這些不足。 1 實現適應寬頻率范圍觸發器的關鍵 常規模擬式鋸齒波同步觸發器不能適應同步電壓頻率寬范圍變化的根本原因在于，這種觸發器是以恒流源給定值電容充電來形成鋸齒波的，因而當同步電壓頻率大范圍變化時，給該電容充電的時間便有較大的變化，導致了鋸齒波幅值隨頻率變化而大幅度變化，這種觸發器要適應同步電壓的寬范圍變化，必須保證鋸齒波的寬度跟隨同步電壓的頻率變化。要求鋸齒波的幅值保持恒定，可以通過兩種方法來實現：一是維持恒流源輸出電流不變，而使電容的電容量跟隨同步電壓頻率變化，當同步電壓頻率增加時，使電容的電容量減小，而當同步電壓頻率降低時，使電容的電容量增加，從而實現電壓的幅值不變；另一種辦法是保持電容的電容量不變，而使給電容充電的恒流源輸出電流隨同步電壓的頻率變化，當同步電壓頻率增加時，使該恒流源輸出電流增加，而當同步電壓頻率降低時，使該恒流源輸出電流減小。實際上要實現電容量隨同步電壓頻率連續變化的可變電容是極為困難的，而構成輸出電流隨同步電壓頻率連續變化的恒流源卻較容易，本文介紹的寬頻率范圍晶閘管觸發器正是按后者來T作的。 2 適應寬頻率范圍的單相晶閘管觸發器實現電路 圖1給出了可適應寬頻率范圍的單相晶閘管觸發器的電路原理圖，從圖l可知，該觸發器共使用了一片LM324四運算放大器、一個LM331頻率／電壓變換器和一個單相晶閘管觸發器集成電路TCA785，圖2給出了該觸發器各主要部分的工作波形，其工作原理可分析如下。 2.1 比較器 圖1中運算放大器(LM324的A單元)用作比較器，其作用是把正弦波同步電壓與零電平比較變為同周期的方波信號，經此處理使觸發器的工作與同步電壓的幅值和正弦波的波形失真與否沒有多大關系。 2.2 頻率／電壓變換器 LM33l為標準的頻率／電壓及電壓／頻率變換器集成電路，圖l中的用法為頻率／電壓變換器，它與運算放大器LM324的B單元一起構成精度較高、線性度很好的頻率／電壓變換器電路。該電路通過電容C1把比較器A輸出的方波微分成疊加有微分尖脈沖的電壓信號(為了保證頻率／電壓變換器的分辨率，電容C1不宜過大，且應隨頻率增高電容量有所減小)，LM331在內部把此頻率信號轉化為與同步電壓頻率成比例的電壓信號，并從腳l輸出，頻率／電壓變換器輸出電壓的高低除與同步電壓的頻率fT成正比外，還與圖1中的電阻R4與電容C2成正比，該頻率／電壓變換器的轉換精度與電容C2的取值有關，當頻率較高時，則電容C2的取值應相應減小，否則高頻段將失真，不利于提高轉換的線性度。 2.3 恒流源 圖1中運算放大器LM324的D單元構成恒流源，使用中為保證恒流源的線性度，應充分保證電阻R16與R17阻值不小于R14與R15的10倍，且R14與R15、R16與R17兩兩之間阻值誤差要盡可能地小，只有這樣才能保證鋸齒波的線性度，調試時有時測得的鋸齒波為下凹的，這是由于R14與R15或R16與R17兩個電阻之間阻值有較大的差值造成的。 2.4 觸發脈沖形成 圖1中專用集成電路TCA785擔當觸發脈沖的形成環節，它的腳13接高電平則輸出為窄脈沖，脈沖的寬度由腳12所接的電容Cp決定，腳11為移相電壓輸入端，腳5為同步電壓輸入端，腳15與腳14分別為對應同步電壓負正半周的觸發脈沖輸出端，在TCA785的內部集成了給腳10外接的電容充電的恒流源，該恒流源輸出電流的大小由其引腳9對接地端(引腳1)所接電阻的大小唯一決定，圖l中引腳9懸空，相當于內部恒流源的輸出電流為零，因而通過外部恒流源給電容CT充電形成鋸齒波，這是該觸發器最巧妙的地方，該鋸齒波與腳11輸入的移相控制電壓進行比較，從而形成移相觸發脈沖。