小功率電力電子器件的具體應(yīng)用和技術(shù)開(kāi)發(fā)

1、小功率電力電子器件的具體應(yīng)用和技術(shù)開(kāi)發(fā)6.1.1 小功率白熾燈調(diào)光電路小功率白熾燈調(diào)光電路通常采用由普通晶閘管、雙向晶閘管和觸發(fā)二極管組成的交流調(diào)壓電路，電路的負(fù)載一般為普通的白熾燈。 調(diào)光電路的工作原理可以通過(guò)圖6-1（a）分析說(shuō)明。 圖6-1a雙向晶閘管小功率白熾燈調(diào)光電路 6.1.2 固態(tài)交流開(kāi)關(guān)固態(tài)交流開(kāi)關(guān)是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷組件，一般采用雙向晶閘管作為負(fù)載電流控制開(kāi)關(guān)。根據(jù)控制容量的不同，也將其稱(chēng)為固態(tài)繼電器（Solid State Relay， 簡(jiǎn)稱(chēng)SSR）和固態(tài)接觸器(Solid State Contactor， 簡(jiǎn)稱(chēng)SSC)。 固態(tài)交流開(kāi)關(guān)分為非零壓型開(kāi)關(guān)和零壓型開(kāi)關(guān)， 典型電路分

2、別如圖6-2、圖6-3所示。 圖6-2 非零壓型開(kāi)關(guān) 圖6-3所示的零壓固態(tài)交流開(kāi)關(guān)中，當(dāng)控制輸入電壓VIN大于一定幅值后，4N25中的光敏三極管導(dǎo)通，迫使V1截止，從而由R5提供觸發(fā)電流，有可能使普通晶閘管VT1導(dǎo)通。但是，VT1的導(dǎo)通還取決于V2是否截止。V2的截止由R3、R4的分壓決定，適當(dāng)選擇R3、R4的阻值，使V2在交流電壓波形接近于過(guò)零點(diǎn)時(shí)截止， 其余時(shí)刻導(dǎo)通，即可保證VT1、VT2在交流電壓過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)，構(gòu)成零壓固態(tài)交流開(kāi)關(guān)。 圖6-3 零壓型開(kāi)關(guān) 6.1.3 小功率電力電子器件的技術(shù)開(kāi)發(fā) 兩線(xiàn)制小功率晶閘管電子開(kāi)關(guān)已廣泛應(yīng)用于各種照明裝置的控制。這種電路的特點(diǎn)是采用阻容降壓形式為

3、觸發(fā)電路供電。 因此，為保證控制電路的正常工作，無(wú)論電子開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通， 阻容元件上都將存在著功耗，特別是對(duì)于大容量電子開(kāi)關(guān)，這一缺點(diǎn)顯得尤為突出。 圖6-4給出了一種兩線(xiàn)制節(jié)能電子開(kāi)關(guān)，其特點(diǎn)是利用雙向晶閘管VT1的漏電流、關(guān)斷狀態(tài)指示電路及雙向晶閘管多象限觸發(fā)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微功耗供電，以求在提供最大的觸發(fā)功率的前提下保持最小的靜態(tài)功耗。 圖6-4 兩線(xiàn)制節(jié)能電子開(kāi)關(guān) 兩線(xiàn)制節(jié)能電子開(kāi)關(guān)的核心是雙向晶閘管VT1，利用VT1的導(dǎo)通、關(guān)斷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的開(kāi)關(guān)控制，而VT1的觸發(fā)能量則是由蓄能電容提供的。電路工作原理可以描述為：當(dāng)節(jié)能電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，通過(guò)指示電路R1、LED及VT1的漏電流向蓄能電容C1

4、充電，此時(shí)，如果控制電路輸出觸發(fā)信號(hào)，則控制三極管V1導(dǎo)通，蓄能電容C1將通過(guò)VT1的觸發(fā)PN結(jié)、限流電阻R2和控制三極管V1形成放電回路。如果C1上積蓄的能量足夠大，能夠維持電流的流通時(shí)間大于VT1的觸發(fā)開(kāi)通時(shí)間，則可保證VT1的可靠觸發(fā)。一旦電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后，C1的充電將由主回路電流直接提供，其供電能力將不受限制。另外，并聯(lián)在C1兩端的穩(wěn)壓二極管V3主要用于限壓，同時(shí)V3兩端的電壓也可用于向控制電路提供工作電源V+。電路中的二極管VD1、VD2相對(duì)C1起單向充電作用， 而對(duì)于主回路則可保證交流導(dǎo)通。 圖6-5 兩線(xiàn)制功率擴(kuò)展電子節(jié)能開(kāi)關(guān) 6.2 電力電子器件的綜合應(yīng)用 圖6-6 中頻感應(yīng)加熱

