电力机车二段桥整流电路在实验教学中的模拟实现

孙 进 辉

(中国人民武装警察部队学院 训练部， 河北 廊坊 065000)



电力机车二段桥整流电路在实验教学中的模拟实现

孙 进 辉

(中国人民武装警察部队学院 训练部， 河北 廊坊 065000)

交直传动的交流电力机车动车，采用多段桥式整流器向脉流电动机供电驱动。而多段桥整流电路的基础是二段桥整流电路。在开放实验中引导学生创新思维，开拓视野，综合所学知识，通过对集成触发器 TCA785的主要功能及应用方法的学习，并用其组成二段桥整流电路模拟实现了电力机车多段桥整流电路的原理，实验效果良好。

TCA785； 移相触发器； 整流电路

0 引 言

随着我国国民经济持续快速、稳定的增长，带动了运输行业的爆炸式发展，其中铁路运输作为主要运输手段占有很大比重。但是铁路客货运量年均增长程度仍然落后于同期国民经济总量的增长增幅，铁路运输对社会经济的瓶颈制约仍然没有从根本上得到缓解[1]，由此引发了新技术的应用以及大规模投资。电力机车以其牵引性能好、功率大、体积小、功率因数高、可靠性高、不污染环境等特点得到广泛应用。在我国，目前电力机车已经普及，尤其是高速、重载列车都是使用电力机车进行牵引。

电力机车与传统内燃机车的最大区别就是动力源不同，电力机车的能量来自接触网，其他如走行部、车体等并没有本质区别。电力机车先通过电弓从接触网上受电，经过机车上的牵引变压器、整流柜、逆变，然后传入牵引电机带动机车。一般情况下，通过调节晶闸管的导通角度来调节功率，从而进行调速，只要求合理调节逆变的频率和整流的电压就能保证功率因数。当电力机车的速度和功率越来越高时，所要求的直流电压就会越高，同时制动时反电势越高，对主电路器件的耐压值也越来越高。但鉴于单个分立器件的额定工作电压耐压值达不到要求，因此需要从电路上对这一问题进行解决。目前通用的解决方法是桥式整流电路多段串联，但多段串联的整流电路对触发电路又提出了新的要求。在开放实验教学中，为了开拓学生视野，综合运用所学知识，我们以二段桥整流电路为例阐述了整流电路的工作过程，把理论中的电路拓扑转化成了实际的电路，达到了很好的效果。

1 器件的选择

整流电路的作用是把交流电能转换为脉动性直流电，这个过程就是我们平常所说的交流电的整流，通常由整流二极管和晶闸管组成整流电路。交流电经过整流之后的电压已经不再是交流电压，习惯上称单向脉动性直流电压。它常常被用于调节直流电动机的转速。

二段桥电路实际是为了得到较高的直流电压而把两个整流电路串联起来使用的一种电路，他的输出电压可以达到单桥输出电压的两倍。

1.1 晶闸管与触发器的选择

主电路晶闸管选用高耐压值且触发一致性较好的BT151，触发电路采用工作稳定可靠的集成触发电路TCA785。

1.2 TCA785简介

与其它触发电路芯片相比，TCA785具有对过零点的识别更加可靠、输出脉冲的整齐度好、温度适用范围宽、移相范围宽等优点。另外，由于它可以手动自由调节输出脉冲的宽度，因此使其适用范围更加广泛[2]。

TCA785为标准双列直插式16引脚大规模集成电路，由同步过零检测电路、放电监视比较器、同步寄存器、移相比较器、脉冲形成与分配控制电路等几部分组成的。其中管脚10为片内产生的同步锯齿波，其斜率由管脚9、10两脚的外接电阻与电容决定。通过与管脚11的外接控制电压相比较，在管脚15和14可输出同步的脉冲信号，脉冲输出电流≤400 mA，而管脚2、3、4、7的输出电流≤10 mA，脉冲输出电压高电平为2.5 V、低电平为0. 8 V。因此，改变11脚的控制电压，就可以改变触发脉冲的触发角T，实现移相控制，脉冲移相范围为0～180°；脉冲的宽度则由管脚12的外接电容值决定，当选择双窄脉冲的驱动方式时，12脚应接150 pF电容。实际上，有几十个μs的脉冲宽度即可使晶闸管正常导通[3-9]。TCA785的工作环境温度为-25～85℃，工作频率为10～500 Hz。

1.3 利用TCA785实现相控整流

由于TCA785能够输出两路相位互差180°的脉冲信号，所以它可以方便地用于单相全波、单相半控桥或全控桥式整流电路中，三片TCA785可用于三相半波、三相桥式全控或半控整流电路中，进而实现用户需要的温度控制、电压调节、转速调整等目的。

通常实现三相桥式相控整流的一般方法是利用三相同步变压器从电源进线端引入三路同步信号，这样，将同步信号整形后分别输到三片TCA785的5脚，就能控制6只晶闸管，然后通过引脚复用即可实现双窄脉冲方式驱动。三片TCA785引脚与其对应控制的晶闸管的对应关系见表1。而晶闸管通过一个△/Y型同步变压器为TCA785提供同步信号，当进线相序(如图1所示)为正序A、B、C时，同步变压器的三个输出端所对应的中性点的实际电压向量为AC、BA、CB，将AC接至TCA785(A)，BA接至TCA785(B)，CB接至TCA785(C)，即可实现正序输入时晶闸管的同步驱动。现以T5～T1换流为例进行分析：T5至T1管自然换流点滞后于A相由负到正过零点30°，即TCA785(A)的15脚输出至少应该滞后于该过零点30°，而电压AC由负到正过零点正好滞后于A相30°，因而用AC作为TCA785(A)的同步信号就可以实现最大范围的移相控制。

