CN101309044B - 一种三相可控硅移相触发脉冲控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相可控硅移相触发脉冲控制电路，该电路为模块化设计，它包括：给定控制模块(1)、开机连锁控制模块(2)同步调整模块(3)、脉冲成形及控制模块(4)和脉冲功率放大模块(5)。本发明代替原有的老的电路，达到控制更加安全可靠、在任何情况下均可防止点冲击，并且电路更加简单、配件容易购买，工作寿命更长的目的。

Description

一种三相可控硅移相触发脉冲控制电路

技术领域

本发明涉及一种三相可控电路，具体来说是一种三相可控硅移相触发脉冲控制电路。

背景技术

铁路铺轨机、架桥机是铁路线上施工企业的主要施工机械，其大车走行采用交-直流电传动方式，该传动方式与铁路内燃机车采用的交-直流电传动在控制方式上有着很大的区别；内燃机车采用控制柴油机转速--控制发电机转速--控制输出电压--控制输出到牵引电动机电流的方式达到控制输出功率的目的。这种结构的交--直流整流电路，只需普通的三相二极管整流电路即可。而铁路铺轨机架桥机的发电机组，除为大车走行提供电源以外，还担负着起吊、拖拉、横移等三相异步电动机，以及电焊、照明等其它设备的供电。所以为定转速、定电压、定频率输出。这样一来，采用普通的二极管三相整流电路达不到控制牵引电机电流的目的。所以铺轨机、架桥机均采用了三相可控硅整流调压电路来控制牵引电机的电流达到控制输出功率的目的。

三相可控硅整流电路要正常工作，必须为其提供一个与三相电源同步的，移相角可调，具有一定的幅度和宽度的触发脉冲。从而使可控硅整流电路输出可控的电流并且电源三相平衡，达到较高的电源效率的目的。为了达到该目的，人们设计了各种移相触发电路；第一代的移相脉冲触发电路采用分立元件构成。其电路复杂，可靠性低。随着集成电路工业的发展，它们已经被第二代采用小规模移相触发集成电路的控制电路所代替。使用小规模集成电路以后，有条件采用了很多提高可靠性技术措施，比如：采用双脉冲触发，提高了触发可靠性。在电路上采取措施提高了锯齿波的线性度，从而使脉冲间隔更加一致，达到了三相平衡，提高了电源效率等。

目前在铁路架桥机和铺轨机等大型轨行设备上使用的是采用KC系列小规模集成电路开发的第二代移相触发集成电路产品。该产品由于集成度较低，使用集成电路器件较多，在可靠性上达不到高的标准。近年集成电路研发厂家开发出了新一代的移相触发集成电路。随着技术的进步，老型号集成电路已经停产，在市场上难以采购，既使买到其价格也非常高。而目前市场上现有的用于三相可控硅整流电路的触发脉冲控制板一方面价格较高，另一方面无法直接适用于铺轨机和架桥机的整流控制，因此，有必要采用新型大规模集成电路研发新一代的移相触发控制电路，来代替原有的旧电路，以实现铺架机械大车走行控制电路的技术进步。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种新型的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，代替原有的老的电路，达到控制更加安全可靠、在任何情况下均可防止点冲击，并且电路更加简单、配件容易购买，工作寿命更长的目的。

为了解决上述问题，本发明采用了如下控制电路，该电路为模块化设计，它包括： 

给定控制模块1，与开机连锁控制模块2和脉冲成形及控制模块4连接，将外给定电位整定成稳定的移相控制电压，并驱动工作指示灯和输出开机联锁后的解锁信号。

开机连锁控制模块2，由TC787的脉冲输出禁止端配合运算放大器构成的开机连锁电路构成，与给定控制模块1和脉冲成形及控制模块4连接；开机连锁控制模块包括由第一比较器U2B和第二比较器U2C构成的自锁电路和第三比较器U2D，第三比较器U2D的输出连接到脉冲成形及控制模块中的集成移相触发单元集成电路TC787的输出脉冲禁止端Pi，同时给定控制模块中的解锁比较器U1B监测外给定电位器的电压的变化，并将解锁比较器U1B的输出通过一二极管连接至开机连锁控制模块中的第一比较器U2B的反相端，使系统在非正常得电后工作在零位状态，使外给定电压须回零后再起调，方能产生触发脉冲。

