CN108809124A - 一种自保护高效相控整流驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种自保护高效相控整流驱动电路，CPU通过同步信号检测电路检测输入电压的相位、相序，CPU通过驱动电路、直流电流检测电路、直流电压检测电路和三相桥温度信号检测电路连接三相桥式相控整流电路，主电路接触器连接三相桥相控整流电路，温度信号检测电路，中间继电器连接主电路接触器，负载连接三相式相控整流电路。本发明采集三相输入电压同步信号到CPU，然后采用锁相环技术实现对三相电压相位的同步锁定；将主电路三相桥温度信号、驱动电路的故障信号、直流母线上的直流电压信号、直流电流检测信号采集后送入CPU。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种自保护高效相控整流驱动电路。
背景技术
煤矿、轨道交通等行业对整流器有很强的依赖性，用来获取可控或者不可控的直流电压。常规的整流环节广泛采用二极管不可控整流电路与晶闸管相控整流电路。随着轨道交通飞速发展，轨道交通对兆瓦级大功率相控整流器的需求在不断增加，高功率、大电流、高电压的晶闸管器件在轨道交通领域得到了广泛的应用；并且伴随着我国煤矿开采效率的不断提高，大功率采煤机组及运输设备不断被应用，这些动力设备的变频调速都是通过将电网传来交流电整流成直流电，然后将直流电逆变成不同频率的交流电实现对电机的变频调速的，矿用机械设备功率的不断增加对其矿用变频器前端整流器功率的要求也在不断增大，大功率的相控整流开关器件在煤矿上就被广泛的使用，这就要求为功率器件匹配大功率的相控整流驱动电路。大功率的开关器件在轨道交通、煤矿的广泛应用，对相控整流电路的安全性也要得到重视，这就需要驱动电路具有自保护功能，即当整流电路发生故障时，驱动电路可以有效检测到故障信号并采用相应动作切断电源。可见煤矿、轨道交通上急需要一种大功率高效且具有自保护功能的相控整流驱动电路。
通过市场调研发现，现有的相控整流驱动电路普遍存在如下缺陷：1、电路结构设计复杂，导致其故障率比较高，当发生故障时，很难将驱动电路拆成各个模块进行分散测试与维修，工程师很难在短时间内找到故障的准确位置；2、驱动电路自动保护功能不全，不能完全实现对直流母线过压、过流、驱动电路故障的所有保护功能。
因此，对于上述问题有必要提出一种自保护高效相控整流驱动电路。
发明内容
本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种自保护高效相控整流驱动电路。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种自保护高效相控整流驱动电路，包括三相桥式相控整流电路、CPU、驱动电路、中间继电器、主电路接触器、同步信号检测电路、三相桥温度信号检测电路、直流电流检测电路、直流电压检测电路和负载，所述CPU通过同步信号检测电路连接三相桥式相控整流电路，所述CPU通过驱动电路、直流电流检测电路和直流电压检测电路连接三相桥式相控整流电路，所述主电路接触器连接三相桥温度信号检测电路，所述中间继电器连接主电路接触器，所述负载连接三相桥式相控整流电路。
优选地，所述驱动电路包括脉冲信号形成电路、信号传输电路、功率放大电路以及保护电路；所述脉冲信号形成电路通过信号传输电路连接功率放大电路，所述功率放大电路连接保护电路。
优选地，所述脉冲信号形成电路采用PWM技术与DSP芯片组成的控制电路输出6路脉冲去控制主电路晶闸管的通断。
优选地，所述功率放大电路包括脉冲变压器输入电路、脉冲变压器、脉冲变压器输出驱动电路；所述脉冲变压器输入电路通过脉冲变压器连接脉冲变压器输出驱动电路。
优选地，所述保护电路包括故障检测电路；所述故障检测电路包括比较器电路、与门电路、锁存器电路和继电器驱动电路；所述比较器电路通过与门电路连接锁存器电路，所述锁存器电路连接继电器驱动电路。
本发明有益效果：本发明采集三相输入电压同步信号到CPU，然后采用锁相环技术实现对三相电压相位的同步锁定；将主电路三相桥温度信号、驱动电路的故障信号、直流母线上的直流电压信号、直流电流检测信号采集后送入CPU，当电路直流母线电压过压、流母线电流过流、过温或者在驱动电路发生故障时,采用中间继电器K1自动来控制主电路接触器K2的关断来切断三相交流电的输入来实现电路的自保护功能，并同时停止负载工作；通过软件PI实现输出直流电压、电流的调节功能；
运用电力电子技术、自动化技术，实现了对大功率相控整流电路高效可靠的驱动并且可靠性高，具有自保护功能。在电力电子技术领域将会有很大的市场前景。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的信号传输电路
