第六章 電氣照明.doc

第六章交流調(diào)壓電路 只改變交流電壓或對電路的通斷進行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路。交流調(diào)壓電路、交流過零調(diào)功電路是交流電力控制電路的常用形式。它們有很多共同點，比如多數(shù)電路都采用晶閘管作為開關元件，晶閘管連接方式相同，電力變換時，它們都不改變交流電的頻率；它們又有很多區(qū)別，比如它們的控制目標不同，因此導致控制方式的不同，交流調(diào)壓電路控制的目標是輸出電壓的有效值，交流過零調(diào)功電路控制的目標是輸出平均功率。 交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）和異步電機軟啟動，也應用于異步電動機調(diào)速；在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，也用于調(diào)節(jié)整流變壓器一次側電壓。交流過零調(diào)功電路用于時間常數(shù)很大的電熱負載的控制，如電爐溫度控制等。 本章主要介紹交流調(diào)壓電路、交流過零調(diào)功電路的工作原理及交流調(diào)壓電路的應用。 第一節(jié)單相交流調(diào)壓電路 采用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以很方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。交流調(diào)壓器的晶閘管控制通常有通斷控制和相位控制兩種方法。 通斷控制是將晶閘管作為開關將負載與交流電源接通幾個周期，然后再斷開幾個周期，通過改變通斷時間的比值達到調(diào)壓的目的。 相位控制是使晶閘管在電源電壓的每一個周期中，在選定的時間內(nèi)將負載與電源接通，通過改變選定的時刻可達到調(diào)壓的目的。 用晶閘管組成的單相交流調(diào)壓電路有多種形式，可以由一只雙向晶閘管組成，也可以使用兩只普通的晶閘管來完成。以下以使用兩只普通的晶閘管反向并聯(lián)組成的電路為例，來分析單相交流調(diào)壓電路的工作原理。 圖6-1 (a)所示為單相交流調(diào)壓主電路原理圖。如圖6-1 (a)所示，在負載R和交流電源之間用兩個反向并聯(lián)的晶閘管VT1、VT2（也可以采用雙向晶閘管）。當電源電壓正半周時觸發(fā)VTI，電流流過負載R，負載R上有電壓“。；負半周時觸發(fā)VT2，負載R上有電壓，銘。為負值。VTI、VT2如同一個無觸點開關，允許頻繁操作。若正、負半周以同樣的移相角口觸發(fā)VT1、VT2，則負載電壓有效值可以隨口而改變，實現(xiàn)交流調(diào)壓。 單向交流調(diào)壓電路的工作情況栩它的負載性質有關，下面根據(jù)負載性質對單相交流調(diào)壓器的工作情況分別予以介紹。 一、電阻性負載 在電源“的正半周內(nèi)，晶閘管VTI承受正向電壓，在(vt一口時刻，晶閘管VT1觸發(fā)導通，有電流i流過負載R，負載R上獲得缺口角的正弦半波電壓，在-7c時刻，電源電壓，過零，電流i-0，晶閘管VTI截止。在電源電壓材的負半周，晶閘管VT2承受正向電壓，在一7c+a時刻，晶閘管VT2觸發(fā)導通，有電流i反向流過負載R，負載R上獲得缺口角的正弦負半波電壓。在=27r時刻電流i-0，晶閘管VT2截止。每個周期重復上述控制過程在負載電阻上就可以獲得輸出交流電壓波形如圖6-1 (b)所示。改變口角的大小，便改變了輸出電壓有效值的大小。電阻負載單相交流調(diào)壓的數(shù)量關系如下所述。電路輸出交流電壓的有效值為式中o負載電壓有效值； U-電源電壓有效值； 口晶閘管的控制角，移相范圍為O兀。 當口20時，相當于晶閘管一直接通，Uou，為最大輸出電壓；隨著口角的增大，電 _阻R上的電壓有效值Uo逐漸減O當a2兀時，阢=o。因此，單相交流調(diào)壓器對于電阻性負載其電壓的輸出調(diào)節(jié)范圍為ou。此外，當口。o時功率因數(shù)A=1，隨著口角的增大，輸入電流滯后于電壓而且發(fā)生畸變，功率因數(shù)叉也逐漸降低。 