晶閘管(可控硅)調(diào)壓電路

晶閘管調(diào)壓電路2.3.1單相調(diào)壓電路工作電路如圖2.6(a)所示，R-L負(fù)載是交流調(diào)壓器最一般化的負(fù)載。顯然，兩只晶閘管門極的起始控制點(diǎn)應(yīng)分別定在電源電壓每個(gè)半周的起始點(diǎn)，a的最大范圍是0<a<n。正、負(fù)半周有相同的a角。圖2.6阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路[4]在一個(gè)晶閘管導(dǎo)電時(shí)，它的管壓降成為另一晶閘管的反向電壓而截止。于是在一個(gè)晶閘管導(dǎo)電時(shí)，電路工作情況和單相半波整流時(shí)相同，負(fù)載電流io的表達(dá)式即為下述微分方程式之解。diL—^^+Ri=?2Usinot （2.12）解該方程得：i='2"1[sin（ot-^）-sin（以一@）etg。 （2.13）oZa<ot<a+0式中，Z=[R2+（oL）2]2；。=tg-1奪；9為晶閘管導(dǎo)通角。另一晶閘管導(dǎo)電時(shí),情況完全相同，只是io相位差180度。與單相半波整流不同的是，現(xiàn)在有兩個(gè)晶閘管，分別在電源的正、負(fù)半周工作，所以每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角9不可能大于180度，而單相半波整流時(shí)，視不同的。，9可大于180度。負(fù)載電流波形圖2.6（a）所示。導(dǎo)通角9可由邊界條件求得。當(dāng)ot=a+9時(shí)，i廣0，將此條件代入式（2.13），得__9_sin（a+9-。）=sin（a-。）e一tg。 （2.14）以。為參變量，9與a間的關(guān)系為單相半波阻感負(fù)載時(shí)的普遍關(guān)系?，F(xiàn)在，針對(duì)交流調(diào)壓器，應(yīng)附加9<180o的條件，于是得以。為參變量的9與a的關(guān)系，如圖3.2所示。1& ~1 1 1r02uSCi1-Dl：- 1401S：ja(?)圖2.7中各曲線上9=180。的點(diǎn)都對(duì)應(yīng)于a=。，換句話說，把a(bǔ)=。代入式（2.14）求得的每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角應(yīng)為9=180。。如將a=。代入式（2.13），得出七的表達(dá)式只有穩(wěn)態(tài)分量，即.2U.i=—^-^sin（①t-。） （2.15）。V①t＜K+^另一半周的工作情況也完全相同，負(fù)載電流成為完全的正弦波，負(fù)載電路這時(shí)獲得最大功率，相當(dāng)于晶閘管此時(shí)已被短接。負(fù)載電流處于連續(xù)狀態(tài)?？梢哉J(rèn)為，如果電流波形是在a＞。情況下的，io既不連續(xù)，又非正弦。如果av。，要分兩種情況來討論：1）晶閘管門極用窄脈沖觸發(fā)：圖2.6（a）電路接通電源后，如果先觸發(fā)VT1，且av。，^QVT1的導(dǎo)通角9＞兀，如圖3.3所示。2圖2.8a〈祖時(shí)阻感負(fù)載調(diào)壓器的工作波形[4]如果觸發(fā)脈沖的寬度小于a+O-S+a）二。-兀，則當(dāng)VT1的電流下降到零時(shí)時(shí)，VT2的門極脈沖已經(jīng)消失而無法導(dǎo)通。到第二個(gè)周期時(shí)，VT1又重復(fù)第一周期的工作，這樣，電路如同R-L負(fù)載的半波整流情況，VT2始終不能導(dǎo)電，回路中將出現(xiàn)直流分量的電流。如果調(diào)壓器的負(fù)載是變壓器的一次繞組，則因其直流電阻很小，將引起很大的直流電流，使電路不能正常工作。為此，需采用寬脈沖或脈沖列（例如30KHZ）。2）晶閘管門極用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)：如果觸發(fā)脈沖的寬度大于O-丸，見圖2.8，VT1的O>兀，VT2可以在VT1之后接著導(dǎo)電，但VT2的起始導(dǎo)電角a+O-K>^>a，所以VT2的導(dǎo)通角O〈兀。