電力機車二段橋整流電路在實驗教學中的模擬實現

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

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新思維，開拓視野，綜合所學知識，通過對集成觸發器 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； 移相觸發器； 整流電路

0 引 言

隨著我國國民經濟持續快速、穩定的增長，帶動了運輸行業的爆炸式發展，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濟總量的增長增幅，鐵路運輸對社會經濟的瓶頸制約仍然沒有從根本上得到緩解[1]，由此引發了新技術的應用以及大規模投資。電力機車以其牽引性能好、功率大、體積小、功率因數高、可靠性高、不污染環境等特點得到廣泛應用。在我國，目前電力機車已經普及，尤其是高速、重載列車都是使用電力機車進行牽引。

電力機車與傳統內燃機車的最大區別就是動力源不同，電力機車的能量來自接觸網，其他如走行部、車體等并沒有本質區別。電力機車先通過電弓從接觸網上受電，經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，通過調節晶閘管的導通角度來調節功率，從而進行調速，只要求合理調節逆變的頻率和整流的電壓就能保證功率因數。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，但多段串聯的整流電路對觸發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。交流電經過整流之后的電壓已經不再是交流電壓，習慣上稱單向脈動性直流電壓。它常常被用于調節直流電動機的轉速。

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 晶閘管與觸發器的選擇

主電路晶閘管選用高耐壓值且觸發一致性較好的BT151，觸發電路采用工作穩定可靠的集成觸發電路TCA785。

1.2 TCA785簡介

與其它觸發電路芯片相比，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、移相范圍寬等優點。另外，由于它可以手動自由調節輸出脈沖的寬度，因此使其適用范圍更加廣泛[2]。

TCA785為標準雙列直插式16引腳大規模集成電路，由同步過零檢測電路、放電監視比較器、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為片內產生的同步鋸齒波，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，就可以改變觸發脈沖的觸發角T，實現移相控制，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的工作環境溫度為-25～85℃，工作頻率為10～500 Hz。

1.3 利用TCA785實現相控整流

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，進而實現用戶需要的溫度控制、電壓調節、轉速調整等目的。

通常實現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到三片TCA785的5腳，就能控制6只晶閘管，然后通過引腳復用即可實現雙窄脈沖方式驅動。三片TCA785引腳與其對應控制的晶閘管的對應關系見表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)，即可實現正序輸入時晶閘管的同步驅動。現以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動時序。從A相的自然換流點開始，上、下橋臂晶閘管驅動順序分別為：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

在實驗中我們發現，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，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生一定的壓降。該電流產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。實驗中發現，該疊加電壓在過零點附近存在抖動現象。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輸出的驅動脈沖也會存在移相，引起的結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，為實現一個給定電位器控制兩路觸發電路的移向，給定器采用如圖左邊部分LM324C、LM324D、RP1、RP2、RP3組成的運算放大器。調試時，在RP1為0 V的情況下調節RP2使②處的輸出電壓為5 V, 調節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電平的要求。

圖3 二段橋整流電路

2.2 觸發電路

觸發電路采用兩片TCA785，同步信號取自于和主電路同步的經變壓器變為AC15V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。分別調節電位器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為5 V。滿足移相電路對觸發電平的要求。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，這樣才能保證在其中一段橋沒用觸發時，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，實際工作中可根據所需電壓增高主電路的輸入電壓，相位關系不變。

調節給定電位器RP1，整流電路的SCR1、SCR2開始觸發導通，OUT的輸出電壓逐漸升高，當RP1調整到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。繼續同方向調節電位器RP1，整流電路的SCR3、SCR4開始觸發導通，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升高。調節電位器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 語

該實驗是對非電類專業學生進行開放實驗的一個項目，它不僅培養了學生的創新能力，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。創新是民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭源泉，也是中華民族最深沉的民族稟賦。高校作為培養學生的創新能力的主陣地，必須加大開放實驗的開設力度，引導學生創新思維，培養更多具有綜合素質的人才。

圖5 第一段橋不同導通角時的整流輸出波形

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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