5、電源主回路原理簡(jiǎn)圖 6.2.1 整流觸發(fā)工作原理 在中頻感應(yīng)加熱電源中通常使用數(shù)字式整流觸發(fā)電路。 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將計(jì)數(shù)器電路的計(jì)數(shù)脈沖溢出作為觸發(fā)信號(hào)， 而觸發(fā)信號(hào)的相移則是由改變計(jì)數(shù)脈沖的頻率來(lái)完成的。數(shù)字式整流觸發(fā)電路的基本工作原理如圖6-7所示。 圖6-7 整流觸發(fā)電路原理框圖 1. 同步信號(hào)產(chǎn)生電路 同步信號(hào)產(chǎn)生電路如圖6-8所示，該電路由同步過(guò)零檢測(cè)和邏輯輸出電路兩部分組成。其中同步過(guò)零檢測(cè)電路以隔離光耦O1O6為核心配合相間限流電阻和平衡電容組成；邏輯輸出電路主要包括或非門(mén)IC2BIC2D、IC7BIC7D、IC11BIC11D。 圖6-8 同步信號(hào)產(chǎn)生電路 同步信號(hào)產(chǎn)生電路的工作

6、原理為： 當(dāng)兩相輸入電壓相等時(shí)，有兩個(gè)光耦的發(fā)光二極管同時(shí)截止，檢測(cè)出過(guò)零信號(hào)。在過(guò)零信號(hào)的作用期間，對(duì)應(yīng)兩只光耦的輸出三極管截止，并從集電極輸出高電平。高電平信號(hào)被送入邏輯輸出電路，分別經(jīng)過(guò)輸入端并聯(lián)的“或非門(mén)”IC2C、IC2D、IC7C、IC7D、IC11C、C11D輸出低電平信號(hào)，每?jī)陕返碗娖叫盘?hào)同時(shí)加在下一級(jí)“或非門(mén)”的輸入端，迫使其輸出為高電平。由于過(guò)零點(diǎn)只能夠持續(xù)短暫的時(shí)間，因此本級(jí)輸出實(shí)際為正向脈沖，利用這一正向脈沖可以作為脈沖發(fā)生計(jì)數(shù)器的復(fù)位信號(hào)，即脈沖計(jì)數(shù)的起點(diǎn)。另外，當(dāng)兩相輸入電壓之間存在電壓差時(shí)，兩相間反向并接的光耦發(fā)光二極管中有一只導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)光耦的輸出三極管輸出低電平

7、。此低電平經(jīng)過(guò)下一級(jí)輸入端并聯(lián)的“或非門(mén)”IC2B、IC7B、IC11B，以高電平的形式輸出，作為通道允許開(kāi)放信號(hào)， 用于脈沖通道選擇控制。 2. 脈沖發(fā)生計(jì)數(shù)器電路 脈沖發(fā)生計(jì)數(shù)器電路如圖6-9所示，電路由可編程計(jì)數(shù)器IC3、IC8、IC12組成。 圖6-9 脈沖發(fā)生計(jì)數(shù)器電路圖中，輸入信號(hào)來(lái)自V/F電路，為頻率可變的脈沖信號(hào)。 該信號(hào)作為可編程計(jì)數(shù)脈沖，經(jīng)由IN1端加入可編程計(jì)數(shù)器。 起始計(jì)數(shù)控制信號(hào)來(lái)自同步信號(hào)產(chǎn)生電路輸出端“或非門(mén)”送來(lái)的復(fù)位脈沖，有效計(jì)數(shù)延時(shí)起始于復(fù)位脈沖之后，并在計(jì)數(shù)溢出后輸出整流晶閘管的導(dǎo)通角控制信號(hào)。圖中的可編程計(jì)數(shù)器選用CD4536芯片， 計(jì)數(shù)溢出設(shè)置由芯片的

8、A、B、C、D及8 BYP引腳的高低電平組合實(shí)現(xiàn)，設(shè)定方法參見(jiàn)表 6-1。按照參考電路附圖A中的接線(xiàn)方式可以看出，DCBA對(duì)應(yīng)的高低電平組合為“1000”，其分頻鏈譯碼級(jí)數(shù)為9，即在二進(jìn)制數(shù)的第9位溢出， 或理解為計(jì)滿(mǎn)256個(gè)脈沖后溢出。另外，在設(shè)計(jì)中考慮到裝置出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)能夠及時(shí)切斷觸發(fā)脈沖進(jìn)行保護(hù)，控制電路將所有故障匯總形成故障關(guān)斷信號(hào)加在各路可編程計(jì)數(shù)器的OINH端， 用于故障時(shí)切斷輸出。 表 6-1 CD4536譯碼輸出選擇表 3. 脈沖通道選擇及整形放大電路 圖6-10給出了兩路脈沖通道選擇及整形電路，完整的電路共有6路（參見(jiàn)電路附圖）。其中脈沖通道選擇部分由NE556時(shí)基電路IC1

9、A、IC1B、IC6A、IC6B、IC10A、IC10B及“或非門(mén)”電路IC2A、IC7A、IC11A組成；脈沖整形放大電路由驅(qū)動(dòng)三極管V1V6及脈沖觸發(fā)變壓器T1T6組成，考慮到適應(yīng)不同的觸發(fā)功率，采用了大功率驅(qū)動(dòng)三極管，型號(hào)為T(mén)IP41C。 圖6-10 兩路脈沖通道選擇及整形放大電路 圖6-11 整形放大電路輸出觸發(fā)信號(hào)波形 4. V/F壓頻轉(zhuǎn)換電路 在中頻感應(yīng)加熱裝置中，整流輸出電壓的大小是通過(guò)調(diào)節(jié)裝置面板上的調(diào)功電位器完成的，調(diào)功電位器中心活動(dòng)端的電壓分壓值的變化對(duì)應(yīng)整流橋路中晶閘管的不同導(dǎo)通相位角的改變。在數(shù)字式整流觸發(fā)電路中，改變導(dǎo)通相角的方法是改變進(jìn)入脈沖計(jì)數(shù)器的信號(hào)頻率。因此，

