锁相环在全控制整流桥中的应用

1目录一引言............................................................................................11.1课题的意义、内容和目的...............................................................11.2国内外发展状况、指导思想及本设计中存在的主要的技术问题......1二设计原理和方案选择.................................................................32.1设计原理.......................................................................................32.2设计方案的选择............................................................................32.3核心器件的选择............................................................................3三系统的总体设计与原理.............................................................53.1系统综述.......................................................................................53.2系统的构成...................................................................................53.3系统的工作原理及分析.................................................................63.4部分单元的设计思想及方法..........................................................9四试验结果..................................................................................12五结束语......................................................................................13谢辞..............................................................................................13参考文献..........................................................................................151一引言1.1课题的意义、内容和目的晶闸管电力变流技术的核心控制技术是触发电路,它要求触发电路的可靠性高,对称性好.早期的分离元件构成的触发电路,由于元件参数的分散性，同步电压波形畸变都会导致三相触发电路中各个触发器的移相特性不一致,对称性、可靠性差,调试困难,现已逐步被淘汰.一些升级换代的计算机产品靠本身晶振构成的时钟决定触发角,机内时钟不能与工频电源同步,所以当工频电源频率有波动时必然产生触发误差,虽对触发精度影响不是很大,但属于原理性误差,应设法消除。三相全控桥可控硅整流系统的触发电路，一般采用同步信号为正弦波触发，或同步信号为锯齿波触发电路等形式，其同步环节需要同步变压器，而且同步变压器还要有一定的绕组方式。此外这种触发电路也比较复杂，成本较高，而且调试也比较麻烦。应用运算放大器、锁相环、脉冲分配器等构成的集成电路，可以完成可控硅同步触发电路的功能，并且电路简单，性能稳定，调试方便。锁相环路具有稳定被控振荡器的输出频率和相位、使之与外来的信号同步的功能。将锁相环路应用在可控硅触发电路上，就是以某一线电压（相电压）为基准，锁定被控振荡器输出脉冲，使之在某一频率和相位上与这一基准电压同步，再由脉冲分配器按一定的顺序分配这一脉冲给六个触发单元。设计方案中采用CD4046B锁相环进行锁相控制，CD4015B作为分频控制，分频得到六路脉冲，控制晶闸管得导通，从而达到设计要求，即能产生相位互差60度的触发脉冲，依次触发六个桥臂的可控硅，触发脉冲的重复频率必须与工频电网频率相同，相位与各相电压有特定的关系，即两者必须同步。1.2国内外发展状况、指导思想及本设计中存在的主要的技术问题移相触发电路可广泛应用在各种控制电路中，但传统的模拟多相触发电路存在着电路复杂，线性差，精度低等缺点。单结晶体管组成的触发电路产生窄脉冲，输出功率小，不能很好的满足电感性或反电动势负载的需要，移相范围也受到限制。在要求较高、功率较大的晶闸管装置中，大多采用晶体管组成的出发电路，其中，最常用的是同步信号为正弦波移相和锯齿波移相触发电路两种。而正弦波移相触发电路由于同步电压直接受电网的波动及干扰影响较大，特别是电源电压波形畸变时，导致整个装置工作不稳定。正弦波移相理论上分析移相范围可达0到180度。实际上由于正弦波顶部平坦与移相电压交点不明确而无法正常工作。锯齿波同步移相触发电路，不直接受电网波动与波形畸变的影响，移相范围宽，克服了正弦波移相的缺点，因此得到广泛应用。近年来集成触发器已得到广泛的应用，它比分立元件体积小、可靠性高，调试使用方便。对于三相可控整流装置，触发电路与主电路的同步是很重要的，通常是通过同步变压器的不同连接来获得所要求相位的同步信号电压。2三相全控整流的关键是触发电路，而一般的触发电路总会出现相位上的误差，本设计采用数字锁相环控制的方法实现触发六路脉冲的同步，以达到控制的要求。