二、電感性負載 6-2 (a)為線圈、交流電動機或經(jīng)過變壓器再接電阻負載時，這種負載稱為電感性負載。圖62(a)所示為電感性負載單相交流調(diào)壓電路。RL負載是交流調(diào)壓器最常見的負載。由于電感性負載電路中電流的變化滯后于電壓的變化，因此與電阻性負載相比就有些新的特點。當電源電壓反向過零時，由于負載電感中產(chǎn)生感應電動勢阻止電流變化，因此電流不能立即為零，即電壓過零時晶閘管關不斷，還將繼續(xù)導通到負半周。晶閘管的導通角日的大小不但與控制角口有關，而且與負載阻抗角p(arctan警)有關。在一個晶閘管導通時，它的管j壓降成為另一晶閘管的反向電壓而使其截止。于是在一個晶閘管導電時，其負載電流zo為 另一個晶閘管導通時，情況完全相同，只是i。相差180。其負載電流輸出波形如圖 62(b)所示。 導通角護可由邊界條件求得。當cut -a+曰時，io=o。將此條件代人式(6 -5)可求得導通角護與控制角a、負載阻抗角P之間的定量關系表達式為 sin(口+曰p) = sin（口一。）e一茜 (6 -6) 針對交流調(diào)壓器，導通角180。，再根據(jù)式(6 -6)可得到以P為參變量的口與口的關系，即日2廠（口，P）曲線，如圖6-3所示。 下面分別就acp. a-叭acp時 當acp時由式(6-6)可以判斷出導通角0180。，負載電路處于電流斷續(xù)狀態(tài)?？谠酱?，口越小，波形斷續(xù)愈嚴重。 （二）a-cp時 當a-P時由式(6 -6)可知每個晶閘管的導通角曰：180。此時，每個晶閘管輪流導通1800,相當于兩個晶閘管輪流被短接，負載電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，輸出完整的正弦波。 （三）a9時 當ap口， 所以VT2的導通角妖7c。從第二 個周期開始，VTI的導通角逐漸 減小，VT2的導通角將逐漸增大， 直到兩個晶閘管的口=丌時達到平 衡，這時電路的工作狀態(tài)與口=。 時相同。之所以會逐漸過渡到平衡 狀態(tài)，是因為VT1被首次觸發(fā)以 后，電路的工作情況與兩個晶閘管 被短接時一樣，電路的過渡過程和L負載的普通單相交流電路在一口時合閘發(fā)生的過渡過程完全相同。在acp時，負載電壓的有效值Uo為 綜上所述，可以歸納出單相交流調(diào)壓電路具有以下JL個特點。 (1)帶電阻性負載時，負載電流波形與單相橋式可控整流交流側電流波形一致，改變控制角口可以改變負載電壓有效值，達到交流調(diào)壓的目的。 (2)帶電感性負載時，不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當口P時會發(fā)生一個晶閘管無法導通的現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的直流分量，會燒毀熔斷器或晶閘管。 (3)帶大電感性負載時，最小控制角口州。一妒（負載功率因數(shù)角），所以口的移相范圍為g180。，而帶電阻性負載時移相范圍為O。180。 例6-1由晶閘管反向并聯(lián)組成的單相交流調(diào)壓器，電源電壓有效值Us =2300V，當負載為電阻時，阻值在1. 152. 3Q之間變化，預期最大的輸出功率為2300kW，計算晶閘管所承受的電壓的最大值，以及輸出最大功率時晶閘管電流的平均值和有效值。如果負載為阻性加感性負載，R=2.3fl，cvL=2.3CZ，那么控制角范圍和最大輸出電流的有效值又是多少？ 解(1)負載為電阻時。 1)當R=2. 3fl時，如果調(diào)壓器輸出最大功率，則此時應為口：o，輸出功率為P=IzR，則 2)當R=1. 15,Q時，如果調(diào)壓器向負載輸出規(guī)定的最大功率，則口0。設此時負載電流為I。，由P。=12R=2300kW，得 ，。= 1414(A) 此時晶閘管電流的有效值為 IVT一老=1000A I、rr的最大值為IOOOA，IdVT的最大值為450A，加到晶閘管的正、反向最大電壓為厄X2300V=3253V。 (2)電感性負載的功率因數(shù)角為 第二節(jié)流調(diào)壓電路單向交流調(diào)壓器用于單相負載如果單相負載容量過大，就會引起三相不平衡，影響電網(wǎng)供電質量因此容量較大的負載大多分為三相。要適應三相負載的要求，就需要用三相交流調(diào)壓。三相交流調(diào)壓器接線形式很多，較為常見的接線方式有三種，即星形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路、晶閘管與負載連接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路和用三對反并聯(lián)晶閘管連接成的三相三線交流調(diào)壓電路。 因為雙向晶閘管可以看成是兩只普通的晶閘管的反并聯(lián)，所以由普通的晶閘管反并聯(lián)組成的三相交流調(diào)壓電路，都可以用一只雙向晶閘管代替兩只反并聯(lián)的普通晶閘管組成相應的三相交流調(diào)壓電路。 一、星形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路 圖6-6所示為負載按星形連接帶中性線的三相交流調(diào)壓電路，該電路各相通過中性線自成回路，實際上相當于三個單相交流調(diào)壓電路的組合。晶閘管的導通順序在如圖6-6所示排列的情況下為VTI、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。觸發(fā)脈沖間隔為60。其觸發(fā)電路可以套用三相全控橋式整流電路的觸發(fā)電路。由于有中性線，只需要一個晶閘管導通，負載就有電流流進，因此可以采用窄脈沖觸發(fā)。 在三相正弦交流電路中，由于各相電流iu、iv、zw相位互差120。，因此中性線電沆iN0。在交流調(diào)壓電路中，每相負載電流為正負對稱的缺角正弦波，這包含有較大的奇次諧波電流，主要是三次諧波電流。當口一90。時，三次諧波電流最大。在三相電路中各相三次諧波是相同的，因此中性線的電流lN為一相三次諧波電流的3倍，數(shù)值較大，近似等于各相電流的有效值。若變壓器采用三柱式結構，則三次諧波磁通不能在鐵芯中形成通路，從而產(chǎn)生較大的漏磁通，引起變壓器的發(fā)熱和噪聲，對線路和電網(wǎng)均帶來不利影響。因此這種電路的應用有一定的局限性。 二、晶閘管與負載連接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路 圖6-7所示為晶閘管與負載連接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路，可以把它看成是三個由線電壓供電的單相交流調(diào)壓電路的組合。晶閘管口=o的點應定在線電壓的零點上，VT1VT6的觸發(fā)脈沖依次相差60。它的優(yōu)點是由于晶閘管串接在三角形的內(nèi)部，流過晶閘管的電流是相電流，因此在同樣線電流的情況下，晶閘管電流容量可以降低。此外，其線電流中3的倍數(shù)次諧波分量為零，對電源影響及對通信、廣播的干擾都較小。其缺點是負載必須能拆成三個部分才能連接成此種電路。過晶閘管的電流是相電流，因此在同樣線電流的情況下，晶閘管電流容量可以降低。此外，其線電流中3的倍數(shù)次諧波分量為零，對電源影響及對通信、廣播的干擾都較小。其缺點是負載必須能拆成三個部分才能連接成此種電路。 三、用三對反并聯(lián)晶閘管連接成的三相三線交流調(diào)壓電路 圖6-8所示為用三對反并聯(lián)晶閘管連接成的三相三線交流調(diào)壓電路，負載可以連接威星形，也可以連接成三角形。由于沒有中性線，每相電流必須和另一相構成回路，即必須保證兩相晶閘管同時導通負載中才有電流通過。觸發(fā)電路與三相全控橋式整流電路一樣，應采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)。 現(xiàn)以電阻負載連接成星形為例，分析其工作原理。 首先要確定電路中門極起始控制點，把圖6-8中的晶閘管換成二極管可以看出，在電阻性負載時，從相VT1過零時刻開始，相應的二極管就導通。因此口：o的點應定在各相電壓過零點。