10、在輸入調(diào)節(jié)電壓和脈沖計(jì)數(shù)器之間必須進(jìn)行信號(hào)形式轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程由V/F壓頻轉(zhuǎn)換電路完成。壓頻轉(zhuǎn)換電路有多種形式，在電路附圖中使用的是一種以1/2 NE556時(shí)基電路、PNP三極管及附屬元件共同組成的壓控振蕩器電路。 其電路原理如圖6-12 所示。 圖6-12 V/F壓頻轉(zhuǎn)換電路 6.2.2 逆變控制電路工作原理 逆變控制電路原理圖如圖6-13所示。電路由CD4046鎖相環(huán)IC23、LM324四運(yùn)算放大器IC19AIC19D、LM339四比較器IC22B IC22D、CD4066四模擬開(kāi)關(guān)IC21A、IC21B、IC21D等元件組成。 圖6-13 逆變控制電路原理圖 逆變控制電路的功能相當(dāng)于一

11、個(gè)掃頻信號(hào)發(fā)生器電路， 當(dāng)掃頻信號(hào)與逆變諧振槽路（參見(jiàn)圖6-6LC諧振回路）的振蕩頻率一致時(shí)， 實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位的同步鎖定，達(dá)到跟蹤諧振槽路頻率變化的目的。其工作原理可概括如下： 逆變控制電路的核心是鎖相環(huán)電路CD4046，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-14所示，主要由相位比較器、相位比較器、壓控振蕩器VCO及源極跟隨器組成。在逆變控制電路中，利用其中的壓控振蕩器作為掃頻信號(hào)發(fā)生源，相位比較器用于中頻電壓反饋信號(hào)和掃頻信號(hào)之間的鎖相比較。 圖6-14 CD4046鎖相環(huán)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1. 掃頻電壓發(fā)生部分 掃頻電壓的發(fā)生起始于由運(yùn)放IC19C與C59、RW6及D68組成的積分電路。由于運(yùn)放IC19C的反相端連

12、接在電位器RW6的活動(dòng)端， 當(dāng)控制電路的電源接通時(shí)，首先，RW6的活動(dòng)端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大于零的分壓，相當(dāng)于在積分電路的輸入端加入一個(gè)電壓階躍信號(hào)， 其輸出電壓由高向低按照積分規(guī)律變化。其中，在開(kāi)關(guān)二極管D68的陽(yáng)極端電位高于陰極端電位期間，經(jīng)D68輸出一個(gè)正向脈沖信號(hào)，脈沖高電平的持續(xù)時(shí)間由積分電路的積分時(shí)間常數(shù)決定。 掃頻電壓發(fā)生部分的核心電路由運(yùn)放IC19B與R118、R119、R122、R123及C53等元件組成，其功能相當(dāng)于一個(gè)掃頻電壓發(fā)生器， 具有比例積分（PI）的輸出特性。電路在運(yùn)放IC19C輸出高電平脈沖的作用下，輸出端也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)先高后低按積分規(guī)律變化的電壓。與前述電路不同的是，由

13、于C53容量較大，電壓下降速率較緩且線(xiàn)性較好，下降電壓持續(xù)時(shí)間在輸入高電平脈沖下跳沿結(jié)束。同時(shí)，由于輸入信號(hào)反極性變化，IC19B的輸出端電壓極性也會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)升高，導(dǎo)致運(yùn)放IC19C同相輸入端電位上升， 結(jié)束一次掃頻。掃頻電壓發(fā)生電路的輸出加在IC23鎖相環(huán)芯片的9腳VCOIN端，按照電壓由高向低線(xiàn)性變化的趨勢(shì)，IC23的4腳VOUT端將會(huì)輸出由高向低變化的頻率信號(hào)。 2. 頻率鎖定部分 頻率鎖定電路包括IC23鎖相環(huán)芯片，模擬切換開(kāi)關(guān)IC21A、 IC21B、IC21D，比較器IC22BIC22D，中頻變壓器T7及相關(guān)元件。 當(dāng)IC23鎖相環(huán)芯片的4腳VOUT端輸出的掃頻信號(hào)觸發(fā)逆變橋路晶閘

14、管時(shí)，中頻負(fù)載諧振槽路便會(huì)得到交變信號(hào)，該信號(hào)如果與槽路固有諧振頻率一致，將會(huì)產(chǎn)生諧振而獲得最大電壓振幅。 中頻諧振槽路產(chǎn)生的交變電壓可以通過(guò)中頻降壓變壓器T7的原邊感應(yīng)到副邊，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)二極管VD101、VD102限幅，和電阻R138、電容C72、C74濾波后送入比較器IC22B的輸入端。比較器IC22B的輸出即為鎖相環(huán)芯片IC23的14腳AIN端的反饋輸入信號(hào)， 一旦得到反饋信號(hào)，鎖相環(huán)便跟蹤進(jìn)入鎖定狀態(tài)，其內(nèi)部相位比較器在2腳PCI端產(chǎn)生輸出電壓。該輸出電壓使得模擬開(kāi)關(guān)IC21A、IC21B、IC21D產(chǎn)生狀態(tài)切換，進(jìn)入自動(dòng)閉環(huán)相位調(diào)節(jié)狀態(tài)。 同時(shí)，掃頻工作終止。上述轉(zhuǎn)換的結(jié)果是：鎖相環(huán)

