CA6100通用數(shù)字型可控硅觸發(fā)板的應用

1、我廠KGCFA150/200360型硅整流充電裝置，自投入運行以來已有十年以上，由于設備的老化及其技術上的局限性，經常發(fā)生輸出電壓、電流振蕩，甚至跳閘等事故。嚴重影響我廠直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對全廠機組的正常運行埋下了隱患。從1997年開始，我廠更換了新型GFM（Z）閥控密封鉛酸蓄電池。該種電池要求硅整流充電裝置具有較高的穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度，同時還要具有限流恒壓的充電方式。因此，原硅整流充電裝置已不能滿足實際生產要求，需要對其進行改進。KGCFA150/200360型硅整流充電裝置的控制電路由電源板、信號板、直流放大器、觸發(fā)板、直流互感器等組成。分析其工作原理，我們認為造成硅整流充電裝置運行不穩(wěn)定的原

2、因有以下幾個方面：1. 反饋采集元件性能差，至使反饋回來的電壓、電流信號不穩(wěn)定，且線性度差。2. 直流放大器調節(jié)性能下降。直流放大器主要由分立電子元件組成，由于運行時間較長，大部分元件都已老化，工作特性發(fā)生變化，使直流放大器對信號的處理能力下降。3. 觸發(fā)板采用正弦同步電壓和直流控制電壓疊加的垂直控制原理，直流控制電壓與同步電壓的交點決定觸發(fā)脈沖發(fā)出的時刻。改變直流控制電壓與同步電壓的交點，就可以改變脈沖發(fā)出的時刻（即移相）。三相同步電壓是經過同步變壓器獲得的，由于同步變壓器制造工藝上的原因，致使三相同步電壓在幅值、寬度及對稱平衡性上都有一定的差異，使得同一直流控制電壓與每相同步電壓交叉點的相

3、序不平衡（即觸發(fā)時間相序發(fā)生變化），從而造成充電裝置輸出電壓和電流波動。通過以上分析，在不改變原硅整流充電裝置主體結構的情況下，只要對其控制電路的調節(jié)與觸發(fā)部分進行重新設計和改進就可以滿足實際生產要求。目前國內傳統(tǒng)的三相可控硅觸發(fā)電路普遍采用小規(guī)模集成塊KC或KJ系列的模擬芯片來組成。這類電路每一相的觸發(fā)脈沖都是通過同步變壓器送來的同步信號轉換為鋸齒波信號，再與給定的直流電壓相比較來取得移相信號的。三相鋸齒信號的斜率、占空比和幅度等與分離的每相元器件參數(shù)關系密切，比較信號中小的干擾可能造成較大的移相誤差。此外，三相脈沖的對稱平衡亦取決于三個鋸齒波斜率的調整，至少要調整四個以上的電位器才能使這種

4、電路正常工作，電路的可靠性及自動平衡能力較差。在干擾嚴重或電位器接觸不良造成嚴重失衡時，觸發(fā)信號甚至造成主回路元件的損壞。由模擬芯片組成的觸發(fā)電路，對不同的用途通常需要重新設計，不同相序的輸入電源、同步變壓器及觸發(fā)脈沖所對應的可控硅也需用示波器嚴格查對。此外，對諸如缺相保護、軟起停等附屬電路也需另外設計電路解決，整個電路系統(tǒng)在設計和調試時相當繁雜。經過認真調研，我們采用了以CA6100通用數(shù)字型可控硅觸發(fā)電路板為核心的控制電路，其原理框圖如圖1所示。該控制電路由電壓模塊、電流模塊、PI調節(jié)板、CA6100型觸發(fā)電路板等組成?，F(xiàn)將各部分的原理和作用簡述如下：1、電壓模塊KV、電流模塊KT作為采集

5、元件為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和電流反饋信號。 2、PI調節(jié)板（比例積分調節(jié)板）其原理簡圖如圖2所示該調節(jié)板由高質量的集成運算放大器和積分電容組成。其作用將給定的電壓、電流信號與電壓、電流反饋信號進行比例積分運算，并加以放大后向觸發(fā)板提供觸發(fā)信號SIG。由于電壓環(huán)和電流環(huán)在調節(jié)板上形成“或”的邏輯關系，可以保證硅整流充電裝置實現(xiàn)限流恒壓的充電方式。同時該調節(jié)板還能向控制電路提供+5V和±12V控制電源。3、CA6100觸發(fā)板CA6100型觸發(fā)板是以40芯CMOS大規(guī)模集成電路為核心，利用鎖相環(huán)技術PLL和多芯片合成技術MCM，根據(jù)壓控振蕩器VCO鎖定三相同步信號間的邏輯關系設計出的一種

