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