15、內(nèi)部壓控振蕩器VCO的振蕩頻率與反饋信號(hào)鎖定，并在相位上稍有超前， 從而使中頻振蕩頻率趨于穩(wěn)定。 3. 啟動(dòng)檢測(cè)部分 啟動(dòng)檢測(cè)部分包括啟動(dòng)成功檢測(cè)電路和啟動(dòng)失敗檢測(cè)電路。 啟動(dòng)成功檢測(cè)電路由運(yùn)放IC19A、電阻R121、R117、R116及啟動(dòng)指示發(fā)光二極管DPP等元件組成，當(dāng)頻率鎖定成功后，模擬開(kāi)關(guān)IC21A、IC21B導(dǎo)通和IC21D截止，IC19A反相輸入端的電位降低，輸出電位升高。啟動(dòng)成功的標(biāo)志是啟動(dòng)指示發(fā)光二極管DPP停止發(fā)光，并從R117、R116的分壓點(diǎn)輸出約為2/3VCC的高電平，該高電位作為允許給定功率調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。啟動(dòng)失敗檢測(cè)電路由運(yùn)放IC19D、電阻R124、R115及

16、電源指示發(fā)光二極管Dpw等元件組成。其中電源指示發(fā)光二極管Dpw也是掃頻輸出電路IC19B和啟動(dòng)成功檢測(cè)電路IC19A偏置電路的一部分，它為IC19D的同相輸入端提供約1.5 V左右的參考電位， 同時(shí)也兼有電源指示的作用。當(dāng)掃頻鎖相失敗，即掃頻電壓由高向低變化最終無(wú)法檢測(cè)到中頻反饋信號(hào)時(shí)，IC19D的反相輸入端的電位將會(huì)降至低于同相輸入端的電位，此時(shí)IC19D輸出變高, 形成啟動(dòng)失敗信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)運(yùn)放IC9A的控制來(lái)禁止給定功率調(diào)節(jié)的控制信號(hào)輸入。 4. 自動(dòng)重復(fù)啟動(dòng)電路 在掃描電路的控制下，若一次啟動(dòng)不成功，則鎖相掃頻電路會(huì)進(jìn)行自動(dòng)重復(fù)啟動(dòng)，再由最高頻率向下重新掃描，直至啟動(dòng)成功為止。 重

17、復(fù)啟動(dòng)的周期約為0.5 s左右，完成一次啟動(dòng)到滿(mǎn)功率運(yùn)行的時(shí)間不超過(guò)1 s。自動(dòng)重復(fù)啟動(dòng)電路如圖6-15所示，由時(shí)基電路IC9A，二極管VD40、VD41，電容C24、C22、C43及R42組成。其中，時(shí)基電路是這部分的核心， 仍采用NE556芯片。 該電路的工作原理如下： 通常情況下，即沒(méi)有出現(xiàn)啟動(dòng)失敗時(shí)，IC9A的Q端高為電平， 通過(guò)二極管VD41、電容C22得以充電， 其左端電位升高，最終由二極管VD40限制在接近于VCC的電壓內(nèi)。由于C22左端直接與IC9A的TR腳相連，顯然TR腳的電位將高于1/3的VCC。在上述條件下，如果出現(xiàn)來(lái)自IC19D的啟動(dòng)失敗信號(hào)， 信號(hào)就會(huì)送到IC9A的T

18、HR端，使得時(shí)基電路觸發(fā)反轉(zhuǎn)，造成IC9A的DIS端導(dǎo)通，Q輸出低電平。上述狀態(tài)的結(jié)果是，使給定功率調(diào)節(jié)信號(hào)短路，無(wú)法繼續(xù)啟動(dòng)，同時(shí)Q端輸出低電平，C22通過(guò)R42放電，直至IC9A的TR端低于1/3的VCC后， 返回時(shí)基電路的原始狀態(tài)，才允許再次配合掃頻啟動(dòng)。 圖6-15 自動(dòng)重復(fù)啟動(dòng)電路 6.2.3 閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器工作原理 1. 電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)部分 電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)部分位于雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外環(huán)，包括比例積分調(diào)節(jié)器、輸出信號(hào)鉗位限幅電路、電壓閉環(huán)自動(dòng)投入電路以及電壓開(kāi)環(huán)測(cè)試開(kāi)關(guān)DIP-3。其中，電壓調(diào)節(jié)器的電路原理如圖6-16所示。 圖6-16 中頻電壓調(diào)節(jié)器 1） 比例積分調(diào)節(jié)器 比例積分調(diào)節(jié)器