鉴相器、低通滤波器、振荡器以及分频器构成锁相环触发电路，三相电压经同步控制与锁相环的输出保持同步以达到输出准确的触发脉冲，控制三相全控整流电路。由于锁相技术的应用，使得该触发装置输出的触发脉冲具有高对称性、均衡性，克服了KC、KJ系列同类产品的诸多缺点，大大减少了对电网的谐波干扰。本设计采用数字锁相环控制技术，使得输出相位以及频率跟踪输入的变化，从而保证了输入输出的同步，而移相环节是通过与电网同步的锯齿波与一固定的线电压进行比较，使其在0到180度之间可调，从而控制其移相。在实际的设计过程中，同步控制、锁相控制以及分频器的构成成为了设计中首要解决的问题，为了要解决这些问题，必须对模拟电路、数字电路进行认真的研究及分析，从而设计出合理的电路。3二设计原理和方案选择2.1设计原理设计中要产生六路相位依次相差60度的双窄脉冲，依次控制触发六个晶闸管导通。对触发电路的要求是：与主电路同步，能平稳移相且有足够的移相范围，脉冲前沿必须陡且有足够的幅值与脉宽，稳定性和抗干扰性好等。采用以下方案，如框图2-1所示：采用锯齿波同步移相触发，首先是同步控制环节，用与工频电网频率相同的单相电源，通过电容的充放电原理，产生与之同步的锯齿波，实现初步的相位和频率的同步。使得同步信号不受外界电网波动和畸变的影响。然后是移相环节，同步控制环节产生的相位和频率同步的锯齿波用来与后面的一给定电压进行比较，这样移相的特点是使得同步信号能在0到180度之间大范围移相。比较器输出产生的方波作为锁相控制环节的输入，进一步通过锁相环进行锁定频率和相位，使得相位和频率严格同步，再经过分频器进行分频产生六路脉冲。图2-1电路设计的原理框图2.2设计方案的选择传统的触发电路需多相同步信号，容易受电网波形畸变和频率波动的影响，其输出脉冲不能确保三相平衡及各相正负半波对称。在实际生产中，几乎不可能使各相可控硅触发电路的参数、性能保持一致，一般只能通过挑选元件和精心调试，使其相近。因此，使用这种触发电路的装置，其触发板的互换性差，调试麻烦，维护工作量大，故障率高。为克服装置的这些缺点，本设计利用锁相技术的模拟、数字触发器，属于单通道型数字电路，只需单相同步信号，所用元器件不用特殊精选，电路工作状态便能自动确定，无需调整，既有线路简单、分辨率高，与外部信号连接灵活容易的移相触发器的长处，又有各相之间移相均匀、长期稳定性优异的数字触发器的特点。另外，它既可单独应用在一般的设备中，又可受控于微处理器应用在程控设备中。其触发不对称度可做到±0.5度左右，具有很高的性能价格比。2.3核心器件的选择设计中最为重要的一部分就是锁相环的选择与应用。锁相环是指一种电路或者模块，锁相环有很多种类,可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的,可以用于恢复载波，也可以用于恢复基带信号时钟。锁相环是一个负反馈环路结构。同步控制移相控制三相全控整流桥单相电源锁相控制分频控制4本设计锁相环采用CD4046B，是微功率集成数字锁相环，其主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）、低通滤波器三部分组成，如图2-2所示。压控振荡器的输出0u接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低取决于低通滤波器上建立起来的平均电压du的大小。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号iu和来自压控振荡器的输出信号0u相比较，比较结果产生的误差输出电压1u正比于iu和0u两个信号的相位差，然后经过低通滤波器滤除高频成分后，得到一个平均值电压du。这个平均值电压du朝着减小压控振荡器的输出频率和输入频率之差的方向变化，直至压控振荡器的输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。图2-2锁相环的构成当锁相环入锁时，压控振荡器还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环则能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上（即负反馈环的作用）。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率不等于VCO输出信号频率，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。设计的另一重要的过程就是分频器的选择和使用。一般的分频电路作用为合理地分割各单元的工作频段。其分频点的选择要涉及很多东西，相当的冗余。而本设计分频点相当明确，恰好可以利用前面锁相环中压控振荡器频率与相位的特点，采用移位寄存器构成环形计数器，进行六位环形计数，以达到六分频的效果。本设计移位寄存器采用双四位静态移位寄存器CD4015B，它内部由两个完全独立的串入\并出静态移位寄存器组成，每个寄存器由四个D触发器构成，在电路中需要级联后构成六位环形计数器后再用作分频器，级联后八个寄存器共用同一个CP脉冲，同时在各寄存器的D主从触发器输出端获取各相触发控制脉冲。输入信号Ui误差电压U1控制电压Ud输出信号U0比较信号Y0相位比较器低通滤波器压控振荡器5三系统的总体设计与原理3.1系统综述本系统共包括同步控制、移相控制、锁相、分频分相、脉冲形成、功率放大五个部分，其中，同步移相部分采用纯模拟电路，其余部分都是数字电路，主要部件都使用高抗干扰的CMOS集成器件。同步环节是本设计的关键所在，采用锯齿波移相触发电路的控制方式，它保证了输出电网的频率与工频电网频率相等，并且同步控制电压不受外界电网波动的影响，从而保证了移相的稳定性及移相的范围。而移相则使用同步产生的锯齿波与来自系统调节器的相位控制信号（在本电路中采用一可调的给定电压来模拟实现）进行比较，形成相