同步调整模块3，与脉冲成形及控制模块4连接，使输入的同步信号和主回路中的相位保持一致。 

脉冲成形及控制模块4，与给定控制模块1、开机连锁控制模块2、同步调整模块3和脉冲功率放大模块5连接，使脉冲成形及控制模块4在外部脉冲变压器来的、经过同步调整后的同步脉冲信号的作用下，产生与主回路相位一致的触发脉冲信号，该信号输出到脉冲功率放大电路放大后去触发可控硅。

脉冲功率放大模块5，与脉冲成形及控制模块4连接，一方面使从脉冲成形及控制模块4输出的脉冲信号进一步放大，以触发大功率的可控硅，另一方面使触发脉冲与输出回路隔离。

给定控制模块1采用LM224、LM324或LM124的运算放大器集成电路。

开机连锁控制模块2采用LM224、LM324或LM124的运算放大器集成电路。

脉冲成形及控制模块4采用了集成移相触发单片集成电路TC787。

同步调整模块3中同步电路能适应脉冲变压器接法为Δ/Ｙ。

同步调整模块3采用了RC可调移相电路。

在TC787内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、触发脉冲能够控制可控硅的输出电流从零起调，不产生电流冲击。

2、输出电压从零调到最高500伏电压，移相角足够宽，达0°～160°以上。

3、三相输入电流平衡。

4、具有掉电自锁输出功能，可防止再来电时的电冲击。

5、可靠性要高，在摄氏零下20℃～70℃应能正常工作。

6、输入内阻要高，对同步电压的要求要低。

7、输出的脉冲幅度、宽度均保证可靠触发500A的可控硅。

8、与原有的脉冲控制电路板输入输出接口上达到兼容。

9、本发明的重要环节是选用的TC787高性能移相触发集成电路，并利用它的脉冲禁止端设计了开机连锁电路，可以有效的防止开机电冲击；TC787适用于主功率器件是可控硅的三相全控桥或其他拓扑电路结构的系统中作为功率可控硅的移相触发电路。可同时产生六路相序互差60°的输出脉冲。TC787在单双电源下均可工作，其适用电源的范围较广泛，它输出三相触发脉冲的触发控制角可在0°～180°范围内连续同步改变。它对零点的识别非常可靠，使它可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点(交相)的锁定电路，抗干扰能力极强。电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，或利用该端口的功能实现其他特定功能。本发明利用TC787的这一个端口，用开机连锁电路输出的信号来封锁TC787的脉冲输出，实现开机时的电冲击。TC787可方便地通过改变6脚的电平高低来设置其输出为双脉冲还是单脉冲。本发明为保证触发的可靠，将其设置成双脉冲输出状态。TC787是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能强，移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便，使用可靠，只要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041,一块KJ042或五块KJ(三块KJ004、一块KJ042、一块KJ041)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此,TC787可广泛应用于三相全控、三相半控、三相过零等机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ041、KJ042等同类电路。为提高整机寿命、缩小体积，降低成本提供了一种新的更加有效的途径。

因此，本发明选用TC787单片大规模移相触发集成电路具有明显的性能优势，使用它来设计新一代的铺架机的大车走行脉冲控制电路，具有较高的性能价格比。

附图说明

图1为本发明的脉冲控制板原理框图；

图2为本发明的给定控制模块1原理图；

图3为本发明的开机连锁控制模块2原理图；

图4为本发明的集成电路TC787的各引脚的排列图；

图5为本发明的集成电路TC787的内部单元电路；

图6为本发明的脉冲功率放大模块5的原理图；

图7为本发明的同步调整模块3的原理图；

图8为本发明的三相可控硅移相触发脉冲控制电路原理图。

具体实施方式

实施例：给定控制模块1，与开机连锁控制模块2和脉冲成形及控制模块4连接，将外给定电位整定成稳定的移相控制电压，驱动工作指示灯，输出开机联锁后的解锁信号。

开机连锁控制模块2，与给定控制模块1和脉冲成形及控制模块4连接，使系统在非正常得电后工作在零位状态。

同步调整模块3，与脉冲成形及控制模块4连接，使同步信号和主回路中的相位保持一致。

脉冲成形及控制模块4，与给定控制模块1、开机连锁控制模块2、同步调整模块3和脉冲功率放大模块5连接，其作用是在脉冲变压器输出的经过同步调整后的同步脉冲信号的作用下，产生与主回路相位一致的触发脉冲信号，该信号输出到脉冲功率放大电路放大后去触发大功率可控硅。

