CN103986347B - 一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路 - Google Patents

Abstract

一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，可实现三相桥式半控整流电路的预充电和母线电压的调节。主要包括DSP控制器、巴特沃兹低通滤波电路、同步检测环节、移相控制芯片、驱动电路，实现了通过DSP主控芯片输出PWM波的占空比调节母线电压的大小，从而减小了启动时电容的充电电流。实现了三相桥式半控整流电路的预充电，降低了大功率逆变器装置的成本。同时，在逆变器工作时，能够检测三相进线电流是否过流，三相进线电压是否缺相，能够把故障信号反馈给DSP控制器，保证了逆变器的安全工作。本发明具有控制灵活，充电效果好，经济实用，保护功能完善，性能可靠的优点。

Description

一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路

技术领域

本发明涉及一种应用于大功率逆变器的预充电和母线电压的调节的三相桥式半控整流触发电路，尤其涉及一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路。

背景技术

如图1所示为传统的三相桥式半控整流电路控制原理图，通过三相桥式半控整流触发器输出晶闸管触发脉冲来控制整流电路的晶闸管工作，从而输出直流电压。

预充电就是由电源向逆变器装置中的直流母线电容充电的过程。因为直流母线上有大电容存在，当电源接通瞬间，电容两端的电压不会突变，而电容两端的电流会突变，电容两端相当于短路，此时如果没有预充电电路，整流电路的功率器件就会因短路而损坏。预充电电路起到了限制电源接通瞬间电容充电电流的作用，以保护整流电路的功率器件不会因电流冲击过大而损坏。传统的逆变器预充电电路采用在主回路交流接触器触点旁跨接预充电电阻的方案。该方案存在以下缺点：

1、在逆变器需要频繁启动的场合，接触器也要频繁的闭合、断开，长期工作不仅减少接触器的寿命，而且会因触头氧化、接触不良、机械磨损等原因影响设备正常工作。

2、接触器作为该预充电方案的主要元件，随着逆变器功率的增加，容量也需要相应增加，对于整个逆变器设备来说提高了成本。

3、大容量的接触器增加了设备的体积和重量。

4、启动电流较大，对器件有一定的冲击。

本发明实现了三相桥式半控整流电路的预充电，通过控制整流桥的输出电压，进而控制充电电流的大小，减小了启动电流。省去了交流接触器和预充电电阻，且控制灵活。并且在逆变器工作过程中，三相桥式半控整流触发电路可以调节母线电压大小，通过保护电路监测进线侧故障状态，使得系统在进线侧故障时能够可靠保护。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，可实现半控整流电路的预充电和母线电压的调节。

技术方案：一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，包括移相控制电压发生电路、移相触发脉冲发生电路以及驱动电路；其中：

所述移相控制电压发生电路用于输出幅值可调的直流电压到移相触发脉冲发生电路；

所述移相触发脉冲发生电路包括第一至第三同步变压器以及第一至第三移相控制芯片；三相桥式半控整流主电路的三相输入电压U_AB、U_BC、U_CA分别经所述第一至第三同步变压器转换成相位互差120°的三相交流电后，对应接入第一至第三移相控制芯片；所述第一至第三移相控制芯片分别根据输入的单相交流电生成锯齿波电压，当所述锯齿波电压达到所述移相控制电压发生电路输出的直流电压幅值时，所述第一至第三移相控制芯片输出相位互差120°的触发脉冲信号到所述驱动电路，驱动三相桥式半控整流主电路的晶闸管工作。

进一步的，所述移相控制电压发生电路包括DSP控制芯片、电压转换芯片、反相器、电压跟随器以及巴特沃兹低通滤波器；所述DSP控制芯片用于输出占空比为10％～90％的PWM电压，所述电压转换芯片用于将PWM电压转换成平均值为1.5V～13.5V的PWM电压后，输入所述反相器进行电压反相得到平均值为13.5V～1.5V的PWM电压，经反相后的PWM电压经所述电压跟随器后输入所述巴特沃兹低通滤波器，所述巴特沃兹低通滤波器将PWM电压转换成13.5V～1.5V稳定的直流电压到移相触发脉冲发生电路。

