CF系列晶閘管觸發器

摘要：詳細介紹了利用CF系列晶閘管觸發器組成的自動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例，同時還介紹了浮充電源的工作特性。

關鍵詞：整流器；直流電源；充電器；浮充電源；晶閘管觸發器

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，既作為整流元器件，又作為穩壓、穩流調節元器件，這種電源稱之為線性電源。近年來雖然開關電源已經在不斷地取代相控電源，但因其生產成本較高和功率器件IGBT的技術參數所限，目前市場上的產品仍以采用晶閘管的線性電源為主。

在這類線性電源中，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，所以晶閘管觸發電路性能的好壞是這類產品質量的關鍵。近年來不少單位和技術人員在開發和完善晶閘管觸發器產品，目前市場上已有一些較為成熟的專用和通用的觸發器產品，CF系列觸發器就是其中之一。不同類型的觸發器其功能和特點有所不同，用戶應根據其自己的使用要求進行選擇。

CF系列晶閘管觸發器屬于一種固態器件，它將同步脈沖形成電路，功率驅動電路，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，故應用于系統時非常簡單，連接線很少，不需要進行電路調試，屬于傻瓜型器件。用戶使用時僅需外接一個同步變壓器即可，只要連接線無誤，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性度好的優點，使得它的適應性很強，在較嚴重的電磁干擾場合都能穩定可靠地運行。

CF系列觸發器是一種通用型晶閘管觸發器。它既可工作于調相（調壓）方式，又可工作于調功（調晶閘管導通時間）方式。用于調相時，晶閘管導通角的移相范圍為0～180°，且線性度很好，用于調功時，晶閘管工作于過零導通，過零關斷狀態，既延長了晶閘管的使用壽命，又減少了浪涌電流和高次諧波的產生。

CF系列晶閘管觸發器可廣泛應用于交、直流調壓與調速，整流與逆變場合，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單。

CF系列晶閘管觸發器的功能、性能及電氣參數指標是目前同類產品中較全、較高的一種，詳見產品使用說明手冊。

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系列晶閘管觸發器都非常簡單，圖1是三相半控橋自動穩壓穩流直流電源電路原理圖實例。將圖1稍加改動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，觸發器由CF97044B改用CF97033B即可。

注意：該電路中的直流電源線V_cc、接地線V_gnd等直流電部分不能與機殼、大地、交流電零線相連接，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，輸出直流電壓的質量不高，有時還會出現脈動波形。若經常工作在該區域時，應考慮增加一降壓隔離變壓器T₃，如圖1中虛線所示，并斷開a、b、c三點。但應注意降壓變壓器T₃和同步變壓器T₁的初次級接線方式需保持一致，即若是Y型，均為Y型，若是△型，均為△型。此時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）具有自動穩壓穩流調節功能；

4）具有自動檢測、判斷、記憶、顯示交流側三相電中缺相、過電流、過電壓、欠電壓、低頻和直流側過電流等故障，并具有故障逐一指示及輸出聲、光報警和自動拉閘、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，可將圖1中的DY－BH部件去掉，仍具有自動穩壓穩流功能，這樣可降低系統生產成本。

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關，

K₂穩壓或穩流轉換開關

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，生產成本會更低。電路如圖2所示。

圖2 單相輸入整流裝置電路原理

以上介紹的是這類直流電源基本組成的電路原理實例，但在不同用途時，還應考慮一些相應的問題。

3 不同負載時應考慮的問題

圖1所示電路作直流電源用時，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題。我們一般常說的負載概念以阻、容、感三種特性都同時存在，但以阻性為主。

1）負載以阻性為主時

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

2）負載以容性為主時

如果所帶負載是純電容或以容性為主時（如電容器、蓄電池，或作電鍍、電解電源用時），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DC＋、DC－從d、e兩處斷開分別與CF97044B的Vfs、Vgnd相連接，如圖1虛線所示。當然限流設定值需用戶根據自己的使用要求而設定。

3）負載以感性為主時

如果所帶負載是純電感或以感性為主時（如直流電機、電磁振動機等），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一個整流二極管D₄，如圖1中虛線所示。

4 浮充電電源

作為充電電源用時，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，即離線式和在線式。離線式是指將放完電的空電池連接在電源上進行充電，充滿電后再將其斷開；在線式是指充滿電后也不斷開，仍掛在電源上繼續進行浮充電，所以叫浮充電源，在電力行業也叫直流操作電源。

首先討論離線式工作方式，在離線式中又有簡單充電和精密充電之分，簡單充電是指電池充電次數比較頻繁，充電質量要求不高的場合，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，充電質量要求高的場合，如給干電池充電等。精密充電需經過恒流均充、恒壓均充和恒壓浮充等三個階段。

簡單充電對充電電源的功率要求不高，只有兩個或一個充電工作階段，一般電源即能滿足要求。恒流和恒壓均充狀態的轉換，是人工利用手動轉換開關K來實現的，當然也可用一個定時器來控制K，實現自動轉換的工作方式。

而廣泛應用于電力、石油化工、紡織行業及各大工礦企業變電站、配電室中的浮充電源，又稱之為直流操作電源。在實際應用中，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還向動力合閘母線、信號控制母線電路供電。

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

3）由于動力母線合閘時，蓄電池釋放了大量的電能，所以合閘過后，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還能向其它負載電路供電；二是充電方式合理化和充電過程自動化。這是工作環境對浮充電源的要求，也稱為電源的輸出特性，如圖4所示。

1）當在交流電網失電或動力母線合閘放電后，蓄電池電壓降低至某一值A時，電源自動開始對蓄電池進行大電流充電，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，則自動轉入恒壓均充電B—C段，該段在給定時間內結束。

3）恒壓均充電結束后轉入恒壓浮充電D—F段，蓄電池處于充滿電備用階段。

4）當動力母線合閘時，蓄電池快速放電，電壓又降至A點。F—A為合閘瞬間段。

5）當交流電網停電時，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個穩壓限流和穩流限壓調節及工作狀態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變電站改造直流電源時采用的實際電路圖。

4.4 浮充電電源的工作過程

該電源的工作方式分手動控制和自動控制2種。在手動控制下分為穩壓和穩流2種工作狀態；在自動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，這5種工作狀態的運行都是由圖5所示控制電路完成。

圖5 控制電路

圖中：K₁—手動和自動切換開關K₂—穩壓和穩流切換開關RP₁—手動控制下的給定值調節旋鈕

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

在手動控制方式下，由人工調節K₁，K₂和RP₁來完成2種狀態的轉換工作；在自動控制方式時，所有檢測轉換工作都是由電源自身自動完成。圖5中，由U₃，R₁，R₂，R₃，C₃和C₄組成一個交流停電的自動計時電路，當停電時間超過設定值時，則將U₄置“0”，交流復電后電源自動轉入恒流均充電狀態下工作；否則，復電后電源自動轉入恒壓浮充電狀態下工作。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。在穩壓狀態下工作時，U₂電路起穩壓調節作用，U₁電路起限流調節作用；相反在穩流狀態下工作時，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，自動轉入恒流均充電狀態；當VC－D高于VB給定值時，則自動轉入恒壓均充電狀態，經1h延時后則自動轉入恒壓浮充電狀態，至此完成一個圖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下。

5 結語

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程和變電站現場操作人員的使用經驗總結出來的，經多處實際使用結果表明，該電源是一種較為理想的直流操作電源。