第四章 交流开关与交流调压.docx

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第四章交流开关与交流调压

第四章交流开关与交流调压

把两个晶闸管反并联后或采用双向晶闸管串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。

如果只是根据需要接通或断开电路，则称串人电路中的晶闸管为交流电力电子开关，为无触点开关。

如果在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路，广泛应用于感应电动机的软启动、照明电路的调光等场合。

以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周波数和断态周波数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路，在大功率电加热设备的调功中得到了大量的应用。

本章主要介绍闸管交流开关、交流调压和调功电路的工作原理及应用。

第一节晶闸管交流开关

采用晶闸管可做成交流无触点开关。

与普通的机械开关相比，这种开关响应速度快、寿命长，可以频繁控制通断；由于晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和电磁干扰；由于无机械触点，在控制电路的通断时不会产生火花或电弧，这对于含有爆炸性气体、粉尘的应用场合具有重要的安全意义。

一、晶闸管交流开关的主电路

单相晶闸管交流开关主电路的基本型式如图4-1所示。

门极毫安级电流的通断，即可控制晶闸管阳极几十到几百安培大电流的通断。

交流开关的工作特点是晶闸管在承受正半周电压时触发导通，而它的关断是利用电源负半周在管子上加反压来实现，在电流过零时自然关断。

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>180º。

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