從第二個(gè)周期開始，VT1的導(dǎo)通角逐漸減小，VT2的導(dǎo)通 角將逐漸增大，直到兩個(gè)晶閘管的0=兀時(shí)達(dá)到平衡，這時(shí)電路的工作狀態(tài)與a=8時(shí)相同。其所以會(huì)逐漸過渡到平衡狀態(tài)，是因?yàn)閂T1被首次觸發(fā)后，電路的工作情況和兩只晶閘管被短接時(shí)一樣，電路的過渡過程和L-R負(fù)載的普通單相交流電路在Q=a時(shí)合閘發(fā)生的過渡過程完全相同。該過度過程的電流解亦即式（2.13），電流解的適用區(qū)應(yīng)改為a<^tvs當(dāng)函T8時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)，式（2.13）中的指數(shù)項(xiàng)等于零，這時(shí)，電流表達(dá)式即式（2.15），也就是電路工作在a=8的狀態(tài)。通過理論分析，得出單相半波整流的感性負(fù)載，當(dāng)以二0、8=90o時(shí)，它就是起動(dòng)時(shí)最先導(dǎo)電的晶閘管可能到達(dá)的最大0角。為使電路能起動(dòng)，必須使晶閘管門極的觸發(fā)脈沖寬度ott>0-兀=k。還應(yīng)注意，當(dāng)a>8時(shí)，從圖2.6（g）可知，在VT1導(dǎo)電結(jié)束后即承受反向電壓時(shí)，如門極脈沖寬度為，則VT1在承受反壓的同時(shí)門極仍有電流，將引起VT1的反向漏電流增大；致使反向擊穿電壓降低，VT1管內(nèi)損耗增大；結(jié)溫上升等一系列弊病。因此，通常設(shè)計(jì)把兩晶閘管的觸發(fā)脈沖后沿固定在兀、2兀、3兀…處，而前沿在a、兀+a、2兀+a…處，脈沖寬度隨a而變。這樣，起動(dòng)時(shí)必須是a>8。一個(gè)周期內(nèi)VT1導(dǎo)通輸出的電壓平均值為U=—!—ja+\.;2Usinwtd(mt)=、七匕[cosa-cos(a+0)]dT2兀a1 2兀(2.16)一個(gè)周期內(nèi)流過VT1電流平均值為I=—rt=-^-^一商[cosa-cos(a+0)] (2.17)一個(gè)周期內(nèi)VT1電流平均值的標(biāo)么值為I=I—■=—=2 —[cosa-cos(a+0)] (2.18)i流過晶閘管的電流有效值為、巧U1 a^t iI=—z~^{-^―J甫[sin(mt-—)-sin(a-—)etg—]2d(mt)}2 (2.19)負(fù)載電流有效值為.?'2U1 a-mt 1 ._I=—^{―Ja+0[sin（mt-—）-sin（a-—）eg—]2d（mt）}2=*'2\ （2.20）晶閘管電流有效值的標(biāo)么值為ITN=if （2-21）1圖2.9IN與a的關(guān)系曲線⑷由0V180。的條件和式（2.18）、式（2.21），可作出/^與a和/州與a的關(guān)系曲線，如圖3.4圖2.9IN與a的關(guān)系曲線⑷圖2.10ITN與a的關(guān)系曲線⑷由圖2.9和圖2.10可計(jì)算單相調(diào)壓器中每一個(gè)晶閘管電流的平均值1打和有效值It當(dāng)。=180o時(shí)，a=。，以此條件代入式（2.18），可求得、的上限值，即I= [cosa-cos（a+0）]= ~~-[cos。-cos（?+兀）]=—=0.318（2.22）N 2兀cos。 2兀cos。 兀用式（2.15）的標(biāo)么值形式求其有效值，并計(jì)及0=180o、a=。，可得1徹的上限值，即y=[JJa+0sin2（3t-。）d（ot）]2=[￡J"sin2（3t-。）d（ot）]t=0.5 （2.23）2.3.2三相調(diào)壓電路工作原理將三組反并聯(lián)的晶閘管分別接至三相負(fù)載就形成了一個(gè)三相交流調(diào)壓電路，此時(shí)的負(fù)載可以是星形或三角形連接。圖2.11所示的是一個(gè)三相全波星形連接的調(diào)壓電路。圖2.11三相全波Y連接的調(diào)壓電路[2]（1）在此電路中由于沒有中線，所以在工作時(shí)若要負(fù)載電流流通,至少需要兩相構(gòu)成通路。為此：三相電路中至少要有一相的正向晶閘管與另一相的反向晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。