19、是這部分電路的核心，電路由IC13A1/4四運(yùn)算放大器LM324，二極管D45，電阻R37、R52、R61、R62、R135， 電容C32、C37、C38及撥動(dòng)開(kāi)關(guān)DIP-3等元件組成。其中， 來(lái)自調(diào)功電位器的信號(hào)經(jīng)電阻R61、R60分壓后加在運(yùn)放IC13A的同相輸入端， 作為給定參考電位。中頻電壓反饋信號(hào)（取至電路附圖中W1）經(jīng)電阻R37、R52加在運(yùn)放IC13A的反相輸入端，作為反饋檢測(cè)信號(hào)。并接在兩輸入端的電容C32、C37與R37、R61組合起著退耦或?yàn)V波作用，二極管VD45可以用于對(duì)中頻反饋信號(hào)進(jìn)行限幅鉗位。 如果不考慮信號(hào)的輸入內(nèi)阻，則電路中PI調(diào)節(jié)特性的比例常數(shù)、 積分常數(shù)主要由

20、電阻R37、R52、R62及電容C38決定。電壓調(diào)節(jié)器的輸出電路由電阻R56、R57、R58、R84，電容C33和二極管VD46組成。其中R56是負(fù)載電阻，取自R56上的調(diào)節(jié)輸出電壓經(jīng)電阻R57、R58、電容C33及二極管VD46組成耦合電路與電流調(diào)節(jié)器相接， 經(jīng)電阻R84去阻抗調(diào)節(jié)器。 2） 電壓閉環(huán)自動(dòng)投入電路 針對(duì)不同幅值的中頻電壓反饋信號(hào)，電壓調(diào)節(jié)器的處理形式有所不同，為此專(zhuān)門(mén)設(shè)置了電壓閉環(huán)自動(dòng)投入電路。電路可以根據(jù)中頻電壓反饋信號(hào)的大小進(jìn)行自動(dòng)切換，對(duì)應(yīng)小信號(hào)時(shí)電壓調(diào)節(jié)部分主要呈現(xiàn)比例放大作用，只有在正常運(yùn)行時(shí)才將比例積分作用接入。閉環(huán)自動(dòng)投入電路由1/4四運(yùn)算放大器IC13C、1/

21、4四模擬開(kāi)關(guān)IC21C、發(fā)光二極管Dvl、電阻R53、R54、R55、 R139等元件組成，電路接成比較器形式。在電路中，IC13C的同相端接R55、R139的分壓，用作比較參考電壓，R54為正反饋電阻，當(dāng)IC13C的反相端為小信號(hào)， 即低于同相端電位時(shí)，IC13C輸出為高，模擬開(kāi)關(guān)IC21C導(dǎo)通，積分電容C38被短路；反之，模擬開(kāi)關(guān)IC21C斷開(kāi)，積分電容C38被接入。上述動(dòng)作完成了電壓調(diào)節(jié)器由比例特性向比例積分特性轉(zhuǎn)換的過(guò)程，調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)由發(fā)光二極管Dvl進(jìn)行指示。 3） 速率限定及允許投入電路 輸出信號(hào)鉗位限幅電路用于限制手動(dòng)給定信號(hào)的上升速度， 當(dāng)調(diào)節(jié)上升過(guò)快時(shí)限制比例積分調(diào)節(jié)器的

22、輸出電壓，從而使整流輸出電壓也受到限制。除此功能之外，信號(hào)鉗位限幅電路還可以接受中頻電路重復(fù)啟動(dòng)電路的控制，在掃頻工作期間保證可靠的零壓?jiǎn)?dòng)。輸出信號(hào)鉗位限幅電路由IC13D1/4四運(yùn)算放大器LM324、二極管VD47等元件組成。其中同相輸入端與比例積分調(diào)節(jié)器的輸出連接，當(dāng)比例積分調(diào)節(jié)器的差動(dòng)輸入信號(hào)過(guò)大時(shí)電路翻轉(zhuǎn)， 二極管VD47導(dǎo)通， 拉低給定信號(hào)。 4） 故障及重復(fù)啟動(dòng)控制端 根據(jù)中頻電源保護(hù)的需要，電壓調(diào)節(jié)器的給定輸入端和調(diào)節(jié)輸出端還設(shè)置了保護(hù)措施。其控制方法是：在中頻電源未啟動(dòng)成功或正在準(zhǔn)備啟動(dòng)的過(guò)程中封鎖給定輸入，不允許功率調(diào)節(jié)上升；在中頻電源系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障保護(hù)時(shí)，封鎖電壓調(diào)節(jié)器

23、的輸出和下一級(jí)電流調(diào)節(jié)器的輸入，從而禁止電流調(diào)節(jié)器輸出， 最終封鎖整流觸發(fā)脈沖。 2. 電流閉環(huán)調(diào)節(jié)部分 雙閉環(huán)控制的內(nèi)環(huán)采用電流PI 調(diào)節(jié)器，用于進(jìn)行電流閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)，電路原理參見(jiàn)圖6-17。 閉環(huán)電流反饋信號(hào)取自串接在三相主回路中的交流互感器（為簡(jiǎn)化電路，圖6-17中未畫(huà)出）。交流互感器信號(hào)經(jīng)二極管三相整流橋整流后分為三路， 分別作為電流調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)、阻抗調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)和電流保護(hù)信號(hào)。 圖6-17 電流調(diào)節(jié)器原理圖 3. 阻抗閉環(huán)調(diào)節(jié)部分阻抗調(diào)節(jié)器原理如圖6-18所示。該電路同樣采用運(yùn)放構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器，輸入信號(hào)仍是反饋電流與電壓調(diào)節(jié)器給定信號(hào)疊加后的差值，兩者的不同之處在于，阻抗調(diào)