进一步的，所述触发电路还包括过流保护电路，当三相桥式半控整流主电路的进线电流过流时，所述过流保护电路用于产生低电平的过流故障信号后输出到所述DSP控制芯片。

进一步的，所述过流保护电路包括三路电流采样电路和迟滞比较器；所述每路电流采样电路包括电流互感器、采样电阻、电压跟随器以及绝对值转换电路，通过所述电流互感器将进线电流转换为0～100mA的电流信号后，通过连接所述互感器的采样电阻采样得到交流电压信号，所述交流电压信号经电压跟随器输入绝对值转换电路，将所述交流电压转换为直流电压，所述三路电流采样电路输出的三路直流电压信号相加后输入到迟滞比较器，所述迟滞比较器将接收到的电压和参考值比较后输出电平信号。

进一步的，所述触发电路还包括缺相保护电路，当三相桥式半控整流主电路的进线电压发生缺相故障时，所述缺相保护电路用于产生低电平缺相故障信号后输出到所述DSP控制芯片。

进一步的，所述缺相保护电路包括三路电压采样电路、充电电路以及第二比较器；所述每路电压采样电路包括一个光耦和一个第一比较器，三相桥式半控整流主电路的进线相电压通过光耦合接入第一比较器，三个第一比较器通过与逻辑输出，当进线电压正常时比较器相与输出为低电平，通过RC组成的充电电路不工作，第二比较器输出高电平；当有一相电压缺相时，在另两相的线电压过零的时刻比较器相与输出高电平，RC充电电路中电容电压上升，第二比较器输出低电平缺相故障信号。

有益效果：1、预充电过程中，DSP控制芯片输出PWM波的占空比由小增大，晶闸管的触发角由大减小，从而控制母线电压由小增大，启动时电流冲击较小。三相桥式半控整流预充电方式省去了交流接触器，在大功率逆变器中降低了成本。

2、控制方式灵活，逆变器正常工作时，能够调节母线电压大小。

3、启动电流小，减小了对功率器件的冲击。

4、在进线侧发生故障时，过流保护电路和缺相保护电路确保了DSP控制器能够及时得到故障信号，保证了逆变器的安全可靠工作。

附图说明

图1为三相桥式半控整流主电路；

图2为具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路结构框图；

图3为巴特沃兹低通滤波电路；

图4为移相控制芯片的主要引脚波形；

图5为晶闸管触发脉冲驱动电路；

图6为进线电流过流保护电路；

图7为进线电压缺相保护电路；

图8为三相桥式半控整流触发电路输出电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图2所示，一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路包括移相控制电压发生电路、移相触发脉冲发生电路以及驱动电路。如图3所示，移相控制电压发生电路包括DSP控制芯片、电压转换芯片、反相器、电压跟随器以及巴特沃兹低通滤波器。DSP控制芯片输出占空比为10％～90％的PWM电压，该PWM电压经电压转换芯片作线性变换后，转换成平均值为1.5V～13.5V的PWM电压后输入反相器进行电压反相，得到平均值为13.5V～1.5V的PWM电压；经反相后的PWM电压经电压跟随器输入巴特沃兹低通滤波器，巴特沃兹低通滤波器将输入的PWM电压转换成13.5V～1.5V稳定的直流电压。

移相触发脉冲发生电路包括第一至第三同步变压器以及第一至第三TCA785移相控制芯片。移相控制电压发生电路采用三片移相控制芯片触发三相桥式半控整流电路，其接线方式对称。三个同步变压器分别将三相桥式半控整流主电路的三相输入电压U_AB、U_BC、U_CA转换为相位相同、峰峰值为8V的单相交流电后，对应输入第一至第三移相控制芯片的同步电压输入引脚。该单相交流电作为同步信号，输入到芯片的同步电压输入引脚。移相控制芯片的使能信号输入引脚控制芯片的工作，移相控制电压发生电路输出的幅值可调的直流电作为移相控制电压，输入芯片的移相控制电压输入引脚。同步信号经第一至第三移相控制芯片内部零电压检测器，送至同步寄存器，同步寄存器控制产生与同步信号同步且频率为同步信号两倍的锯齿波。芯片的锯齿波电阻、电容连接引脚用于控制锯齿波的斜率，满足输入芯片的移相控制电压幅值小于锯齿波的幅值。当锯齿波电压达到移相控制电压发生电路输出的直流电压幅值时，移相控制芯片输出一触发脉冲信号到驱动电路，驱动三相桥式半控整流主电路的晶闸管工作。移相控制芯片的脉宽控制引脚控制输出脉冲的宽度，芯片脉冲输出引脚1和2输出相位相差180°的脉冲。移相控制芯片的主要引脚波形如图4所示，第一至第三移相控制芯片的脉冲输出引脚1相位互差120°。预充电过程中，DSP控制芯片输出PWM波的占空比由小增大，从而输入到移相控制芯片的控制电压由大变小，从而使得输入到三相桥式半控整流触发电路中晶闸管的脉冲相位由大减小，晶闸管的触发角由大减小，从而控制母线电压由小增大，启动时电流冲击较小。

