電力機車二段橋整流電路在實驗教學中的模擬實現(xiàn)

孫 進 輝

(中國人民武裝警察部隊學院 訓練部， 河北 廊坊 065000)

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電力機車二段橋整流電路在實驗教學中的模擬實現(xiàn)

孫 進 輝

(中國人民武裝警察部隊學院 訓練部， 河北 廊坊 065000)

交直傳動的交流電力機車動車，采用多段橋式整流器向脈流電動機供電驅(qū)動。而多段橋整流電路的基礎是二段橋整流電路。在開放實驗中引導學生創(chuàng)新思維，開拓視野，綜合所學知識，通過對集成觸發(fā)器 TCA785的主要功能及應用方法的學習，并用其組成二段橋整流電路模擬實現(xiàn)了電力機車多段橋整流電路的原理，實驗效果良好。

TCA785； 移相觸發(fā)器； 整流電路

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)快速、穩(wěn)定的增長，帶動了運輸行業(yè)的爆炸式發(fā)展，其中鐵路運輸作為主要運輸手段占有很大比重。但是鐵路客貨運量年均增長程度仍然落后于同期國民經(jīng)濟總量的增長增幅，鐵路運輸對社會經(jīng)濟的瓶頸制約仍然沒有從根本上得到緩解[1]，由此引發(fā)了新技術(shù)的應用以及大規(guī)模投資。電力機車以其牽引性能好、功率大、體積小、功率因數(shù)高、可靠性高、不污染環(huán)境等特點得到廣泛應用。在我國，目前電力機車已經(jīng)普及，尤其是高速、重載列車都是使用電力機車進行牽引。

電力機車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車的最大區(qū)別就是動力源不同，電力機車的能量來自接觸網(wǎng)，其他如走行部、車體等并沒有本質(zhì)區(qū)別。電力機車先通過電弓從接觸網(wǎng)上受電，經(jīng)過機車上的牽引變壓器、整流柜、逆變，然后傳入牽引電機帶動機車。一般情況下，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角度來調(diào)節(jié)功率，從而進行調(diào)速，只要求合理調(diào)節(jié)逆變的頻率和整流的電壓就能保證功率因數(shù)。當電力機車的速度和功率越來越高時，所要求的直流電壓就會越高，同時制動時反電勢越高，對主電路器件的耐壓值也越來越高。但鑒于單個分立器件的額定工作電壓耐壓值達不到要求，因此需要從電路上對這一問題進行解決。目前通用的解決方法是橋式整流電路多段串聯(lián)，但多段串聯(lián)的整流電路對觸發(fā)電路又提出了新的要求。在開放實驗教學中，為了開拓學生視野，綜合運用所學知識，我們以二段橋整流電路為例闡述了整流電路的工作過程，把理論中的電路拓撲轉(zhuǎn)化成了實際的電路，達到了很好的效果。

1 器件的選擇

整流電路的作用是把交流電能轉(zhuǎn)換為脈動性直流電，這個過程就是我們平常所說的交流電的整流，通常由整流二極管和晶閘管組成整流電路。交流電經(jīng)過整流之后的電壓已經(jīng)不再是交流電壓，習慣上稱單向脈動性直流電壓。它常常被用于調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速。

二段橋電路實際是為了得到較高的直流電壓而把兩個整流電路串聯(lián)起來使用的一種電路，他的輸出電壓可以達到單橋輸出電壓的兩倍。

1.1 晶閘管與觸發(fā)器的選擇

主電路晶閘管選用高耐壓值且觸發(fā)一致性較好的BT151，觸發(fā)電路采用工作穩(wěn)定可靠的集成觸發(fā)電路TCA785。

1.2 TCA785簡介

與其它觸發(fā)電路芯片相比，TCA785具有對過零點的識別更加可靠、輸出脈沖的整齊度好、溫度適用范圍寬、移相范圍寬等優(yōu)點。另外，由于它可以手動自由調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度，因此使其適用范圍更加廣泛[2]。