脉冲功率放大模块5，与脉冲成形及控制模块4连接，一方面使从脉冲成形及控制模块4输出的脉冲信号进一步放大，以触发大功率的可控硅，另一方面使触发脉冲与输出回路隔离。

给定控制模块1，如图2所示，该部分电路主要完成外给定电位整定成稳定的移相控制电压，此外还有工作指示灯的驱动和输出开机联锁后的解锁信号等功能。该部分由LM224通用四单元运算放大器的各单元来分别实现上述功能。 

U1A单元完成外给定电位的整定工作。其工作在反相比例运算放大器方式。当从UK端口输入的外部给定信号从0V到-15V之间变化时，通过调整W1和W2，可调节整定后的输出电压，对本系统可将其调整到0.2V～9.5V之间。

U1B单元完成开机联锁后的解锁工作。它工作在电压比较器方式。若开机后外给定电位比较高，即U1B输出电位较高，超过由R14、R15形成的基准电位时，U1B输出低电平，即A点为低电位，反之则为高电位，此高电位送给开机联锁单元，作为解锁信号。

U1C单元用来给脉冲形成及控制部分提供可靠的移相控制电压，其工作在电压跟随器方式，R8作为反馈网络，使经过整定后的外给定信号更加稳定。R7作为其输入电阻。输入信号为经过U1A整定后的移相电压，同时该电压还受开机联锁控制部分输出的钳位信号Q的影响。

U1D单元完成工作指示灯的驱动工作。同U1B单元一样，该单元接成电压比较器，其同相输入端由R10、R11组成确定的基准电压。反相输入端通过R9接开机联锁控制部分输出的禁止脉冲输出信号Pi。当正常工作时，Pi为0.7V左右，低于由R10和R11给定的基准电压，U1D输出高电平，此高电平经R12限流后经过绿色发光二极管D5到地，绿色发光二极管点亮。当出现异常，即开机联锁时，Pi为高电平，此时，绿色发光二极管熄灭，红色发光二极管点亮。

开机连锁控制模块2，如图3所示，当系统工作在大电流控制状态，即移相角较小，被控制的可控硅电流较大，若此时由于某种原因系统突然掉电，而外给定电位器又未能调整到低端；则系统再一次得电工作后，将会控制可控硅从阻断状态突然跳跃到大电流工作状态。这种冲击对负载及可控硅本身是极为不利的，所以必须要有一套装置，使系统在非正常得电后工作在零位状态，即开机联锁。考虑到元件的通用性，我们仍然采用通用四单元运算放大器LM224来实现此项功能。

U2B、U2C单元组成一个自锁电路，其中R18、R19形成基准电位，系统刚得电时，由于C3的延时效应，使U2B的反相输入端电位较同相输入端低，因此U2B输出高电平，该电压通过R21加到U2C的反相

输入端使U2C输出低电平，该低电平又通过R22加至U2B的反相输入端，形成正反馈，使U2B输出端始终输出低电平。

若系统得电后，外给定电位超过了由R14、R15形成的基准电位时，U1B输出低电平，即A点为低电位，由于有二极管D3的隔离作用，该低电平对U2B、U2C形成的联锁电路没有影响。只有当外给定电位低于R14、R15形成的基准电位时，U1B输出状态发生翻转变高，A点为高电位。该高电平通过D3使加至U2B的反相输入端，使U2B输出翻转为低，进而通过R21使U2C输出也翻转变高，又通过R22反馈到U2B的反相输入端，形成新的正反馈，使U2B输出信号保持为高。正常工作后，虽然U1B的输出将随外给定信号的调整在高低之间变化，但由于D3对低电平的隔离作用，U2B、U2C的输出状态均不会发生变化。

U2D工作在电压比较器方式。联锁时输出高电平，该高电平一方面直接控制禁止脉冲输出端Pi，另一方面又通过隔离二极管D6，将经过U1A整定后的移相电压钳位在高电平，使得脉冲形成部分无法形成输出脉冲，提高了联锁的可靠性。解锁后，Pi端为零，允许脉冲输出，同时由于D6的隔离，其对移相电压不发生影响，可根据需要调整外给定电位，得到满意的输出脉冲。

脉冲成形及控制模块4，如图4、图5和表1所示，脉冲形成及控制是本发明的核心部分。在此我们选用新型集成移相触发单片集成电路TC787。其各引脚的排列如图4，内部单元电路如图5，引脚的名称、功能如表1。

