基于TCF792B的多功能晶闸管触发装置的研制

徐俊华，李啸骢，陈葆超，王婷婷，周海龙

(广西大学电气工程学院，广西南宁530004)

0 引言

TCF792A和TCF792B是单相、三相通用数字相位控制触发电路，在电路功能上全面兼容TC787，TC788，TC790A，TC790B，TCA785，KJ004，KJ041，KJ04等几乎所有种类的单、三相移相触发电路，性价比高，是新一代的数字移相电路。

TCF792B主要适用于50Hz工频范围，其主要特点如下:脉冲宽度采用电压控制，无需移相电容;具有补偿范围为0-60°的同步信号补偿功能;简化了整流变压器的接线组别，可用于任意相整流电路;可以选择线性移相或者余弦移相;既可用于单相、三相半控与全控可控硅整流桥触发和单相、三相交流调压反并联与双向可控硅触发，又可用于晶体管类变频、变压、逆变控制电路;可有效防止频率变化引起的失控和颠覆现象;具有自动识別相序功能，现场应用方便等[1]。目前，TCF792B已经逐渐获得推广应用[2，3]。

本文以通用数字相位控制触发电路芯片TCF792B为基础，充分利用其特点，研制了一款具有如下主要特点的多功能晶闸管触发装置:①可以选择半控或者全控触发脉冲输出;②可以选择线性移相或者余弦移相;③具备相序自动识别功能，不用考虑整流变压器的接线组别;④接口方便，可灵活的与实际工业自动控制系统建立连接;⑤触发脉冲角度的控制可以采用手动和自动两种控制模式等。我们已经将新研制的触发装置安装到实际的同步发电机微机励磁装置上，做了一系列的静态调试试验和动态试验。试验结果表明，新研制的触发装置工作稳定可靠，性能优良。我院新研制的触发装置既可用于“电力电子技术”等课程的实验教学，还可用于同步发电机、风力发电机和电动机等设备的控制系统中，使该装置具有良好的应用前景。

1 TCF792B的基本原理及使用简介

TCF792B 的原理结构简图如图1所示[1，2]。其工作电源电压为5V，输入输出端口兼容TTL电平，可方便地与其他数字电路连接。振荡器采用生产商在制造时固定的内部振荡电路。同步信号为方波，由7脚引入，方波的下降沿正好是A相电压由负变正时的过零点。方波信号经过180°倍频后，进入数字运算控制单元用于形成控制信号，调制波脉冲、相位分配等信号由此产生。半控单脉冲或全控双脉冲选择、矩形波或调制波选择、线性移相或余弦移相选择、正相序输出或反相序输出选择，分别由15、17、18和19脚悬空或接地进行控制。16脚一般用于过载或短路保护，若接地则闭锁所有的输出。芯片内含有自动上电复位电路。另外，TCF792B内置有硬件看门狗电路，能对因干扰引起的数字电路运行节拍混乱进行纠正。六路脉冲分别由 2、3、6、8、9和11脚输出。

图1 TCF792B的原理结构简图

TCF792B的其它管脚功能及基本使用方法详见参考文献[1，2]，这里不再赘述。

2 主触发电路设计

基于TCF792B的三相半控晶闸管整流桥触发装置主电路原理图如图2所示。

由于TCF 792B采用单相同步采样，一般只引入A相电压作为同步电压即可。从励 磁变压器输出的A相电压Ua经R1、R2、R3和D1、D2削波限幅后，由R4输入电压比较器74LM358的负输入端，Ua正半波时比较器输出低电平，负半波时输出高电平，正弦波转换成了方波，再通过光耦隔离后从同步信号输入端子Tb引入到芯片内，作为形成触发脉冲的同步信号。方波整形电路中的电容C1主要用于去除Ua过零点附近的毛刺，而滤波导致的相位滞后则可通过RW2调整相位补偿电位输入端Xb的电位来补偿。为了防止相序错误导致的触发混乱，增加B相辅助信号来判断触发脉冲是正序输出还是负序输出，使设计出的触发电路具备相序自动识别功能。B相电压经方波整形电路以及光电耦合后以方波形式输入到反序输出选择端子Fx，TCF792B会在A相同步信号对应的方波下降沿时刻锁存Fx端口电位，若锁存的是高电平，则表明辅助信号正是B相电压，触发脉冲按正序输出，否则表明引入的辅助信号是C相电压，芯片按负序输出触发脉冲。