如图5所示，驱动电路包括三极管和脉冲变压器。触发脉冲控制三极管的导通关断，原边电压经脉冲变压器转换后驱动晶闸管。因为脉冲变压器是正向激励，在三极管截止时存储在脉冲变压器原边的能量必须泄放掉，否则脉冲变压器的剩磁通将不能复位，会导致其很快进入饱和状态。本实施例采用二极管D₁和电阻R₁组成RD吸收电路，三极管截止后产生的感生电动势能量通过二极管和电阻吸收。D₃为续流二极管，R₂决定了晶闸管的门极驱动电流。

图8为三相桥式半控整流触发电路带电阻性负载时，调节触发角α从150°到0°变化时的母线电压波形。

如图6所示为控制器的过流保护电路。过流保护电路包括三路电流采样电路和迟滞比较器，每路电流采样电路包括电流互感器、采样电阻、电压跟随器以及绝对值转换电路。通过电流互感器将进线电流转换为0～100mA弱电电流信号后，通过连接互感器的采样电阻采样得到交流电压信号，该交流电压信号经电压跟随器输入由运放LM258构成的绝对值转换电路，用于将该交流电压转换为直流电压。三路电流采样电路输出的三路直流电压信号相加后输入到由LM211芯片构成的迟滞比较器，迟滞比较器将相加后的电压值和参考值比较：如果进线电流过流，则产生低电平过流故障信号并输出到DSP控制芯片。迟滞比较器具有较高的抗干扰性，一旦输出过流信号后，即使输入信号在正向阈值电压附近有微小的干扰，只要干扰不超过回差电压，输出电压就是稳定的。

如图7所示为控制器的缺相保护电路。当三相桥式半控整流主电路的进线电压发生缺相故障时，所述缺相保护电路用于产生低电平缺相故障信号后输出到所述DSP控制芯片。三相进线电压通过光耦1、光耦2、光耦3隔离后分别对应接入比较器1、比较器2、比较器3。3个LM239比较器芯片的负向输入端输入10.5V的参考电压，3个比较器输出端相接，形成与逻辑，进线电压正常时，每个时间段比较器1、比较器2、比较器3中有一个输出低电平，相与的结果为低电平，通过RC组成的充电电路不工作，比较器4LM239芯片输出高电平。有一相电压缺相时，在另两相的线电压过零的时刻附近，比较器1、比较器2、比较器3均输出高电平，RC组成的充电电路工作，电容电压上升，大于参考电压后比较器4输出翻转，输出低电平缺相故障信号。

如图1所示的主电路为三相桥式半控整流电路，在大功率逆变器中，电容C较大，在电源接通瞬间，电容两端相当于短路。半控整流触发电路通过控制晶闸管的触发角从180°到0°变化，使得电容的充电电流逐渐增加，限制了启动电流，达到了良好的预充电效果。