图3是本发明的电平转换电路图；
图4是本发明的功率放大电路图；
图5(a)是本发明的故障检测电路图；
图5(b)是本发明的继电器驱动电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2至图5所示，一种自保护高效相控整流驱动电路，包括三相桥式相控整流电路、CPU、驱动电路、中间继电器、主电路接触器、同步信号检测电路、三相桥温度信号检测电路、直流电流检测电路、直流电压检测电路和负载，所述CPU通过同步信号检测电路连接三相桥式相控整流电路，所述CPU通过驱动电路、直流电流检测电路和直流电压检测电路连接三相桥式相控整流电路，所述主电路接触器连接三相桥式相控整流电路，所述中间继电器连接主电路接触器，所述负载连接三相桥式相控整流电路。
进一步的，所述驱动电路包括脉冲信号形成电路、信号传输电路、功率放大电路以及保护电路；所述脉冲信号形成电路通过信号传输电路连接功率放大电路，所述功率放大电路连接保护电路。
如图1-图4所示：脉冲信号形成电路中的CPU通过算法，发出6路脉冲信号T1-T6，送人到信号传输电路，输出6路脉冲M1-M6，送入电平转换电路，输出信号J1-J6,送人功率放大电路，产生6路脉冲G1-G6，驱动晶闸管工作。
进一步的，所述脉冲信号形成电路采用PWM技术与DSP芯片组成的控制电路输出6路脉冲去控制主电路晶闸管的通断。
其中，所述功率放大电路包括脉冲变压器输入电路、脉冲变压器、脉冲变压器输出驱动电路；所述脉冲变压器输入电路通过脉冲变压器连接脉冲变压器输出驱动电路。
此外，所述保护电路包括故障检测电路；所述故障检测电路包括比较器电路、与门电路、锁存器电路和继电器驱动电路；所述比较器电路通过与门电路连接锁存器电路，所述锁存器电路连接继电器驱动电路。
检测到的相控整流电路输出电压U、电流I经过比较电路，输出的电压U和I信号，和短路SC信号，经过与门合成一个信号，送人锁存器，锁存器输出信号与CPU的控制信号CPU_RLY信号相与，控制驱动继电器工作。
本发明采集三相输入电压同步信号到CPU，然后采用锁相环技术实现对三相电压相位的同步锁定；将主电路三相桥温度信号、驱动电路的故障信号、直流母线上的直流电压信号、直流电流检测信号采集后送入CPU，当电路直流母线电压过压、直流母线电流过流、相控整流电路过温或者在驱动电路发生故障时,采用中间继电器K1自动来控制主电路接触器K2的关断来切断三相交流电的输入来实现电路的自保护功能，并同时停止负载工作；通过软件PI实现输出直流电压、电流的调节功能；
运用电力电子技术、自动化技术，实现了对大功率相控整流电路高效可靠的驱动并且可靠性高，具有自保护功能。在电力电子技术领域将会有很大的市场前景。
工作原理如下：
(1)如图1中所示，脉冲信号形成电路采用PWM技术与DSP芯片组成的控制电路输出6路脉冲去控制主电路晶闸管的通断，DSP芯片发出6路PWM波T1～T6。
(2)信号传输电路如图2所示。图中包含6路触发脉冲信号的传输。因为这6路的工作原理相同，取脉冲信号T1所在的第1路进行说明。
在图2中，U1是光仟驱动与非门逻辑转换芯片，1、2管脚的输入控制3管脚的输出；6、7管脚的输入控制5管脚的输出。DSP发出的第1路脉冲信号T1接U1芯片的2管脚。当T1信号为高电平时，由于1管脚为高电平，所以3管脚输出为低电平信号。GXT1为光纤信号输出芯片，光信号输出端GXT1的1、2引脚上拉为高电平，因为光纤头信号的输出端2引脚与芯片U1的3管脚相连接，T1为高电平时，光信号输出端的2管脚也为低电平，光纤头GXT1内部的发光二极管导通。当光信号传输到光信号的接收芯片GXR1时，其内部的光敏二极管导通，GXR1的1管脚与2管脚导通，输出为低电平。当T1为低电平脉冲信号时,即芯片U1的2管脚为低脉冲信号，经与非门得U1芯片3管脚的输出信号为高电平，此时光纤头GXT1的2管脚为高电平，光纤头GXT1内部的二极管没有导通。光纤头GXR1接收不到光信号，其内部的光敏二极管没有导通，所以其1管脚没有被拉低，输出为高电平。
(3)电平转换电路如图3所示。
图2中的6路移相脉冲触发信号M1、M2、M3、M4、M5、M6通过图3中的电平转换芯片将+5V的信号转换成+15V信号。电平转换芯片的6路输入引脚默认上拉为低电平，避免干扰信号对电路的影响。
(4)功率放大电路如图4所示，由脉冲变压器输入电路、脉冲变压器、脉冲变压器输出驱动电路组成。