（2） 為了保證在電路起始工作時(shí)能使兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較大時(shí)仍能保證不同相的正、反向兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，所以如同三相全控橋式整流電路一樣，要求采用＞60°的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)方式。（3） 為保證輸出電壓三相對(duì)稱并有一定的調(diào)節(jié)范圍，要求晶閘管的觸發(fā)信號(hào)除了必須與相應(yīng)的交流電源有一致的相序外，各觸發(fā)信號(hào)之間還必須嚴(yán)格地保持一定的相位關(guān)系。從圖的電路看，即要求A、B、C三相電路中正向晶閘管（即在交流電源為正半周時(shí)工作的晶閘管）的觸發(fā)信號(hào)相位互差2^/3，三相電路中反向晶閘管（即在交流電源為負(fù)半周時(shí)工作的晶閘管）的觸發(fā)信號(hào)相位也互差2^/3；但同一相中反并聯(lián)著的兩個(gè)正、反向晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)互差〃。根據(jù)上面的討論，因而可得出三相調(diào)壓電路中各個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖的序列應(yīng)如圖中1、2、3、4、5、6的次序，相臨兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)信號(hào)相位差為幾/3。確定了觸發(fā)脈沖序列的安排后，就可以討論這個(gè)電路了。在這里我們也只討論負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)的情況。當(dāng)三相調(diào)壓電路的負(fù)載為阻感性負(fù)載時(shí)，分析工作很復(fù)雜。因?yàn)榧纫紤]到在線電壓或相電壓過零瞬間，晶閘管的導(dǎo)電并不停止，負(fù)載中仍有電流在流通；同時(shí)要記及三相電路工作的特點(diǎn)以及負(fù)載阻抗角的大小，它直接影響到每相電路導(dǎo)電的時(shí)間。這里根據(jù)一些典型的示波曲線進(jìn)行分析。如前所述，當(dāng)調(diào)壓電路在三相電阻-電感負(fù)載下工作時(shí)，控制角a不能小于負(fù)載阻抗角6,否則系統(tǒng)就工作在不可以圖Y連接電抗角6與有相等的2.12作在不可以圖Y連接電抗角6與有相等的2.12表示的實(shí)驗(yàn)波三相負(fù)載22.11所示的三相路分析。當(dāng)負(fù)載阻晶閘管控制角a數(shù)值時(shí)，以圖在a=6=40°時(shí)形，它分別給出了相?=40°圖2.12三相Y連接調(diào)壓電路在R-L負(fù)載時(shí)的工作電壓與相電流的波形?？梢钥吹絠A是落后于Uao40°的，但iA與uA。波形基本上連續(xù)，說明任何瞬間都有三個(gè)晶閘管導(dǎo)通，而負(fù)載上所得的電壓是不可調(diào)的最大值。圖中在a時(shí)刻以后，每隔60°都出現(xiàn)電壓波形有缺口與電流波形振蕩的現(xiàn)象，這正好是晶閘管關(guān)斷的時(shí)刻。這是由于晶閘管不是理想的元件，它并不是在零電流時(shí)關(guān)斷，而是在一個(gè)很小的反電流下才關(guān)斷。所以在關(guān)斷瞬間，儲(chǔ)存在負(fù)載電路電感中的能量，將消耗在有電感和用來限制晶閘管電壓變化率的RC吸收電路中(即與晶閘管并聯(lián)的RC保護(hù)電路)。從而引起電流的振蕩與電壓波形的缺口。當(dāng)然缺口的大小與電路元件的參數(shù)是關(guān)聯(lián)的。例如在圖2.12的3t1時(shí)刻之前，由于三相晶閘管1、6、5都導(dǎo)通，電流從A、C相流向B相，此時(shí)三相電路在正常工作狀態(tài)。到3t=3t1時(shí)刻，C相電流過零，5被關(guān)斷，而2還未導(dǎo)通；此時(shí)只有A、B相形成電流回路，為維持原來的電流變化趨勢(shì)，有如下的電路方程式：u=i(R+R)+e+e=i(R+