DSP控制器产生的PWM电压通过巴特沃兹低通滤波器产生移相控制电压，三相输入电压通过同步变压器接入3片移相控制芯片。同步电压经同步电压输入引脚给移相控制芯片提供一同步信号，产生一锯齿波。调节锯齿波电阻可以调节锯齿波的斜率。当锯齿波电压达到移相控制电压，移相控制芯片就会产生触发脉冲。改变移相控制电压，即可实现移相触发脉冲由0～180°的变化。每片移相控制芯片产生一个晶闸管的触发脉冲，触发脉冲通过脉冲变压器驱动相应的晶闸管。通过DSP控制移相控制电压大小，可以改变晶闸管的触发角，从而控制输出电压大小。移相控制芯片的控制为负逻辑，即控制电压增加，晶闸管的触发角增大。在巴特沃兹低通滤波器前加上一级反相器，使触发电路的控制变为正逻辑。

过流保护电路通过电流互感器、采样电阻、电压跟随器、绝对值转换电路、迟滞比较器产生过流故障信号，缺相保护电路通过光耦、比较器、充电电路产生缺相故障信号，实现了对进线电流、电压状态的监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，其特征在于：包括移相控制电压发生电路、移相触发脉冲发生电路以及驱动电路；其中：

所述移相控制电压发生电路用于输出幅值可调的直流电压到移相触发脉冲发生电路；控制输入到移相触发脉冲发生电路的直流电压由大变小；

所述移相触发脉冲发生电路包括第一至第三同步变压器以及第一至第三移相控制芯片；三相桥式半控整流主电路的三相输入电压U_AB、U_BC、U_CA分别经所述第一至第三同步变压器转换成相位互差120°的三相交流电后，对应接入第一至第三移相控制芯片；所述第一至第三移相控制芯片分别根据输入的单相交流电生成锯齿波电压，当所述锯齿波电压达到所述移相控制电压发生电路输出的直流电压幅值时，所述第一至第三移相控制芯片输出相位互差120°的触发脉冲信号到所述驱动电路，驱动三相桥式半控整流主电路的晶闸管工作。

2.根据权利要求1所述的一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，其特征在于：所述移相控制电压发生电路包括DSP控制芯片、电压转换芯片、反相器、电压跟随器以及巴特沃兹低通滤波器；所述DSP控制芯片用于输出占空比为10％～90％的PWM电压，所述电压转换芯片用于将PWM电压转换成平均值为1.5V～13.5V的PWM电压后，输入所述反相器进行电压反相得到平均值为13.5V～1.5V的PWM电压，经反相后的PWM电压经所述电压跟随器后输入所述巴特沃兹低通滤波器，所述巴特沃兹低通滤波器将PWM电压转换成13.5V～1.5V稳定的直流电压到移相触发脉冲发生电路。

3.根据权利要求2所述的一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，其特征在于：所述触发电路还包括过流保护电路，当三相桥式半控整流主电路的进线电流过流时，所述过流保护电路用于产生低电平的过流故障信号后输出到所述DSP控制芯片。

4.根据权利要求3所述的一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，其特征在于：所述过流保护电路包括三路电流采样电路和迟滞比较器；所述每路电流采样电路包括电流互感器、采样电阻、电压跟随器以及绝对值转换电路，通过所述电流互感器将进线电流转换为0～100mA的电流信号后，通过连接所述电流互感器的采样电阻采样得到交流电压信号，所述交流电压信号经电压跟随器输入绝对值转换电路，将所述交流电压转换为直流电压，所述三路电流采样电路输出的三路直流电压信号相加后输入到迟滞比较器，所述迟滞比较器将接收到的电压和参考值比较后输出电平信号。

5.根据权利要求2或3所述的一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，其特征在于：所述触发电路还包括缺相保护电路，当三相桥式半控整流主电路的进线电压发生缺相故障时，所述缺相保护电路用于产生低电平缺相故障信号后输出到所述DSP控制芯片。

6.根据权利要求5所述的一种具有保护功能的三相桥式半控整流触发电路，其特征在于：所述缺相保护电路包括三路电压采样电路、充电电路以及第二比较器；所述每路电压采样电路包括一个光耦和一个第一比较器，三相桥式半控整流主电路的进线相电压通过光耦接入第一比较器，三个第一比较器通过与逻辑输出，当进线电压正常时比较器相与输出为低电平，通过RC组成的充电电路不工作，第二比较器输出高电平；当有一相电压缺相时，在另两相的线电压过零的时刻比较器相与输出高电平，RC充电电路中电容电压上升，第二比较器输出低电平缺相故障信号。