CF系列晶閘管觸發(fā)器

摘要：詳細介紹了利用CF系列晶閘管觸發(fā)器組成的自動(dòng)穩壓穩流的直流電源，充電電源和電力操作用的浮充電電源的實(shí)例，同時(shí)還介紹了浮充電源的工作特性。

關(guān)鍵詞：整流器；直流電源；充電器；浮充電源；晶閘管觸發(fā)器

1 引言

傳統的充電電源、浮充電電源，一般都是采用晶閘管。晶閘管工作在移相控制狀態(tài)，既作為整流元器件，又作為穩壓、穩流調節元器件，這種電源稱(chēng)之為線(xiàn)性電源。近年來(lái)雖然開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)在不斷地取代相控電源，但因其生產(chǎn)成本較高和功率器件IGBT的技術(shù)參數所限，目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品仍以采用晶閘管的線(xiàn)性電源為主。

在這類(lèi)線(xiàn)性電源中，各種整流器其電路原理除了一些細節上的不同外，基本組成都是相同的，都是以晶閘管為核心，所以晶閘管觸發(fā)電路性能的好壞是這類(lèi)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。近年來(lái)不少單位和技術(shù)人員在開(kāi)發(fā)和完善晶閘管觸發(fā)器產(chǎn)品，目前市場(chǎng)上已有一些較為成熟的專(zhuān)用和通用的觸發(fā)器產(chǎn)品，CF系列觸發(fā)器就是其中之一。不同類(lèi)型的觸發(fā)器其功能和特點(diǎn)有所不同，用戶(hù)應根據其自己的使用要求進(jìn)行選擇。

CF系列晶閘管觸發(fā)器屬于一種固態(tài)器件，它將同步脈沖形成電路，功率驅動(dòng)電路，輸出隔離電路，負反饋PI調節電路，脈沖封鎖電路，直流穩壓電路，抗電磁干擾兼容電路等集成于一體，故應用于系統時(shí)非常簡(jiǎn)單，連接線(xiàn)很少，不需要進(jìn)行電路調試，屬于傻瓜型器件。用戶(hù)使用時(shí)僅需外接一個(gè)同步變壓器即可，只要連接線(xiàn)無(wú)誤，保證系統能夠正常運行。其內部電路既吸收了數字電路抗干擾能力強，又吸收了模擬電路線(xiàn)性度好的優(yōu)點(diǎn)，使得它的適應性很強，在較嚴重的電磁干擾場(chǎng)合都能穩定可靠地運行。

CF系列觸發(fā)器是一種通用型晶閘管觸發(fā)器。它既可工作于調相（調壓）方式，又可工作于調功（調晶閘管導通時(shí)間）方式。用于調相時(shí)，晶閘管導通角的移相范圍為0～180°，且線(xiàn)性度很好，用于調功時(shí)，晶閘管工作于過(guò)零導通，過(guò)零關(guān)斷狀態(tài)，既延長(cháng)了晶閘管的使用壽命，又減少了浪涌電流和高次諧波的產(chǎn)生。

CF系列晶閘管觸發(fā)器可廣泛應用于交、直流調壓與調速，整流與逆變場(chǎng)合，適用于星形、三角形和雙反星形等多種電路連接方式。用其組成電機四象限工作方式的電路非常簡(jiǎn)單。

CF系列晶閘管觸發(fā)器的功能、性能及電氣參數指標是目前同類(lèi)產(chǎn)品中較全、較高的一種，詳見(jiàn)產(chǎn)品使用說(shuō)明手冊。

2 電源基本電路組成及功能

對于充電器、浮充電源等具有自動(dòng)穩壓、穩流特性的直流電源設備，其主電路雖有多種形式，但采用CF系列晶閘管觸發(fā)器都非常簡(jiǎn)單，圖1是三相半控橋自動(dòng)穩壓穩流直流電源電路原理圖實(shí)例。將圖1稍加改動(dòng)也可工作于全控工作方式，即將圖中D₁－D₃整流二極管改為晶閘管，觸發(fā)器由CF97044B改用CF97033B即可。

注意：該電路中的直流電源線(xiàn)V_cc、接地線(xiàn)V_gnd等直流電部分不能與機殼、大地、交流電零線(xiàn)相連接，否則將損壞電源。

圖1電路輸出直流電壓的調節范圍是DC0～508V，電流的調節范圍是0A～最大（最大值視負載和晶閘管功率而定）。但工作在低電壓、大電流區域時(shí)，輸出直流電壓的質(zhì)量不高，有時(shí)還會(huì )出現脈動(dòng)波形。若經(jīng)常工作在該區域時(shí)，應考慮增加一降壓隔離變壓器T₃，如圖1中虛線(xiàn)所示，并斷開(kāi)a、b、c三點(diǎn)。但應注意降壓變壓器T₃和同步變壓器T₁的初次級接線(xiàn)方式需保持一致，即若是Y型，均為Y型，若是△型，均為△型。此時(shí)直流輸出電壓的上限值由T₃的輸出值決定。