6、可控硅觸發(fā)系統(tǒng)。05V的直流輸入電壓信號，可以控制輸出脈沖的移相范圍從5º175º可調。CA6100型觸發(fā)板由以下幾部分構成：相位基準電路、緩沖放大器及軟起動/軟停止電路、鎖相環(huán)、缺相檢測及禁止電路、相序檢測和選擇開關、監(jiān)控電路、脈沖放大器和脈沖變壓器等。其原理框圖如圖3所示下面以觸發(fā)板的核心技術鎖相環(huán)進行詳細分析，從而了解系統(tǒng)的工作原理，而后分析脈沖驅動電路，介紹驅動能力： 鎖相環(huán)鎖相環(huán)是整個觸發(fā)電路的核心，使得輸出的觸發(fā)脈沖與電源實現(xiàn)同步。鎖相環(huán)門延角發(fā)生器電路如圖4所示，加法放大器，壓控振蕩器（VCO），80分頻器，6分頻器，三相裂相器，三個彼此獨立的異或非門相位檢測

7、器和一個緩沖放大器組成三相位鎖相環(huán)。鎖相環(huán)具有很高的頻率響應，可以在一個電源周期內達到鎖相。壓控振蕩器輸出信號的角頻率受控于輸入控制電壓的大小，而在圖示鎖相環(huán)電路中，三異或非門鑒相器的輸出信號與門延命令經緩沖放大后的輸出信號相疊加，再經低通濾波后輸出的信號作為控制電壓送到VCO的輸入端，控制其振蕩頻率，當環(huán)路鎖定后，VCO輸出為480倍電源頻率的振蕩信號即CK1信號。信號CK1經80分頻后得到CK2信號，其頻率為電源頻率的6倍。CK2信號再經6分頻器和裂相器得到三個信號即延遲基準信號Ad、Bd、Cd，其頻率為電源頻率，寬度為180º，但彼此間相位互差120º。這三個信號與相

8、位基準電路產生的電源基準信號A、B、C被分別送入三個異或非門鑒相器，從而產生相位差值信號Da、Db、Dc。當壓控振蕩器（VCO）的輸出信號頻率鎖定在電源頻率數(shù)倍（如480倍）的數(shù)值時，VCO的控制電壓必須保持為一個恒定的數(shù)值，即相位差信號與緩沖后的門延命令電壓之和為一恒值。這樣，當門延命令電壓值上升時，緩沖后的電壓下降，為保持頻率鎖定及VCO控制電壓的恒定，相位差值信號平均電壓值要上升，因而電源基準與延遲基準信號間的相位差值減少，而延遲基準信號直接決定了觸發(fā)脈沖延遲角的大小，從而實現(xiàn)可控的移相控制。不同的主電路形式，可能要求觸發(fā)脈沖延遲角的最小值和最大值也不一樣。這可以通過調節(jié)偏置電阻R3與范

9、圍電阻R2的大小來達到要求，前者決定了逆變參考位置（即觸發(fā)脈沖的最大延遲角），而后者決定了脈沖的移相范圍。 觸發(fā)脈沖驅動電路脈沖驅動電路包括脈沖放大器和脈沖變壓器，其中任意一個可控硅（例如A相）的脈沖驅動原理如圖5所示AP的波形、輸出脈沖P波形如圖6所示當AP端開始有信號時，晶體管立即進入導通狀態(tài)，由于0.33uF電容的瞬間短路作用，使得脈沖變壓器的原邊得到30V的電源電壓，因此此時副邊得到的信號為15V的尖峰脈沖，它可以用作可控硅的強觸發(fā)脈沖，加快其導通速度，從而提高了觸發(fā)的可靠性。而后AP端的高頻調制脈沖使得脈沖變壓器副邊得到持續(xù)的幅度較低（7.5V）的高頻調制脈沖，繼續(xù)給可控硅提供觸發(fā)脈沖，以提高電流斷續(xù)時工作的穩(wěn)定性，同時可以降低驅動電路的功率等級。4、CA6100觸發(fā)板的優(yōu)點 輸出的三相觸發(fā)脈沖通過高頻同步脈沖分頻計數(shù)輸出，因而具有高度的對稱性、均衡性和良好的控制線度，克服了KC、KJ系列的同類產品的諸多缺點。 觸發(fā)板無需同步變壓器，同步信號直接用高值電阻取自與可控硅相連的主回路（無單獨聯(lián)線），自動實現(xiàn)與電網同步，而且具有相序自動測控核對能力，從而使其在主電路與調節(jié)器的聯(lián)線上變得異常簡易、可靠，無需作任何調測便能投入運行。 觸發(fā)板集缺相保護、軟起停等功能為