晶閘管VTl. VT3. VT5的觸發(fā)相位差是120。，晶閘管VT4. VT6. VT2的觸發(fā)相位也相差1200，同相的兩個晶閘管的觸發(fā)相位相差180。所以，VT1VT6的觸發(fā)相位也依次相差60。 當改變口時，三相三線交流調(diào)壓器有兩種不同的工作狀態(tài)：在同一時刻，每一相都有一只晶閘管導電，稱為一類工作狀態(tài)；在同一時刻，有一相兩個晶閘管都不導通，另外兩相各有一個晶閘管導通，稱為二類工作狀態(tài)。 1控制角口一O。 口一o。時的工作狀況屬于一類工作狀態(tài)，其波形圖如圖6-9所示?？谝籵。時茌相應的每相電壓過零處給晶閘管觸發(fā)脈沖。 例如，VTI在U相電壓過零變正時導通，過零變負時承受反向電壓而自然關斷，接著VT4導通，晶閘管的導通角為180。其他兩相的導通情況與此相同。這就相當于將六只晶閘管換成六只整流二極管，因此三相正、反向電流都暢通，相當于一般的三相交流電路。當每相的負載電阻為R時，各相的電流為i，n一等字。晶閘管的導通順序在如圖6-8所示排列的。隋況下為VTI、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。觸發(fā)電路的脈沖間隔為60。；每只管子的導通角為口= 180。，除換流點外，每個時刻均有三只晶閘管導通。 2控制角a-60。 當口260。時，電路全部工作在二類工作狀態(tài)，由圖6 - 10 (a)可知，同一時刻只有不同相的兩個晶閘管導通。，時刻觸發(fā)晶閘管VT1導通，與導通的晶閘管導VT6構成電流回路，此時在線電壓uuv的作用下U相電流為 t2時刻，晶閘管VT2被觸發(fā)，晶閘管VTI與VT2構成電流回路，此時線電壓U作用下的U相電流 t3時刻，晶閘管VTI截止，晶閘管VT4還未導通，所以iu-o。 cot4時刻，晶閘管VT4被觸發(fā)，iu在電壓uuv的作用下，經(jīng)過品閘管VT3. VT4構l回路。同理在cvts (Ot6期間，電壓uuw經(jīng)過晶閘管VT4. VT5構成回路，i。電流波形如E6 - 10 (a)剖面線所示。經(jīng)過同樣的分析可得到ZV.iw波形，其形狀與i。相同，只是相t互差1200。 肖口-900時，電流開始斷續(xù)。圖6 - 10 (b)所示為口：120。時的電流波形。當wt時刻硅發(fā)晶閘管VTl導通時，與導通的晶閘管VT6構成電流回路，導通到cotz時，由于ULN過蓼反向強迫晶閘管VT1截止（晶閘管VTI先導通了300）。當。時，晶閘管VT2觸發(fā)孚通，此時由于采用了脈寬大于60。的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)方式，因此VT2管仍有脈沖觸發(fā)，此時在線電壓“U、v作用下經(jīng)VT、VT2管構成回路，使晶閘管VTI又重新導通3000從圖6- 10 (b)可知，當口增大到1500時，iU=o。因此，電阻負載時電路的口角移相范圍為O。150。，導通角0- 180。-a。 第三節(jié)交流過零調(diào)功電路 交流過零調(diào)功電路以交流電源周波數(shù)為控制單位，利用過零觸發(fā)，調(diào)節(jié)晶閘管通斷周波數(shù)的方式來控制輸出功率，簡稱調(diào)功器或周波控制器。 一、調(diào)功器的工作原理 圖6 - 11所示為過零觸發(fā)單相交流調(diào)功和三相交流調(diào)功電路。交流電源電壓“以及VTI和VT2的觸發(fā)脈沖“gl、“。z的波形分別如圖6- 12所示。由于各晶閘管都是在電壓“過零時加觸發(fā)脈沖的，因此這種觸發(fā)方式又被稱為過零觸發(fā)。 交流調(diào)功器對功率的調(diào)節(jié)方法如下：在設定的運行周期Tc內(nèi)，用零壓開關接通幾個周波，然后再斷開幾個周波，通過改變晶閘管在設定周期內(nèi)的通斷時間的比例，達到調(diào)節(jié)負載上交流平均電壓即負載功率的目的。 如設定運行周期Tc內(nèi)的周波數(shù)為行，每個周波的周期為丁(20ms)，頻率為50H。