手动方式或者自动方式形成的控制电压通过输入引脚Vk引入到芯片内，控制触发角的大小。全控双脉冲或半控单脉冲选择、调制波或矩形波选择、余弦移相或线性移相选择、正相序输出或反相序输出选择，分别由15、17、18和19脚接地或悬空进行控制。调整RW1可以在0～178°范围内改变脉冲宽度。

TCF792B输出的触发脉冲功率较小，需要经过脉冲功率放大之后才能成功触发晶闸管导通。脉冲变压器TB1由铁钛氧圆形磁罐做成，除起阻抗变换作用以外，还与VT1构成强、弱电路隔离环节。二极管D5在TB突然关断时可以起续流作用，D6、D7主要用于保护晶闸管触发极。

3 调试试验

3.1 试验系统原理

为了调试新研制的触发装置并检验其性能，我们将新研制的触发装置安装到实际的同步发电机微机励磁装置上，做了一系列的静态调试试验和动态试验。试验系统的原理图如图3所示。

图3 试验系统原理图

上图所示的试验系统实质上是同步发电机励磁自动控制系统，主要由模拟同步发电机、微机励磁系统以及配套的整流变压器、电压互感器和电流互感器等部分组成。模拟同步发电机的额定有功功率为5 kW，额定机端电压为380 V。微机励磁系统包括微机励磁调节器和励磁功率单元。励磁调节器主要由模拟量输入处理单元、开关量输入输出模块、控制核心、触摸屏、手动通道以及本文研制的TCF792B触发装置等几个部分组成。控制核心采用的励磁控制策略为多指标非线性励磁控制，关于多指标非线性励磁控制相关的内容可以参考文献[4，5]，这里不赘述。微机励磁调节器手动通道或自动通道输出的控制电压Vk通过控制TCF792B触发装置形成触发脉冲，从而控制励磁功率单元中的三相半控晶闸管整流桥的导通，最终控制同步发电机的励磁。转换开关QS用于选择励磁方式为自并励或者他励，其中他励电源取自380 V交流市电。关于同步发电机微机励磁控制的原理，可参考文献[6]。

静态调试试验时，通过切换转换开关QS选择励磁方式为他励。

3.2 静态调试试验

(1)线性移相静态调试

设置TCF792B为线性移相方式，得到线性移相静态调试试验结果如图4和图5所示。这里要指出的是，由于试验系统的整流桥采用的是三相半控桥，因此，本文调试试验中的触发脉冲为单脉冲。

图4 线性移相静态调试试验波形

图5 线性移相时实测控制角与计算控制角对比图

图4是用示波器记录的线性移相静态试验波形。图中，Ua、Ub、Uc为三相交流同步电压，+A触发脉冲为经功率放大之后可直接用于控制晶闸管导通的触发脉冲，需要指出的是，触发脉冲的幅值实际为4.5 V左右，为了方便与同步信号进行比较，故用示波器记录时，将其幅值相对同步电压放大了10倍并将波形调整到图中所示位置(下同)。其中，图4(a)是控制电压Vk为0 V时的静态试验波形，此时+A触发脉冲的触发角约为2°;图4(b)是+A触发脉冲触发角为60°时的静态试验波形。由图可见，新研制的触发装置采用线性移相时产生的触发脉冲波形平滑，前沿较陡，而且可以与晶闸管的阳极电压同步。

