第四章 交流开关与交流调压Word文档下载推荐.docx

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图4-1（a）为普通晶闸管反并联的交流开关，当Q合上时，靠管子本身的阳极电压作为触发电压，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发，负载上得到的基本上是正弦电压。

图（b）采用双向晶闸管，Q闭合VT即导通，为I+、Ⅲ-触发方式，Q断开VT即在电流过零时自然关断；

电路中的R1、C1组成保护电路。

图（c）只用一只普通晶闸管配合四只二极管即可组成晶闸管交流开关；

由于串联元件多，电流需通过两只二极管和晶闸管，压降损耗较大。

（a）（b）（c）

图4-1单相晶闸管交流开关主电路

在三相交流电的U、V、W相上各串联一只晶闸管交流开关，即可组成三相晶闸管交流开关。

二、过零触发型交流开关

如果在交流电压瞬时值较高时加上触发信号，负载电路将受到较大的电压冲击，亦会产生较强的谐波对电源造成污染，为此可采用过零触发方式，即在电源电压过零时才触发晶闸管使其导通，这样会大大减少上述的不良影响。

这样的开关称为过零触发型交流开关，简称为零压开关。

零压开关可采用分立元件组成，但使用元器件较多；

下面介绍一种采用集成过零触发电路的零压开关。

集成电路MOC3041是光隔离／光耦合过零双向可控硅驱动器，它集光电隔离、过零检测、过零触发功能于一身，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、使用简单等优点。

其引脚及内部框图见图4-2。

1、2脚为发光二极管的阳极和阴极的引出端；

4、6脚为内部双向晶闸管的主极引出端；

3、5脚为空脚。

图4-2MOC3041引脚及内部框图图4-3采用MOC3041触发双向晶闸管的零压开关

图4-3MOC3041为由其配合双向晶闸管构成的零压开关电路。

K闭合时，MOC3041内部的发光二极管发光，待至交流电源过零时，内部的双向晶闸管导通，触发外部的功率晶闸管开通外电路；

K断开时，内部的双向晶闸管关断，外部的功率晶闸管在负载电流过零时随之关断。

电阻R1为MOC3041内发光二极管的限流电阻，阻值可选为470Ω。

R2为MOC3041内双向晶闸管的限流电阻，亦为触发器输出限流电阻，可选为360Ω。

R3为晶闸管的门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力，可选为330Ω。

R4、C1为吸收电路，并接在功率可控硅的两个主极之间，起保护作用。

因为若负载为感性，可控硅通、断时会产生较大的反电动势，可能引起可控硅的损坏。

一般C1取值在0.01μF，R4取39Ω。

双向晶闸管可根据负载电流的大小选择。

采用普通晶闸管的零压开关电路见图4-4。

图4-4采用MOC3041触发双向晶闸管的零压开关

R2、R4的阻值可选为330Ω；

R3的阻值可选为360Ω。

其它可参照图4-3选择。

采用相同的三路零压开关串接在三相交流电各相上，即可成为三相零电压开关。

第二节单相交流调压电路

交流调压电路广泛用于工业加热、灯光的调光控制及异步电动机的软起动；

在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。

此外，在利用变压器的升、降压制作的高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器的一次电压。

一、交流调压电路分析

单相交流调压电路常采用移相控制，它通过控制晶闸管的导通角来调节输出电压的大小。

交流调压器电路的工作情况和负载性质有关，下面分别进行讨论。

1、电阻性负载

其主电路见图4-5，图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替，参见图4-1。

工作波形见图4-6。

在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的控制角α进行控制就可以调节输出电压。

正负半周α起始时刻（α=0）均为电压过零时刻。

在稳态情况下，应使正负半周的α相等。

可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，为缺角的正弦波；

由于负载为纯阻性，故负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同。

图4-5阻性负载单相交流调压器主电路

设电源电压为u1=

U1

，交流调压电路在控制角为α时：

负载电压有效值U0

（4-1）

负载电流有效值I0

（4-2）

晶闸管电流有效值IVT

（4-3）

电路的功率因数λ

（4-4）

图4-6阻性负载单相交流调压电路工作波形

由图4-6及以上各式可以看出，α的移相范围为0≤a≤π。

a=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值，Uo=U1，随a的增大，Uo降低，a=π时，Uo=0。

此外，α=0时，功率因数λ=1，随着α的增大，λ也逐渐降低。

2、阻感性负载

阻感性负载是交流调压器最一般的负载，其工作情况与可控整流电路带电感负载相似。

主电路图见图4-7，工作波形见图4-8所示。

图4-7阻感性负载单相交流调压器主电路

图4-8阻感性负载单相交流调压电路工作波形

图4-8中ug1、ug2为晶闸管VT1、VT2的宽触发脉冲波形。

在电源u1的正半周内，晶闸管VT1承受正向电压，当ωt=α时，触发VT1使其导通，则负载上得到缺α角的正弦半波电压，由于是感性负载，因此负载电流io的变化滞后电压的变化，电流io不能突变，只能从零逐渐增大。