圖1中C4與C為抗干擾電容，而整流管D1與D2是因為TCA785單電源工作用來削波的，也就是說TCA785單電源工作時要求的同步電壓峰值為%26;#177;O．7V。 2.5 鋸齒波幅值調節用放大器 圖1中LM324的C單元構成反相輸入放大器，用以來對頻率／電壓變換器的輸出電壓進行放大，電位器Rp用來調節恒流源輸入電壓的大小，也就調整了給電容C7充電電流的大小，進而調整了鋸齒波的幅值。 可適應同步電壓寬頻率范圍的單相晶閘管觸發器的主要工作波形，如圖2所示。 3 適應寬頻率范圍的三相晶閘管觸發器 圖3給出了應用圖1所示的單相晶閘管觸發器構成的三相晶閘管觸發器的原理圖，圖3中為提高頻率／電壓轉換器的分辨率，由C1、C2、C3構成或門，使頻率／電壓變換器的輸入頻率相對圖l提高3倍，圖3中每個虛線框內的電路與圖l中虛線框內的電路相同，6路雙脈沖形成器集成電路KJ04l在此處用來把三相6路單脈沖變換成為6路相位彼此瓦差60%26;#176;的雙窄脈沖，圖4給出了圖3所示的三相晶閘管觸發器的工作波形圖。 4 實用效果 圖3所示的晶閘管觸發器已由陜西高科電力電子有限責任公司批量生產，并已成功地應用于該公司為某研究單位核聚變模擬試驗裝置(HL一2A磁場電源裝置)配套牛產的8臺晶閘管可控整流電源(容量為lOOOV／12kA與600V／12 kA各4臺)中。該晶閘管電源由采用飛輪儲能的發電機供電，在供電的過程中，由于飛輪儲存能量的下降，因而使發電機輸出交流電壓的頻率在80～120Hz范圍內變化，但用戶負載又要求在給定控制信號一定時，輸出直流電壓不隨交流輸入電壓頻率而變化，因而對觸發器的頻率跟蹤性能提出了很高的要求。 圖5"圖7分別給出了在同一移相控制電壓Vk下，同步電壓頻率分別為50Hz、80Hz、100Hz時，同步電壓(上)與同步鋸齒波(中)及輸出觸發脈沖(下)的對應關系示圖，從圖5"圖7可明顯看出同步電壓頻率從50Hz到100Hz大范圍變化時，同步鋸齒波的幅值(9．7 V)與觸發控制角始終保持在相對同步鋸齒波中間位置90%26;#176;不變，經實測，當同步輸入電壓的頻率在30～160Hz范圍內變化時，該觸發器的鋸齒波幅值及同一移相給定電壓下的觸發脈沖相位都保持不變，完全勝任了同步電壓頻率的寬范圍變化，更應提到的是，由于工作現場二十幾臺大直流電源同時運行，磁場干擾及電場干擾都極為嚴重，該觸發器的抗干擾性能亦得到了檢驗。 5 結語 1)與鋸齒波同步的晶閘管觸發器適應同步電壓頻率大范圍變化的關鍵，是保證同步鋸齒波的頻率跟蹤同步電壓頻率，但其幅值應保持恒定不變。 2)實現變頻率恒幅值鋸齒波的核心是構成線性度優良的頻率／電壓變換器，以該頻率／電壓變換器的輸出形成高精度恒流源，給電容線性充電。 3)TCA785是一個專用觸發脈沖形成器集成電路，它可應用內部恒流源給外接電容充電，也可把內部恒流源的電流設定為零，應用外部恒流源給外接電容充電形成鋸齒波，這給應用TCA785構成適應寬頻率范圍變化的晶閘管觸發器奠定了堅實的基礎。 4)理論分析和實驗驗證都證明了文中介紹的觸發器之可行性與實用性及魯棒性，勿須贅述，其應用前景將是十分廣闊的。 |