圖1電路的基本功能為：

1）輸出電壓 DC0～508V；

2）輸出電流 視V₁～V₃，D₁～D₃的功率而定；

3）具有自動(dòng)穩壓穩流調節功能；

4）具有自動(dòng)檢測、判斷、記憶、顯示交流側三相電中缺相、過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、低頻和直流側過(guò)電流等故障，并具有故障逐一指示及輸出聲、光報警和自動(dòng)拉閘、脈沖封鎖、故障鎖定等保護功能，另外還有＋10～14V/2A，＋12V/0.5A，＋8V/0.5A，－8V/0.5A四種直流電源，可供系統中其它電路用。

若不需要上述4）中的保護功能時(shí)，可將圖1中的DY－BH部件去掉，仍具有自動(dòng)穩壓穩流功能，這樣可降低系統生產(chǎn)成本。

圖1 硅整流設備基本組成電路原理

圖中：DY－BH電源保護板，HL故障報警燈，HA故障報警喇叭，S_C清除按鈕，S_R復位按鈕，

S_sr啟動(dòng)按鈕，S_sp停止按鈕，TA₁～TA₃電流互感器，TAD直流互感器，C計算機，

RP₁人工控制下，輸出值給定調節旋鈕，KM接觸器，K₁人工或計算機控制轉換開(kāi)關(guān)，

K₂穩壓或穩流轉換開(kāi)關(guān)

若電源的輸出功率不大，也可采用單相供電方式，相應地將CF97044B改用CF97077B，生產(chǎn)成本會(huì )更低。電路如圖2所示。

圖2 單相輸入整流裝置電路原理

以上介紹的是這類(lèi)直流電源基本組成的電路原理實(shí)例，但在不同用途時(shí)，還應考慮一些相應的問(wèn)題。

3 不同負載時(shí)應考慮的問(wèn)題

圖1所示電路作直流電源用時(shí)，應考慮所帶負載的特性，是以阻性為主、容性為主，還是以感性為主的問(wèn)題。我們一般常說(shuō)的負載概念以阻、容、感三種特性都同時(shí)存在，但以阻性為主。

1）負載以阻性為主時(shí)

如果所帶負載是純電阻或以阻性為主時(shí)（如電阻絲、熱電耦、加熱棒，或作通用直流電源用時(shí)），圖1電路就能完全滿(mǎn)足要求，不需再考慮其它因素。

2）負載以容性為主時(shí)

如果所帶負載是純電容或以容性為主時(shí)（如電容器、蓄電池，或作電鍍、電解電源用時(shí)），應考慮在圖1的基礎上增加限流功能。具體做法是將直流互感器TAD（或用分流器）輸出的取樣信號（0～5V）的兩條引出線(xiàn)DC＋、DC－從d、e兩處斷開(kāi)分別與CF97044B的Vfs、Vgnd相連接，如圖1虛線(xiàn)所示。當然限流設定值需用戶(hù)根據自己的使用要求而設定。

3）負載以感性為主時(shí)

如果所帶負載是純電感或以感性為主時(shí)（如直流電機、電磁振動(dòng)機等），應考慮在圖1的基礎上增加續流功能，即在直流輸出側并聯(lián)一個(gè)整流二極管D₄，如圖1中虛線(xiàn)所示。

4 浮充電電源

作為充電電源用時(shí)，負載一般是電池或蓄電池，給電池或蓄電池充電有2種工作方式，即離線(xiàn)式和在線(xiàn)式。離線(xiàn)式是指將放完電的空電池連接在電源上進(jìn)行充電，充滿(mǎn)電后再將其斷開(kāi)；在線(xiàn)式是指充滿(mǎn)電后也不斷開(kāi)，仍?huà)煸陔娫瓷侠^續進(jìn)行浮充電，所以叫浮充電源，在電力行業(yè)也叫直流操作電源。

首先討論離線(xiàn)式工作方式，在離線(xiàn)式中又有簡(jiǎn)單充電和精密充電之分，簡(jiǎn)單充電是指電池充電次數比較頻繁，充電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合，如給礦燈配用的蓄電池充電等；精密充電是指充放電次數少，充電質(zhì)量要求高的場(chǎng)合，如給干電池充電等。精密充電需經(jīng)過(guò)恒流均充、恒壓均充和恒壓浮充等三個(gè)階段。

簡(jiǎn)單充電對充電電源的功率要求不高，只有兩個(gè)或一個(gè)充電工作階段，一般電源即能滿(mǎn)足要求。恒流和恒壓均充狀態(tài)的轉換，是人工利用手動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)K來(lái)實(shí)現的，當然也可用一個(gè)定時(shí)器來(lái)控制K，實(shí)現自動(dòng)轉換的工作方式。

而廣泛應用于電力、石油化工、紡織行業(yè)及各大工礦企業(yè)變電站、配電室中的浮充電源，又稱(chēng)之為直流操作電源。在實(shí)際應用中，它是與鎘鎳電池（或鉛酸免維護蓄電池）組和直流饋電柜，組合為一整體而工作的，被稱(chēng)為直流系統或直流屏。其連接方式如圖3所示，工作特性如圖4所示。