24、節(jié)器用于調(diào)節(jié)逆變橋的引前角，間接達(dá)到恒功率輸出或提高功率因數(shù)。阻抗調(diào)節(jié)器由以IC17C為核心組成，電路中電阻R82、電容C47決定積分時(shí)間常數(shù)， 電阻R88、R95決定運(yùn)放的直流工作點(diǎn)，R86為負(fù)載電阻。 阻抗調(diào)節(jié)器在電路正常運(yùn)行中可能處于兩種狀態(tài)。一種是在中頻電壓上升較慢而反饋電流上升較快時(shí)，阻抗調(diào)節(jié)器的給定值小于反饋值，阻抗調(diào)節(jié)器輸出為高電平，二極管VD54截止，電路工作于限幅狀態(tài)， 并且對(duì)應(yīng)為最小逆變角。 此時(shí)，可以認(rèn)為阻抗調(diào)節(jié)器不起作用，系統(tǒng)完全是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。另一種情況是，在中頻電壓已達(dá)到最大值，電流調(diào)節(jié)器開(kāi)始限幅而不再起作用，電壓調(diào)節(jié)器輸出增加不能引起反饋電流的變

25、化時(shí)，則對(duì)于阻抗調(diào)節(jié)器而言， 相當(dāng)于反饋電流信號(hào)值比給定信號(hào)值小。此時(shí)，阻抗調(diào)節(jié)器退出限幅進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)，隨即逆變角得到調(diào)節(jié)，中頻輸出電壓升高，反饋電流也隨之產(chǎn)生變化，最終達(dá)到新的平衡。在這種情況下，只有電壓調(diào)節(jié)器與阻抗調(diào)節(jié)器工作，使得逆變橋能夠在某一逆變角下穩(wěn)定地運(yùn)行。 圖6-18 阻抗調(diào)節(jié)器原理圖 4. 最小引前角調(diào)節(jié)電路 圖6-19是最小引前角調(diào)節(jié)電路，電路由運(yùn)放IC17D，二極管VD69、VD78，電阻R88、R95、R98、R99及電位器RW5等元件構(gòu)成。 電路中IC17D工作于比較器形式，與二極管VD78配合，其作用相當(dāng)于一個(gè)電子開(kāi)關(guān)。 當(dāng)調(diào)功電位器輸出的給定信號(hào)大于R88、 R95

26、分壓值時(shí)，IC17D輸出高電平，VD78截止，最小引前角調(diào)節(jié)器投入使用。另外，對(duì)應(yīng)阻抗調(diào)節(jié)器電路及相關(guān)部分可以看出， 無(wú)論改變RW5或RW3對(duì)引前角進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)都是改變掃頻電壓發(fā)生部分的核心電路IC19B反相端的輸入電位（參考電路附圖）。 當(dāng)最小引前角調(diào)節(jié)電路起作用時(shí)，調(diào)整RW5可以使IC19B反相端輸入的電位升高，經(jīng)IC19B反相后對(duì)應(yīng)于壓控頻率的降低， 即逆變引前角的減小。反之，RW3的調(diào)整決定了逆變引前角的增大。 圖6-19 最小引前角調(diào)節(jié)電路原理圖 6.2.4 保護(hù)電路工作原理1） 交流進(jìn)線(xiàn)缺相保護(hù)缺相保護(hù)電路用于檢測(cè)A、B、C三相進(jìn)線(xiàn)供電是否正常， 如發(fā)現(xiàn)有一相電壓不能正常供電時(shí)，

27、驅(qū)動(dòng)繼電器JR跳閘保護(hù)， 并點(diǎn)亮缺相指示發(fā)光二極管予以指示。交流缺相保護(hù)電路由IC14AIC14D四運(yùn)放LM324、IC16B1/2時(shí)基電路NE556，缺相指示發(fā)光二極管，二極管VD48VD50、VD52，電阻R70R72、R78，電容C41、C45等元件組成，參見(jiàn)圖6-20。 圖6-20 缺相保護(hù)電路 2） 整流輸出過(guò)流保護(hù)過(guò)流保護(hù)電路用于檢測(cè)輸出電流是否超出極限，其電路原理參見(jiàn)圖6-21。當(dāng)遇到負(fù)載過(guò)重或逆變失敗等原因造成過(guò)流時(shí)， 過(guò)流保護(hù)電路及時(shí)啟動(dòng)繼電器JR，產(chǎn)生跳閘保護(hù)。 圖6-21 過(guò)流保護(hù)電路 3） 中頻輸出過(guò)壓保護(hù) 在中頻電壓出現(xiàn)異常或超限時(shí)，必須考慮對(duì)中頻逆變回路中的晶閘管功