TCA785為標準雙列直插式16引腳大規(guī)模集成電路，由同步過零檢測電路、放電監(jiān)視比較器、同步寄存器、移相比較器、脈沖形成與分配控制電路等幾部分組成的。其中管腳10為片內(nèi)產(chǎn)生的同步鋸齒波，其斜率由管腳9、10兩腳的外接電阻與電容決定。通過與管腳11的外接控制電壓相比較，在管腳15和14可輸出同步的脈沖信號，脈沖輸出電流≤400 mA，而管腳2、3、4、7的輸出電流≤10 mA，脈沖輸出電壓高電平為2.5 V、低電平為0. 8 V。因此，改變11腳的控制電壓，就可以改變觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角T，實現(xiàn)移相控制，脈沖移相范圍為0～180°；脈沖的寬度則由管腳12的外接電容值決定，當選擇雙窄脈沖的驅(qū)動方式時，12腳應接150 pF電容。實際上，有幾十個μs的脈沖寬度即可使晶閘管正常導通[3-9]。TCA785的工作環(huán)境溫度為-25～85℃，工作頻率為10～500 Hz。

1.3 利用TCA785實現(xiàn)相控整流

由于TCA785能夠輸出兩路相位互差180°的脈沖信號，所以它可以方便地用于單相全波、單相半控橋或全控橋式整流電路中，三片TCA785可用于三相半波、三相橋式全控或半控整流電路中，進而實現(xiàn)用戶需要的溫度控制、電壓調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)整等目的。

通常實現(xiàn)三相橋式相控整流的一般方法是利用三相同步變壓器從電源進線端引入三路同步信號，這樣，將同步信號整形后分別輸?shù)饺琓CA785的5腳，就能控制6只晶閘管，然后通過引腳復用即可實現(xiàn)雙窄脈沖方式驅(qū)動。三片TCA785引腳與其對應控制的晶閘管的對應關(guān)系見表1。而晶閘管通過一個△/Y型同步變壓器為TCA785提供同步信號，當進線相序(如圖1所示)為正序A、B、C時，同步變壓器的三個輸出端所對應的中性點的實際電壓向量為AC、BA、CB，將AC接至TCA785(A)，BA接至TCA785(B)，CB接至TCA785(C)，即可實現(xiàn)正序輸入時晶閘管的同步驅(qū)動。現(xiàn)以T5～T1換流為例進行分析：T5至T1管自然換流點滯后于A相由負到正過零點30°，即TCA785(A)的15腳輸出至少應該滯后于該過零點30°，而電壓AC由負到正過零點正好滯后于A相30°，因而用AC作為TCA785(A)的同步信號就可以實現(xiàn)最大范圍的移相控制。

TCA785引腳晶閘管晶閘管785(A)15腳T1T6785(C)14腳T2T1785(B)15腳T3T2785(A)14腳T4T3785(C)15腳T5T4785(B)14腳T6T5

其它晶閘管的分析與此類似，即用相應的線電壓代替相電壓作為同步信號。圖2所示是一個周期的驅(qū)動時序。從A相的自然換流點開始，上、下橋臂晶閘管驅(qū)動順序分別為：1→1→3→3→5→5→1和6→2→2→4→4→6→6。

1.4 TCA785使用中應注意的幾個問題

在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，如果直接利用同步變壓器的輸出作為同步信號，只能在一種輸入相序(正序或者逆序)下工作，一旦輸入相序接法改變，整流就不能正常進行。當輸入相序為正序時，根據(jù)前述接線方法，可以使相控整流正常工作；當輸入接成逆序時會出現(xiàn)一相進線沒有電流的情況，這在電源輸出功率過大時會

損壞晶閘管。我們可以通過改進同步信號獲取電路來做到整流與輸入相序無關(guān)，解決因相序接錯損壞晶閘管的問題。

三相全控橋式整流進線電流是一種不連續(xù)的兔耳狀尖峰電流。當電源阻性負載較重(阻性電流大于150A)時，由于需要大量的有功功率，因此該尖峰電流峰值較大。尖峰電流在電源進線電阻上會產(chǎn)生一定的壓降。該電流產(chǎn)生的壓降與輸入正弦波疊加后送到同步變壓器輸入端，可作為同步信號提供給TCA785芯片。實驗中發(fā)現(xiàn)，該疊加電壓在過零點附近存在抖動現(xiàn)象。由于TCA785對過零點檢測極為靈敏，從而導