TCA785引脚晶闸管晶闸管785(A)15脚T1T6785(C)14脚T2T1785(B)15脚T3T2785(A)14脚T4T3785(C)15脚T5T4785(B)14脚T6T5

其它晶闸管的分析与此类似，即用相应的线电压代替相电压作为同步信号。图2所示是一个周期的驱动时序。从A相的自然换流点开始，上、下桥臂晶闸管驱动顺序分别为：1→1→3→3→5→5→1和6→2→2→4→4→6→6。

1.4 TCA785使用中应注意的几个问题

在实验中我们发现，如果直接利用同步变压器的输出作为同步信号，只能在一种输入相序(正序或者逆序)下工作，一旦输入相序接法改变，整流就不能正常进行。当输入相序为正序时，根据前述接线方法，可以使相控整流正常工作；当输入接成逆序时会出现一相进线没有电流的情况，这在电源输出功率过大时会

损坏晶闸管。我们可以通过改进同步信号获取电路来做到整流与输入相序无关，解决因相序接错损坏晶闸管的问题。

三相全控桥式整流进线电流是一种不连续的兔耳状尖峰电流。当电源阻性负载较重(阻性电流大于150A)时，由于需要大量的有功功率，因此该尖峰电流峰值较大。尖峰电流在电源进线电阻上会产生一定的压降。该电流产生的压降与输入正弦波叠加后送到同步变压器输入端，可作为同步信号提供给TCA785芯片。实验中发现，该叠加电压在过零点附近存在抖动现象。由于TCA785对过零点检测极为灵敏，从而导

致芯片第10脚锯齿波斜边也发生抖动，这样，由输出反馈到11脚的控制电压即使没有改变，TCA785输出的驱动脉冲也会存在移相，引起的结果是进线电流峰值变化很大，进而在直流平波电抗器上引起强烈的振动，甚至对电网造成冲击。解决的办法是在进线处加上电感滤波，以平滑进线电流，滤除谐波。

由于TCA785是利用检测过零点的原理来实现同步的，因此，如果从同步变压器过来的信号都是正弦信号，正弦波的幅值过小，那么，就不能提供清晰的过零点，同时，电磁干扰也可能导致过零点检测错误，但是，正弦波的幅值过大又会超过芯片的同步电压输入范围，所以应当将同步信号整形成方波，来保证清晰的过零点电平[10-12]。

2 电路工作介绍

2.1 给定电路

二段桥整流电路如图3所示。给定器采用模拟给定方式，为实现一个给定电位器控制两路触发电路的移向，给定器采用如图左边部分LM324C、LM324D、RP1、RP2、RP3组成的运算放大器。调试时，在RP1为0 V的情况下调节RP2使②处的输出电压为5 V, 调节RP3使③处的输出电压为10 V。这样在RP1从0～5 V变化时②处电压在5～0 V之间变化，③处电压在10～5 V之间变化; RP1从5～10 V变化时②处电压维持在0 V不变，③处电压在5～0 V之间变化，满足移相电路对触发电平的要求。

图3 二段桥整流电路

2.2 触发电路

触发电路采用两片TCA785，同步信号取自于和主电路同步的经变压器变为AC15V的交流信号，脉冲信号取TCA785的14、15脚的两路相位相差180度的脉冲信号。分别调节电位器RP4、RP5，用示波器观测④、⑤处的三角波形，使三角波的峰峰值调为5 V。满足移相电路对触发电平的要求。RP1从0～5 V变化时U2的输出波形在0～180度之间变化，U3不变化; RP1从5～10 V变化时U3的输出波形在0-180度之间变化，U2不变化。

2.3 脉冲放大电路

脉冲放大电路可把主电路和驱动电路完全隔离开来，使强电和弱电完全隔离。脉冲变压器采用一致性较好的KCB6743A，变比1∶1。

2.4 主电路

主电路的四个晶闸管(SCR1、SCR2、SCR3、SCR4)要放置在如图所示的桥壁的一侧，这样才能保证在其中一段桥没用触发时，另一段桥整流出来的直流电压能够加到负载上去。主电路的供电方式如图4所示。

为了保证学生实验安全，主电路的输入电压采用AC110V，实际工作中可根据所需电压增高主电路的输入电压，相位关系不变。

调节给定电位器RP1，整流电路的SCR1、SCR2开始触发导通，OUT的输出电压逐渐升高，当RP1调整到5 V时，SCR1、SCR2所在的一段桥完全导通，由一段桥整流出来的直流电压达到最大值。继续同方向调节电位器RP1，整流电路的SCR3、SCR4开始触发导通，SCR3、SCR4所在的第二段桥整流出来的直流电压叠加在一段桥上继续输出，OUT口的输出电压在一段桥整流输出电压的基础上继续升高。调节电位器RP1的同时用示波器探头衰减后观测OUT口的输出波形可清楚的观测到整流输出波形的叠加全过程[13-16]。

第一段桥不同导通角时的整流输出波形图如图5所示。

第一段桥完全导通后，第二段桥不同导通角时的整流输出波形图如图6所示。

3 结 语

该实验是对非电类专业学生进行开放实验的一个项目，它不仅培养了学生的创新能力，同时也开阔了学生的视野，提高了学生的分析问题、解决问题的能力。创新是民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭源泉，也是中华民族最深沉的民族禀赋。高校作为培养学生的创新能力的主阵地，必须加大开放实验的开设力度，引导学生创新思维，培养更多具有综合素质的人才。

图5 第一段桥不同导通角时的整流输出波形

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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

孙进辉(1971-)，男，河北正定人，硕士，高级工程师，主要从事实验教学管理与实验室建设。

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

TN 710

A

1006-7167(2015)03-0096-05