当电源电压过零时，电流io则会滞后于电源电压一定的相角减小到零，VTl管才能关断，所以在电源电压过零点后VTl继续导通一段时间，输出电压出现负值，此时晶闸管的导通角θ大于相同控制角情况下的电阻性负载的导通角。

在电源电压u1的负半周，VT2晶闸管承受正向电压，当ωt=π+α时，触发VT2使其导通，则负载上又得到缺α角的正弦负半波电压。

由于负载电感产生感应电动势阻止电流的变化，因而电流io只能反方向从零开始逐渐增大。

当电源电压过零时，电流io则会滞后于电源电压一定的相角减小到零，VT2才能关断，所以在电源电压过零点后VT2继续导通一段时间，输出电压出现正值。

为了方便，把α=0的时刻仍定在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时α的移相范围应为

≤α≤π。

当在ωt=α时刻开通晶闸管VT1，负载电压、电流应满足如下微分方程式和初始条件

解该方程得：

io=

（4-5）

式中，

；

=arctan

；

θ为晶闸管导通角。

由于

时i0=0，可求得导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为

sin（α+θ-φ）=sin（α-φ）e

（4-6）

以

为参变量，利用式（4-6）可以把α和θ的关系用图4-9的一簇曲线来表示。

图4-9θ=f（α，φ）关系曲线

VT2导通时，上述关系完全相同，只是io的极性相反，且相位相差180°

。

对于阻感性负载单相交流调压电路，负载电压有效值UO、晶闸管电流有效值IVT、负载电流有效值IO分别为

（4-7）

（4-8）

（4-9）

下面分别就α>

φ、α=φ、α<

φ三种情况来讨论调压电路的工作情况。

（1）当α>

φ时，由式（4-6）可以判断出导通角θ<

180º

，正负半波电流断续。

α越大，θ越小，波形断续愈严重。

（2）当α=φ时，由式（4-6）可以计算出每个晶闸管的导通角θ=180º

此时，每个晶闸管轮流导通180º

，相当于两个晶闸管轮流被短接，正负半周电流处于临界连续状态，输出完整的正弦波，此时电流波形滞后电压φ=α，负载上获得最大功率。

（3）当α<

φ时，电源接通后，在电源的正半周，如果先触发VTl，则根据式（4-6）可判断出它的导通角θ>

如果采用窄脉冲触发，当VTl的电流下降为零而关断时。

VT2的门极脉冲已经消失，VT2无法导通。

到了下一周期，VTl又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成单向半波整流现象，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。

解决上述失控现象可采用宽脉冲或脉冲列触发，以保证VTl管电流下降到零时，VT2管的触发脉冲信号还未消失，VT2可在VT1电流为零关断后接着导通。

但此时负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，即电路失去交流调压作用。

故在感性负载时，要实现交流调压的目的，其最小控制角α=φ，即移相范围为φ~180°

二、采用分立元件的单相交流调压的电路

1、采用双向触发二极管的交流调压电路

（a）（b）（c）（d）（e）

图4-10双向触发二极管结构及特性

双向触发二极管（DIAC）属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。

常用来触发双向可控硅，在电路中作过压保护等用途。

图4-10（a）是它的构造示意图。

（b）、（c）分别是它的符号及等效电路，可等效于基极开路、发射极与集电极对称的NPN型晶体管。

因此完全可用二只NPN晶体管如（d）连接来替代。

双向触发二极管正、反向伏安特性几乎完全对称，见图4-10（e）。

当器件两端所加电压U低于正向转折电压V（B0）时，器件呈高阻态。

当U>

V（B0）时，管子击穿导通进入负阻区。

同样当U大于反向转折电压V（BR）时，管子同样能进入负阻区。

转折电压的对称性用△V（B）表示。

△V（B）=V（B0）-V（BR）。

一般△V（B）应小于2伏。

双向触发二极管的正向转折电压值一般有三个等级：

20-60V、100-150V、200-250V。

图4-11采用触发二极管的交流调压电路

采用触发二极管的单相交流调压电路见图4-11。

这是一种简单的阻容移相、双向二极管触发双向可控硅的交流调压电路。

移相的大小即输出电压的高低可通过电位器RP来调节。

2、采用单结晶体管触发的交流调压电路

如图4-12所示。

该调压器输出容量为4kW，输出电压0～210V，最大输出电流19.2A；

稳压性能：

输出电压在0～180V范围内，当电源电压变化±

5％时，输出电压变化±

1.5V；

负载阻抗11Ω～5kΩ，效率>

98%，负载性质：

电阻性或功率因数cosφ≥0.8的电感性负载。

该电路由主电路、触发电路及电压稳定电路等部分组成。

工作原理：

主电路采用单相双向晶闸管调压电路。

压敏电阻RV作双向晶闸管的过电压保护；

快速熔断器FU2作短路保护。

图4-124kW单相交流调压器电路

触发电路采用由单结晶体管VT3、三极管VT1（作可变电阻用）和VT2等组成的弛张振荡器。

变压器T1次级绕组ω2输出的交流电经整流桥VC2整流、电容C4、C5、电阻R11滤波、稳压管VS2、VS3稳压后，提供触发电