致芯片第10腳鋸齒波斜邊也發(fā)生抖動，這樣，由輸出反饋到11腳的控制電壓即使沒有改變，TCA785輸出的驅(qū)動脈沖也會存在移相，引起的結(jié)果是進線電流峰值變化很大，進而在直流平波電抗器上引起強烈的振動，甚至對電網(wǎng)造成沖擊。解決的辦法是在進線處加上電感濾波，以平滑進線電流，濾除諧波。

由于TCA785是利用檢測過零點的原理來實現(xiàn)同步的，因此，如果從同步變壓器過來的信號都是正弦信號，正弦波的幅值過小，那么，就不能提供清晰的過零點，同時，電磁干擾也可能導致過零點檢測錯誤，但是，正弦波的幅值過大又會超過芯片的同步電壓輸入范圍，所以應當將同步信號整形成方波，來保證清晰的過零點電平[10-12]。

2 電路工作介紹

2.1 給定電路

二段橋整流電路如圖3所示。給定器采用模擬給定方式，為實現(xiàn)一個給定電位器控制兩路觸發(fā)電路的移向，給定器采用如圖左邊部分LM324C、LM324D、RP1、RP2、RP3組成的運算放大器。調(diào)試時，在RP1為0 V的情況下調(diào)節(jié)RP2使②處的輸出電壓為5 V, 調(diào)節(jié)RP3使③處的輸出電壓為10 V。這樣在RP1從0～5 V變化時②處電壓在5～0 V之間變化，③處電壓在10～5 V之間變化; RP1從5～10 V變化時②處電壓維持在0 V不變，③處電壓在5～0 V之間變化，滿足移相電路對觸發(fā)電平的要求。

圖3 二段橋整流電路

2.2 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路采用兩片TCA785，同步信號取自于和主電路同步的經(jīng)變壓器變?yōu)锳C15V的交流信號，脈沖信號取TCA785的14、15腳的兩路相位相差180度的脈沖信號。分別調(diào)節(jié)電位器RP4、RP5，用示波器觀測④、⑤處的三角波形，使三角波的峰峰值調(diào)為5 V。滿足移相電路對觸發(fā)電平的要求。RP1從0～5 V變化時U2的輸出波形在0～180度之間變化，U3不變化; RP1從5～10 V變化時U3的輸出波形在0-180度之間變化，U2不變化。

2.3 脈沖放大電路

脈沖放大電路可把主電路和驅(qū)動電路完全隔離開來，使強電和弱電完全隔離。脈沖變壓器采用一致性較好的KCB6743A，變比1∶1。

2.4 主電路

主電路的四個晶閘管(SCR1、SCR2、SCR3、SCR4)要放置在如圖所示的橋壁的一側(cè)，這樣才能保證在其中一段橋沒用觸發(fā)時，另一段橋整流出來的直流電壓能夠加到負載上去。主電路的供電方式如圖4所示。

為了保證學生實驗安全，主電路的輸入電壓采用AC110V，實際工作中可根據(jù)所需電壓增高主電路的輸入電壓，相位關(guān)系不變。

調(diào)節(jié)給定電位器RP1，整流電路的SCR1、SCR2開始觸發(fā)導通，OUT的輸出電壓逐漸升高，當RP1調(diào)整到5 V時，SCR1、SCR2所在的一段橋完全導通，由一段橋整流出來的直流電壓達到最大值。繼續(xù)同方向調(diào)節(jié)電位器RP1，整流電路的SCR3、SCR4開始觸發(fā)導通，SCR3、SCR4所在的第二段橋整流出來的直流電壓疊加在一段橋上繼續(xù)輸出，OUT口的輸出電壓在一段橋整流輸出電壓的基礎上繼續(xù)升高。調(diào)節(jié)電位器RP1的同時用示波器探頭衰減后觀測OUT口的輸出波形可清楚的觀測到整流輸出波形的疊加全過程[13-16]。

第一段橋不同導通角時的整流輸出波形圖如圖5所示。

第一段橋完全導通后，第二段橋不同導通角時的整流輸出波形圖如圖6所示。

3 結(jié) 語

該實驗是對非電類專業(yè)學生進行開放實驗的一個項目，它不僅培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力，同時也開闊了學生的視野，提高了學生的分析問題、解決問題的能力。創(chuàng)新是民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭源泉，也是中華民族最深沉的民族稟賦。高校作為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力的主陣地，必須加大開放實驗的開設力度，引導學生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)更多具有綜合素質(zhì)的人才。

圖5 第一段橋不同導通角時的整流輸出波形

[1] 熊紅昌. 客運電力機車的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 電力機車與城軌車輛, 2012,35(6):67-69.