在图4中，+5V电平转换成+15V电平转换芯片的6路输出信号J1、J2、J3、J4、J5、J6触发脉冲信息分别经过门极驱动电阻R10、R20、R30、R40、R50、R60驱动MOS管Q1-Q6。因为6路脉冲的功率放大电路相同，取其中的1路进行说明，依旧取脉冲信号T1所在第1路进行说明。脉冲变压器变比为1:1，当脉冲信号J1为高电平时，即脉冲变压器TR1原边电路电阻R10接入的信号为高电平，MOS管Q1导通，脉冲变压器TR1原边1脚接+24V，2脚由于Q1导通接GND，此时脉冲变压器TR1原边为+24V的正脉冲信号；当脉冲信号J1为低电平时，MOS管Q1关断,此时脉冲变压器TR1原比为0V的信号。这样脉冲变压器副边就输出与触发脉冲T1频率相同，幅值不同的脉冲信号，经过单相半波整流电路整流成直流，驱动晶闸管工作。稳压管ZD1和二极管D5构成续流回路，当MOS管Q1关断的时候，保护脉冲变压器。
(5)保护电路如图5所示，由故障检测电路、继电器驱动电路组成。
故障检测电路如图5(a)所示，主要由比较器电路，与门电路，锁存器电路和继电器驱动电路组成。VCC为基准电压源，送到U2的3脚和5脚，通过设置R5和R6的值，调整输入的电压基准值，U1的1脚和7脚分别为电压和电流故障输出信号，高电平为正常信息，低电平为故障信息。检测到的直流母线电压信号由电阻R4接入，当比较器U2的2引脚接入的电压检测信号高于3引脚基准电压时，U2的1引脚由正常的高电平变为低电平输出。U2B的6引脚接入的是直流母线电流检测信号，当6引脚的信号高于5引脚的电压时，U2B的输出引脚7引脚为低电平。U2的1脚和7脚信号输出分别接到U1的1脚和2脚上，高电平为正常信号，低电平为故障信号，这两个信号相与接到U1的9引脚。U1的5引脚输入为相控整流电路短路信号，电路发生短路故障时，SC信号为低电平，正常为高电平信号。三个故障信号相与后，输出到U3锁存器的4脚。锁存器U3的5引脚将4引脚的电平锁存为与4引脚状态一致，高电平为正常信号，低电平为故障信号。U3的6脚为CPU故障复位信号。U3的4脚故障信号输入到U3的12脚，和CPU给出的继电器指令信号相与的信号，控制继电器K1工作。
继电器驱动电路如图5(b)所示,当电路没有发生故障时，FAULT信号为高电平,CPU_RLY控制信号给高电平，U1D的11引脚为高电平，MOS管导通，中间继电器闭合，中间继电器控制的主电路接触器闭合，主电路接入电网的交流电。当电路直流母线发生过压、过流、过温、驱动电路故障时，FAULT信号为低电平，U1D的输出信号为低电平，MOS管关断，中间继电器控制主接触器断开接入的电网交流电，从而实现自保护功能。
与原来的相控整流驱动电路相比，此电路的优点：
(1)采用模块化设计，将脉冲变压器与触发脉冲形成电路分开设计，便于组装与维修；(2)采用光纤将脉冲变压器与脉冲形成电路进行连接，具有远距离传输与控制功能，抗干扰能力强；(3)采用脉冲变压器驱动方式，从而抑制高频杂波传入控制电路，实现了控制电路与整流电路的电气隔离；(4)尤其是具有直流母线的过压、过流、驱动电路故障时的自保护功能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种自保护高效相控整流驱动电路，其特征在于：包括三相桥式相控整流电路、CPU、驱动电路、中间继电器、主电路接触器、同步信号检测电路、三相桥温度信号检测电路、直流电流检测电路、直流电压检测电路和负载，所述CPU通过同步信号检测电路连接三相桥式相控整流电路和三相桥温度信号检测电路，所述CPU通过驱动电路、直流电流检测电路和直流电压检测电路连接三相桥式相控整流电路，所述主电路接触器连接三相桥式相控整流电路，所述中间继电器连接主电路接触器，所述负载连接三相桥式相控整流电路。
2.如权利要求1所述的一种自保护高效相控整流驱动电路，其特征在于：所述驱动电路包括脉冲信号形成电路、信号传输电路、功率放大电路以及保护电路；所述脉冲信号形成电路通过信号传输电路连接功率放大电路，所述功率放大电路连接保护电路。
3.如权利要求2所述的一种自保护高效相控整流驱动电路，其特征在于：所述脉冲信号形成电路采用PWM技术与DSP芯片组成的控制电路输出6路脉冲去控制主电路晶闸管的通断。
4.如权利要求2所述的一种自保护高效相控整流驱动电路，其特征在于：所述功率放大电路包括脉冲变压器输入电路、脉冲变压器、脉冲变压器输出驱动电路；所述脉冲变压器输入电路通过脉冲变压器连接脉冲变压器输出驱动电路。
5.如权利要求2所述的一种自保护高效相控整流驱动电路，其特征在于：所述保护电路包括故障检测电路；所述故障检测电路包括比较器电路、与门电路、锁存器电路和继电器驱动电路；所述比较器电路通过与门电路连接锁存器电路，所述锁存器电路连接继电器驱动电路。
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