28、率元件實(shí)施保護(hù)?？紤]到逆變回路的負(fù)載為電感線(xiàn)圈或補(bǔ)償電容，正常運(yùn)行時(shí)有能量積蓄，如簡(jiǎn)單采用切斷電源的方法能量將得不到釋放。因此，需要采用高頻觸發(fā)措施， 通過(guò)多次短暫通斷，以達(dá)到逐步釋放能量的目的。圖6-22為中頻輸出過(guò)壓保護(hù)電路原理圖。 圖6-22 中頻輸出過(guò)壓保護(hù)電路 4） 冷卻水故障保護(hù) 在大功率中頻電源裝置中，整流、逆變功率元件大多采用水冷形式。當(dāng)發(fā)生冷卻水故障時(shí)必須停機(jī)，以避免功率器件過(guò)熱損壞。水故障的檢測(cè)包括水流、水壓兩個(gè)參數(shù)。通常，比較簡(jiǎn)單的方法是利用水壓繼電器的開(kāi)關(guān)特性檢測(cè)冷卻水的水壓是否低于某一設(shè)定壓力值，以此確定水壓故障。 水壓故障保護(hù)電路如圖6-23所示，電路由IC9B1/

29、2時(shí)基電路NE556、V7三極管、水壓正常指示發(fā)光二極管Dlp、水壓故障指示二極管Dwt、二極管VD38、穩(wěn)壓二極管V104等元件組成。水壓檢測(cè)信號(hào)來(lái)自水壓繼電器的常開(kāi)控制觸點(diǎn)，水壓正常時(shí)觸點(diǎn)斷開(kāi)， V7導(dǎo)通，IC9B的THR、TR端為低電位，對(duì)應(yīng)Q端為高電位；DIS端截止，相當(dāng)于對(duì)地?cái)嚅_(kāi)， 對(duì)控制電路無(wú)任何影響；當(dāng)發(fā)生水壓降低故障時(shí)，水壓繼電器控制觸點(diǎn)閉合， V7由于基極電位被拉低而截止，對(duì)應(yīng)V7集電極輸出端（即IC9B的THR、TR端）電位隨C22充電上升，接近VCC。與此同時(shí)，Q端變低，Dlp發(fā)光，表示水壓過(guò)低。同樣，以上過(guò)程也會(huì)使DIS端對(duì)地導(dǎo)通，最終帶動(dòng)保護(hù)繼電器JR動(dòng)作。在圖6-2

30、3中R38、R40、R41是V7的偏置電路， 考慮到水壓繼電器觸點(diǎn)閉合，Dwt導(dǎo)通時(shí)其陽(yáng)極端電壓仍有1.5 V左右，所以R41、R38的分壓就顯得非常重要。此時(shí)，V7的基極電位應(yīng)確保低于0.7 V，以保證V7可靠截止。另外，電路中的電容C21、C22主要起著抗干擾和防止電路誤動(dòng)作的作用。 圖6-23 冷卻水故障保護(hù)電路 6.3 新型電力電子器件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介 1) 電流型高壓變頻器 電流型高壓變頻器技術(shù)已相當(dāng)成熟，可在四象限范圍內(nèi)運(yùn)行。由于采用了大平波電抗器和快速電流調(diào)節(jié)器，因此其特點(diǎn)是比較容易實(shí)現(xiàn)過(guò)保護(hù)。但是，使用在高壓工作條件下各功率器件的串聯(lián)連接存在均壓?jiǎn)栴}，此外還存在著輸入、輸出諧波成分

31、大等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到一定的限制。電流型高壓變頻器的種類(lèi)較多，目前主要采用串聯(lián)二極管式、輸出濾波器換向式、 負(fù)載換向式和GTOPWM式等。 2) 三電平電壓型變頻器 在PWM電壓型變頻器中，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，為避免串聯(lián)器件的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)考慮到降低輸出諧波和du/dt, 逆變器電路部分可以采用三電平方式，即在零電平和最大輸出電平之間增加過(guò)渡電平，其值為最大輸出的1/2，這種方式也稱(chēng)為中點(diǎn)鉗位方式（NeutralPoint Clamped， NPC）。三電平可以擴(kuò)展到多電平，構(gòu)成多電平電路，其原理與三電平大同小異， 由于輸出電壓的臺(tái)階數(shù)更多， 因此輸出電壓波形更好。 3) 單元串聯(lián)多電平電壓

32、型變頻器單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該方案由美國(guó)羅賓康公司提出， 取名完美無(wú)諧波變頻器。 這種變頻器的另一優(yōu)點(diǎn)是對(duì)功率輸出器件要求較低，容易可靠地實(shí)現(xiàn)高壓輸出。 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。如： 對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等不要求四象限運(yùn)行的負(fù)載設(shè)備，單元串聯(lián)多電平變頻器在輸入輸出諧波、轉(zhuǎn)換效率及輸入功率因數(shù)等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊；而對(duì)于軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行及較高動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合，應(yīng)用雙PWM結(jié)構(gòu)的三電平變頻器則比較合適。 6.3.1 單元串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器的結(jié)構(gòu)圖6-24給出了一種6 kV電壓疊加串聯(lián)多電平變