                               表1

由图5可知，在TC787内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。其工作原理为：经过阻容T型滤波移相后的同步电压，通过耦合电容送入移相触发集成电路TC787。输入的三相同步电压，通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。三个恒流源输出的恒定电流给外接三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后，取得相交点，该交点经集成块内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相点唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后，变为与三相输入同步信号相对应且与移相电压大小相适应的脉冲信号，送到脉冲分配及驱动电路。若5脚禁止端的信号无效，则脉冲分配电路根据6脚的设定状态完成双脉冲或单脉冲的分配功能，并经驱动电路功率放大后输出。若5脚禁止信号有效，则脉冲分配及驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保所有脉冲输出端全为低电平。

脉冲功率放大模块5，如图6所示，从TC787输出的触发脉冲还不足以可靠触发大功率的晶闸管，必须将其放大。从7～12脚输出的脉冲信号经过限流电阻输入Q1～Q6三极管基极，并在集电极外接脉冲变压器，一方面使脉冲信号进一步放大，以触发大功率的晶闸管，另一方面使触发脉冲与输出回路隔离。工作原理如图六。为保证可靠性，采用功率冗余，选用大功率三极管进行驱动。

同步调整模块3，如图7所示，由于本发明要与原电路在电路接口上保持一致，而原整流电路中同步变压器采用△/Y接法，同步信号和主回路中的相位并不一致，因此同步信号不能直接输入脉冲控制部分，本发明将该信号经过阻容T型滤波移相后，通过耦合电容输入到移相触发集成电路，给TC787提供同步信号。可以根据采用同步变压器的不同接法来调节W3、W4、W5，以调整同步电压的大小和移相角，以保证输入的三相同步信号与可控硅主回路电压信号的一致。

Claims (7)

1.一种三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：该电路为模块化设计，它包括：

给定控制模块（1），与开机连锁控制模块（2）和脉冲成形及控制模块（4）连接，将外给定电位器输出的电压信号整定成稳定的移相控制电压，并驱动工作指示灯和输出开机联锁后的解锁信号；

开机连锁控制模块（2），由TC787的脉冲输出禁止端配合运算放大器构成的开机连锁电路构成，与给定控制模块（1）和脉冲成形及控制模块（4）连接；开机连锁控制模块包括由第一比较器（U2B）和第二比较器（U2C）构成的自锁电路和第三比较器（U2D），第三比较器（U2D）的输出连接到脉冲成形及控制模块中的集成移相触发单元集成电路TC787的输出脉冲禁止端（Pi），同时给定控制模块中的解锁比较器（U1B）监测外给定电位器的电压的变化，并将解锁比较器（U1B）的输出通过一二极管连接至开机连锁控制模块中的第一比较器（U2B）的反相端，使系统在非正常得电后工作在零位状态，使外给定电压须回零后再起调，方能产生触发脉冲；

同步调整模块（3），与脉冲成形及控制模块（4）连接，使输入的同步信号和主回路中的相位保持一致；

脉冲成形及控制模块（4），与给定控制模块（1）、开机连锁控制模块（2）、同步调整模块（3）和脉冲功率放大模块（5）连接，使脉冲成形及控制模块（4）在外部脉冲变压器来的、经过同步调整后的同步脉冲信号的作用下，产生与主回路相位一致的触发脉冲信号，该信号输出到脉冲功率放大电路放大后去触发可控硅；

脉冲功率放大模块（5），与脉冲成形及控制模块（4）连接，一方面使从脉冲成形及控制模块（4）输出的脉冲信号进一步放大，以触发大功率的可控硅，另一方面使触发脉冲与输出回路隔离。

2.根据权利要求1所述的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：给定控制模块（1）采用LM224、LM324或LM124的运算放大器集成电路。

3.根据权利要求1所述的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：开机连锁控制模块（2）采用LM224、LM324或LM124的运算放大器集成电路。

4.根据权利要求1所述的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：脉冲成形及控制模块（4）采用集成移相触发单片集成电路TC787。

5.根据权利要求1所述的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：同步调整模块（3）中同步电路能适应脉冲变压器Δ/Ｙ接法。

6.根据权利要求1所述的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：在TC787内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。

7.根据权利要求1所述的三相可控硅移相触发脉冲控制电路，其特征在于：同步调整模块（3）采用RC可调移相电路。

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