[2] 李輝林. 對電力機車整流控制設計缺陷的發(fā)現(xiàn)、研究與創(chuàng)新[J]. 價值工程, 2012(2):39-43.

[3] 龍 飛,李曉帆,蔡志開,等. TCA785移相控制芯片應用方法的改進[J]. 國外電子元器件, 2004(3):25-28.

[4] 孫茂松. TCA785集成觸發(fā)器及應用[J]. 唐山高等專科學校學報, 2002,15(1):85-90.

[5] 胡大友. 專用集成電路TCA785及其應用[J]. 電子技術(shù), 1993(8):30-31.

[6] 龍 飛,李曉帆,蔡志開,等. 移相控制電路應用方法的改進[J]. 電子元器件應用, 2004.6(2):22-25.

[7] 李金光,蘇麗秋. 基于TCA785移相觸發(fā)器的三相控整流電源[J]. 低壓電器, 2011(9):25-28.

[8] 王建國,楊建華. 新型集成電路移相觸發(fā)器TCA785[J]. 電子技術(shù)應用, 1994(1):35-36.

[9] 蔣厚云,鄧長松,鄒云屏. TCA785在可控整流變換器中的應用[J]. 船電技術(shù),1995(6):19-21.

[10] 楊嘉昌,魯五一,張宏亮. 采用TCA785對晶閘管觸發(fā)電路改造[J]. 硬質(zhì)合金, 2006,23(4):235-238.

[11] 白雪峰,李 沛. 三相全控橋式整流電路實驗裝置的研制[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2006(15):83-84.

[12] 李 宏,鄒 偉,宣偉民,等. 巧用TCA785構(gòu)成適應寬頻率范圍的晶閘管觸發(fā)器[J]. 電源技術(shù)應用, 2005,8(12):22-26.

[13] 吳中華. 集成電路移相觸發(fā)器TCA785的工作原理及應用[J]. 遼寧師專學報, 2001,3(2):71-74.

[14] 羅乾顯,牛恒林,趙 虹,等. 數(shù)字模擬集成觸發(fā)器TCA785的主要功能及應用方法[J]. 傳動與控制, 1997(2):35-38.

[15] 高鄧波. 關(guān)于SS9型電力機車調(diào)壓整流電路仿真的研究[J]. 南方職業(yè)教育學刊, 2013,3(6):9-12.

[16] 李春陽. 晶閘管多段相控橋調(diào)壓線路的性能分析和試驗研究[J] .機車電傳動, 1981(4):12-19.

An Experimental Study of Simulating the Second Bridge Rectifier Circuit of Electric Motive

SUNJin-hui

(Training Department, the Chinese People’s Armed Police Forces Academy, Langfang 065000, China)

The multiple bridge rectifying to the pulsating current motor powered motive was introduced into alternating current (AC) drive electric locomotive of AC-DC-AC transmission. And the multiple bridge rectifying circuit is based on double stage bridge rectifying circuit. In the open experiment, the innovative thinking and the perspective ability of students could be improved by learning the main function and application method of the integrated trigger TCA785. Especially, the results of experiment was very good, because the principle of electric motive multiple bridge rectifying circuit could successfully be carried out by simulation the double stage bridge rectifying circuit which was assembled by the integrated trigger TCA785.

TCA785; phase-shift trigger; rectifier circuit

2014-06-17

孫進輝(1971-)，男，河北正定人，碩士，高級工程師，主要從事實驗教學管理與實驗室建設。

Tel.:15831601700, 0316-2068284; E-mail:15831601700@139.com

TN 710

A

1006-7167(2015)03-0096-05