33、頻器示意圖。 這種方式的特點(diǎn)是，輸出的高電壓波形是通過(guò)若干功率單元的輸出串聯(lián)后疊加獲得的，其主要特點(diǎn)在于每個(gè)功率單元不必承受高壓， 可以選用低壓等級(jí)的功率器件。 圖6-25給出了采用IGBT器件組成的功率單元主回路結(jié)構(gòu)， 所有功率單元的供電都來(lái)自移相變壓器的二次繞組。而且，移相變壓器對(duì)應(yīng)每個(gè)功率單元都有一個(gè)獨(dú)立的二次繞組，并保持繞組相互間的電氣絕緣。變頻裝置的總輸出取自相鄰單元串聯(lián)疊加后獲得的電壓。為功率單元供電所使用的移相變壓器是一種帶有多個(gè)二次繞組的降壓變壓器，在二次側(cè)電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)多重化移相處理，各繞組的輸出電壓都存在一定的相位差。這種做法的目的是增加整流輸出波頭，提高脈動(dòng)頻率，減小諧波分

34、量。從功率單元結(jié)構(gòu)上看， 變頻電路仍屬于三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓型逆變器的結(jié)構(gòu)。另外，從單元串聯(lián)的方式可以看出，單元的電壓等級(jí)和串聯(lián)數(shù)量決定高壓變頻器的輸出電壓，單元的允許電流決定了變頻器的輸出電流。由于不是傳統(tǒng)意義上的單電源多器件直接串聯(lián)方式，而是采用多電源分段供電，按段輸出串聯(lián)，因此不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。 圖6-24 6 kV電壓疊加示意圖 圖6-25 功率單元主電路 完整形式的串聯(lián)高壓變頻器主電路如圖6-26所示。圖中主要給出了移相變壓器的結(jié)構(gòu)、功率單元電路的供電形式及負(fù)載電機(jī)的接線(xiàn)連接。 圖6-26 單元串聯(lián)高壓變頻器主電路 6.3.2 高壓大功率變頻器的組成

35、本節(jié)涉及的6 kV電壓疊加串聯(lián)多電平高壓大功率變頻器的電氣控制部分，主要由三部分組成， 即中心控制板、 脈沖擴(kuò)展板和功率單元組件。具體結(jié)構(gòu)框圖參見(jiàn)圖6-27。其中，中心控制板與脈沖擴(kuò)展板之間采用并行地址、數(shù)據(jù)總線(xiàn)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而在脈沖擴(kuò)展板與三相共18個(gè)功率單元之間則采用光纖形式發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)和接受故障信息。采用光纖傳送的優(yōu)點(diǎn)是， 可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率強(qiáng)電部分與弱電控制部分的電氣隔離。 圖6-27 高壓大功率變頻器組成框圖 1. 中心控制板 中心控制板是變頻裝置的控制核心，采用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DSP選用TI公司的TMS320C32帶浮點(diǎn)運(yùn)算芯片。它主要完成的功能包括： 通過(guò)程序運(yùn)算產(chǎn)生符合

36、多級(jí)疊加正弦要求的PWM算法，實(shí)現(xiàn)正弦波形的頻率調(diào)節(jié)，按照電機(jī)的啟、停等運(yùn)行規(guī)律發(fā)出指令， 綜合和處理各種故障，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自診斷及數(shù)據(jù)通信等功能。 中心控制板的功能框圖如圖6-28所示。 圖6-28 中心控制板框圖 2. 脈沖擴(kuò)展板脈沖擴(kuò)展板以13塊可編程邏輯器件CPLD為核心， 基本框圖如圖6-29所示。 （1） 脈沖擴(kuò)展板和中心控制板接口，根據(jù)DSP實(shí)時(shí)計(jì)算的SPWM脈寬，按照采樣周期分時(shí)生成三相共18個(gè)功率單元的SPWM波形；并通過(guò)電光轉(zhuǎn)換器將電脈沖信號(hào)通過(guò)光纖發(fā)送給光纖接口板。 （2） 根據(jù)系統(tǒng)的要求實(shí)現(xiàn)故障切除控制、順序掃描控制、 觸發(fā)單元選擇、串聯(lián)組數(shù)選擇等。因此，脈沖擴(kuò)展板可滿(mǎn)足

37、每相中六個(gè)功率單元串聯(lián)疊加的需要。 （3） 接收由18個(gè)功率單元送來(lái)的串行故障信息，對(duì)串行故障信息進(jìn)行解碼，并根據(jù)需要將故障信息發(fā)送給中心控制板的DSP芯片進(jìn)行處理， 或直接屏蔽故障信息。 圖6-29 脈沖擴(kuò)展板基本框圖 3. 功率單元功率單元的電路結(jié)構(gòu)如圖6-30所示，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖6-25一致，在功率單元中，除主回路外，功率單元還包括電壓變換單元、開(kāi)關(guān)電源、檢測(cè)板、光纖接口板及驅(qū)動(dòng)板等幾部分。 電壓變換單元主要完成以下功能： （1） 將進(jìn)線(xiàn)電壓580 VAC（分別來(lái)自移相變壓器不同的二次繞組）變換為220 VAC，為單元內(nèi)部開(kāi)關(guān)電源供電； （2） 將三相580 VAC電壓變?yōu)槿嗨木€(xiàn)的220 VAC， 供檢測(cè)板作為缺相檢測(cè)； （3） 對(duì)三相整流電路的輸出