圖3 電源的應用連接方式

圖4 電源的工作特性

4.1 浮充電電源的工作方式

1）電源在為蓄電池充電的同時(shí)還向動(dòng)力合閘母線(xiàn)、信號控制母線(xiàn)電路供電。

2）動(dòng)力母線(xiàn)在合閘瞬間，往往需要很大的啟動(dòng)電流，電源自身因功率有限，則由蓄電池供電。

3）由于動(dòng)力母線(xiàn)合閘時(shí)，蓄電池釋放了大量的電能，所以合閘過(guò)后，電源又向蓄電池充電。

4.2 浮充電電源的工作特性

作為一個(gè)完整的浮充電電源，應具備以下兩項基本功能：一是在向蓄電池充電的同時(shí)還能向其它負載電路供電；二是充電方式合理化和充電過(guò)程自動(dòng)化。這是工作環(huán)境對浮充電源的要求，也稱(chēng)為電源的輸出特性，如圖4所示。

1）當在交流電網(wǎng)失電或動(dòng)力母線(xiàn)合閘放電后，蓄電池電壓降低至某一值A時(shí)，電源自動(dòng)開(kāi)始對蓄電池進(jìn)行大電流充電，圖4中A—B段為恒流均充電區域。

2）當蓄電池電壓被充電至某一值（B）時(shí)，則自動(dòng)轉入恒壓均充電B—C段，該段在給定時(shí)間內結束。

3）恒壓均充電結束后轉入恒壓浮充電D—F段，蓄電池處于充滿(mǎn)電備用階段。

4）當動(dòng)力母線(xiàn)合閘時(shí)，蓄電池快速放電，電壓又降至A點(diǎn)。F—A為合閘瞬間段。

5）當交流電網(wǎng)停電時(shí)，蓄電池向負載供電，電壓呈指數規律下降，E—A為停電工作段。

4.3 浮充電電源的組成

在圖1的基礎上增加1個(gè)穩壓限流和穩流限壓調節及工作狀態(tài)轉換控制電路即可組成浮充電電源（如圖5所示），這是筆者為大同供電局幾個(gè)變電站改造直流電源時(shí)采用的實(shí)際電路圖。

4.4 浮充電電源的工作過(guò)程

該電源的工作方式分手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2種。在手動(dòng)控制下分為穩壓和穩流2種工作狀態(tài)；在自動(dòng)控制下又分為恒壓浮充電、恒壓均充電和恒流均充電3種工作狀態(tài)，這5種工作狀態(tài)的運行都是由圖5所示控制電路完成。

圖5 控制電路

圖中：K₁—手動(dòng)和自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)K₂—穩壓和穩流切換開(kāi)關(guān)RP₁—手動(dòng)控制下的給定值調節旋鈕

RP₂—恒壓浮充狀態(tài)下的給定值RP₃—恒壓均充狀態(tài)下的給定值RP₄—恒流均充電狀態(tài)下的給定值

在手動(dòng)控制方式下，由人工調節K₁，K₂和RP₁來(lái)完成2種狀態(tài)的轉換工作；在自動(dòng)控制方式時(shí)，所有檢測轉換工作都是由電源自身自動(dòng)完成。圖5中，由U₃，R₁，R₂，R₃，C₃和C₄組成一個(gè)交流停電的自動(dòng)計時(shí)電路，當停電時(shí)間超過(guò)設定值時(shí)，則將U₄置“0”，交流復電后電源自動(dòng)轉入恒流均充電狀態(tài)下工作；否則，復電后電源自動(dòng)轉入恒壓浮充電狀態(tài)下工作。U₁和U₂分別組成獨立的兩種PID調節電路，U₁為穩流調節電路，U₂為穩壓調節電路。在穩壓狀態(tài)下工作時(shí)，U₂電路起穩壓調節作用，U₁電路起限流調節作用；相反在穩流狀態(tài)下工作時(shí)，U₁電路起穩流調節作用，U₂電路起限壓調節作用。RP₅，RP₆和U₅，U₆等組成直流輸出電壓VC－D的的檢測電路，當VC－D低于VA給定值時(shí)，自動(dòng)轉入恒流均充電狀態(tài)；當VC－D高于VB給定值時(shí)，則自動(dòng)轉入恒壓均充電狀態(tài)，經(jīng)1h延時(shí)后則自動(dòng)轉入恒壓浮充電狀態(tài)，至此完成一個(gè)圖4給出的充電工作周期。恒流均充電按鈕的作用是，不管在哪種狀態(tài)下工作，都可人工按下此按鈕，使電源工作在恒流均充電狀態(tài)下。

5 結語(yǔ)

前述的浮充電電源的工作特性是根據對蓄電池的充放電過(guò)程和變電站現場(chǎng)操作人員的使用經(jīng)驗總結出來(lái)的，經(jīng)多處實(shí)際使用結果表明，該電源是一種較為理想的直流操作電源。