，則調(diào)功器的輸出功率P。為 式(6 - 15)中，Tc應大于電源電壓一個周波的時間且遠遠小于負載的熱時間常數(shù)，一般取Is左右就可滿足工業(yè)要求。上三式中T-電源的周期，ms； n-調(diào)功器運行周期內(nèi)的導通周波數(shù)； ， PN額定輸出容量（晶閘管在每個周波都導通時的輸_出容量）妒一：一H藹： U2N-每相的額定電壓，V; 12N每相的額定電流，A; kz-導通比。 。 由輸出功率Po的表達式可見，控制調(diào)功電路的導通比就可實現(xiàn)對被調(diào)對象（如電阻！爐）的輸出功率的調(diào)節(jié)控制。 在交流調(diào)功電路中，由于采用了過零觸發(fā)，因此避免了相位控制時缺角正弦波產(chǎn)生的無線電射頻干擾，減小晶閘管觸發(fā)導通時瞬態(tài)浪涌電流和電流變化率di/dt值，使負載上的電壓或電流均為完整的正弦波，減小對電網(wǎng)造成通常意義的諧波污染。但交流調(diào)功電路不能平滑調(diào)節(jié)電壓，不能使用普通的電壓表、電流表測量，不適合調(diào)光等場合。 二、調(diào)功電路實例 圖6 - 13中，由兩只晶閘管反并聯(lián)組成交流開關，該電路是一個包括控制電路在內(nèi)的單相過零調(diào)功電路。過零觸發(fā)電路由鋸齒波發(fā)生器、信號綜合、直流開關、同步電壓與過零脈沖觸發(fā)五個環(huán)節(jié)組成。該電路的工作原理簡述如下： (1)鋸齒波是由單結晶體管BT、R，、R2、R。、R，和c組成的張弛振蕩器產(chǎn)生的，經(jīng)陂跟隨器(V1、R4)輸出。(2)控制電壓Ue與鋸齒波電壓進行電流疊加后送到V2的基極，合成電壓為u。當Us0時，V2導通；Uso(0.7V)時，V2導通，Ube3接近零電位，V3截止，直流開關阻斷。當Ube2 0時，V2截止，由R8、V22和R。組成的分壓電路使V。導通，直流開關導通，輸出24V直流電壓。 (4)由同步變壓器TC、整流橋VDI及R。、R，、VZ組成一個削波同步電源，這個電源與直流開關的輸出電壓共同去控制V4與vs。只有在直流開關導通期間，V4與V5集電 極和發(fā)射極之間才有工作電壓，才能進行工 作。在這期間，同步電壓每次過零時，V4截 止，其集電極輸出一個正電壓，使V5由截止 轉導通，經(jīng)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖。此脈 沖使晶閘管導通。 該電路中各點的輸出波形如圖6 - 14所示。 在直流開關導通期間輸出連續(xù)的正弦波，控制電壓Ue的大小決定了直流開關導通時間的長短，開關導通的周波數(shù)也就相應變化，從而實現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)。 顯然，控制電壓U。越大，導通的周波數(shù)越多，輸出的功率就越大，電阻爐的溫度也就越高；反之，電阻爐的溫度就越低。利用這種系統(tǒng)就可實現(xiàn)對電阻爐爐溫的控制。 第四節(jié)交流調(diào)壓電路的應用實例 一、軟啟動器 應用三相交流調(diào)壓電路可以構成電動機軟啟動器，如圖6 - 15所示。它的意義在于面以減少啟動電流（實際上是降低啟動電壓）；使電動機在啟制動過程中，將電壓緩慢地在電動機上，使電動機和負載平滑地進行加速及減速。通過軟啟動器裝置相控調(diào)壓啟動轉矩逐漸增加，減少損耗，延長電動機和電源的壽命；另一方面，大大地減低了j始浪涌電流，減少了對電網(wǎng)的干擾。在不需要變速的場合下，它比變頻器具有更好的“能價格比。 二、晶閘管電鍍電源 低壓大電流電路：交流輸入電壓380v. 50Hz；直流輸出電流o1500A，直流輸出壓018V。，：、，晶閘管電鍍電源的主電路如圖6 -16所示。整流變壓器TR的一次側接成星形連接帶性線的三相交流調(diào)壓電路，每相用一只雙向晶閘管與TR的一次側繞組串聯(lián)實現(xiàn)交流調(diào)j變壓器二次側采用帶平衡電抗器L的雙反星形整流電路，用12只整流二極管并聯(lián)成6路出。指示燈HL。HL3供操作者檢查三相晶