图5是在整个移相范围内，移相方式为线性移相时，实测控制角与计算控制角的对比图。其中计算控制角是根据线性移相时，输入电压0～VCC，线性对应控制移相角2～178°得到的。考虑到同步发电机励磁控制的实际需要，我们将触发角的范围设定在2°～160°(余弦移相也一样)。由图可见，当新研制的触发装置采用线性移相时，在整个移相范围内的实测控制角与计算控制角的大小基本一致，即在整个移相范围内都可以正确形成触发脉冲。

(2)余弦移相静态调试

设置TCF792B为余弦移相方式，得到余弦移相静态调试试验结果如图6和图7所示。

图6 余弦移相静态调试试验波

图7 余弦移相时实测控制角与计算控制角对比图

图6是用示波器记录的余弦移相静态试验波形。其中，图6(a)是控制电压Vk为0V时的静态试验波形，此时+A触发脉冲的触发角约为0°;图6(b)是+A触发脉冲触发角为120°时的静态试验波形。可见，新研制的触发装置采用余弦移相时产生的触发脉冲波形平滑，前沿较陡，并与晶闸管的阳极电压同步。

图7是在整个移相范围内，移相方式为余弦移相时，实测控制角与计算控制角的对比图。其中计算控制角是根据余弦移相时输出移相角α与控制电压Vk的关系式:α=arcCos[(Vcc-2Vk)/Vcc)得到的。由图可见，当新研制的触发装置采用余弦移相时，在整个移相范围内的实测控制角与理论计算控制角的大小也基本一致，即在整个移相范围内都可以正确形成触发脉冲。

3.3 动态试验

我们采用图3所示的试验平台，进行一系列的励磁系统动态试验，用于考核触发装置的工作性能。进行动态试验时，励磁方式设置为自并励，移相方式选为余弦移相。下面，我们对其中最典型的起励试验进行分析。

图8是励磁系统的起励试验波形。图中，IL表示励磁电流，UL代表励磁电压，UGA、UGB、UGC为三相机端电压。图8所示起励试验波形的性能指标如下:端电压超调量为3%，振荡次数0.5次/秒，调节时间2.3 s。可见，起励性能指标完全满足相关国标的要求[7]。而励磁系统的性能指标与触发脉冲形成环节的性能密切相关，因此，通过图8所示的起励波形以及起励完成之后的空载运行波形可知，本文研制的TCF792B触发装置，可以根据控制电压准确、稳定的形成触发脉冲，控制晶闸管整流桥的导通，晶闸管整流桥输出的直流电压波形平滑。

图8 励磁系统起励试验波形

4 结语

本文研制了一款基于新一代集成数字相位控制触发芯片TCF792B的多功能晶闸管触发装置，并将新研制的触发装置安装到实际的同步发电机微机励磁装置上，做了一系列的静态调试试验和动态试验。试验结果表明，TCF792B触发装置功能丰富，接口方便，工作稳定可靠，性能优良。新研制的触发装置即可用于“电力电子技术”等课程的实验教学，还可用于同步发电机、风力发电机、电动机等设备的控制系统中，具有良好的应用前景。

[1]陈善基.基于TCF792的晶闸管整流电路[J].西安:国外电子元器件，2008(12):82-86.

[2]白雪峰，李沛，宋晓娜.基于TCF792B的三相全控桥式整流实验装置的研制[J].北京:中国电力教育，2010年管理论丛与技术研究专刊:162-164.

[3]梁涛，黄玥.基于TCF792的风电机组软并网控制器的设计[J].南京:机械制造与自动化，2013，42(5):157-159.

[4]李啸骢，程时杰，韦化等.一种高性能的非线性励磁控制[J].北京:中国电机工程学报，2003，23(12):37-42.

[5]李啸骢，程时杰，王少荣.发电机多目标非线性抗扰励磁控制方法及装置[P].中国发明专利:CN1363991，2002-08-14.

[6]陆继明，毛承雄，范澍，王丹.同步发电机微机励磁控制[M].北京:中国电力出版社，2005.

[7]GB/T7409.3-2007，同步发电机励磁系统 大、中型同步发电机励磁系统技术要求[S].北京:中国标准出版社，2007.