第4章 交流調(diào)壓電路

第4章交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)4.1雙向晶閘管4.1.1雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和特征1．雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)圖4-1雙向晶閘管的外形 （a）小電流塑封式（b）螺栓式（c）平板式雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號

圖4-2雙向晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）等效電路（c）圖形符號常見的雙向晶閘管引腳排列圖4-3常見雙向晶閘管引腳排列2．雙向晶閘管的特性與參數(shù)要使管子能通過交流電流，必須在每半個周期內(nèi)對門極觸發(fā)一次，只有在元件中通過的電流大于掣住電流后，去掉觸發(fā)脈沖后才能維持元件繼續(xù)導(dǎo)通；只有在元件中通過的電流下降到維持電流以下時，元件才能關(guān)斷并恢復(fù)阻斷能力。雙向晶閘管有正反向?qū)ΨQ的伏安特性曲線。正向部分位于第Ⅰ象限，反向部分位于第Ⅲ象限。圖4-4雙向晶閘管伏安特性根據(jù)GB4192-1986標準，雙向晶閘管的型號規(guī)格為國產(chǎn)雙向晶閘管用KS表示。如型號KS50-10-21表示額定電流50A，額定電壓10級（1000V）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt為2級（不小于200V/μs），換向電流臨界下降率di/dt為1級（不小于1％IT(RMS)）的雙向晶閘管。

雙向晶閘管的主要參數(shù)中只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數(shù)定義相似。由于雙向晶閘管工作在交流電路中，正反向電流都可以流過，所以它的額定電流不用平均值而是用有效值來表示。定義為：在標準散熱條件下，當(dāng)器件的單向?qū)ń谴笥?70°，允許流過器件的最大交流正弦電流的有效值，用IT(RMS)表示。雙向晶閘管額定電流IT(RMS)與普通晶閘管額定電流IT(AV)之間的換算關(guān)系式為以此推算，一個100A的雙向晶閘管與兩個反并聯(lián)45A的普通晶閘管電流容量相等。表4-1雙向晶閘管的主要參數(shù)3．雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個方向都能導(dǎo)通，門極加正負電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：（1）Ⅰ+觸發(fā)方式（2）Ⅰ?觸發(fā)方式（3）Ⅲ+觸發(fā)方式（4）Ⅲ?觸發(fā)方式由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開，常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ?。4．雙向晶閘管主要參數(shù)選擇（1）額定通態(tài)電流IT(RMS)的選擇雙向晶閘管交流開關(guān)較多用于頻繁起動和制動，對可逆運轉(zhuǎn)的交流電動機，要考慮起動或反接電流峰值來選取元件的額定通態(tài)電流IT(RMS)。對于繞線轉(zhuǎn)子電動機最大電流為電動機額定電流的3~6倍，對籠型電動機則取7~10倍，如對于30kW的繞線轉(zhuǎn)子電動機和11kW的籠型電動機要選用200A的雙向晶閘管。（2）額定電壓UTn的選擇電壓裕量通常取2倍，380V線路用的交流開關(guān)，一般應(yīng)選1000~1200V的雙向晶閘管。（3）換向能力du/dt的選擇電壓上升率du/dt是重要參數(shù)，一些雙向晶閘管的交流開關(guān)經(jīng)常發(fā)生短路事故，主要原因之一是元件允許的du/dt太小。通常解決的方法是：①在交流開關(guān)的主電路中串入空心電抗器，抑制電路中的換向電壓上升率，降低對雙向晶閘管換向能力的要求；②選用du/dt值高的元件，一般選du/dt為200V/μs。4.1.2雙向晶閘管的觸發(fā)電路1．簡易觸發(fā)電路圖4-5（a）雙向晶閘管的簡易觸發(fā)電路圖4-5(a)為簡單有級交流調(diào)壓電路，其中當(dāng)S撥至“3”時，VT在正、負半周分別在Ⅰ+、Ⅲ?觸發(fā)，RL上得到正、負兩個半周的電壓；當(dāng)開關(guān)S撥至“2”時雙向晶閘管VT只在Ⅰ+觸發(fā)，負載RL上僅得到正半周電壓，因而比置“3”時電壓小。從而達到降低電壓的目的。圖(b)為采用觸發(fā)二極管的交流調(diào)壓電路，當(dāng)工作于大α值時，因RP阻值較大，使C1充電緩慢，到α角時電源電壓已經(jīng)過峰值并降得過低，則C1上充電電壓過小不足以擊穿雙向觸發(fā)二極管VD；圖4-5（b）雙向晶閘管的簡易觸發(fā)電路圖(c)電路中增設(shè)R2、R1、C2，在觸發(fā)角α大時，C2上可獲得滯后的電壓uC2，給電容C1增加一個充電電路，保證在觸發(fā)角α大時VT能可靠觸發(fā)。其中的觸發(fā)二極管VD是三層PNP結(jié)構(gòu)，兩個PN結(jié)有對稱的擊穿特性，擊穿電壓通常為30V左右，當(dāng)雙向晶閘管VT阻斷時，電容C1經(jīng)電位器RP充電，當(dāng)uC1達到一定數(shù)值時，觸發(fā)二極管擊穿導(dǎo)通，雙向晶閘管也觸發(fā)導(dǎo)通，改變RP的阻值可改變控制角α。電源反向時，觸發(fā)管VD反向擊穿，屬Ⅰ+、Ⅲ?觸發(fā)方式。負載上得到的是正負缺角正弦波。目前生產(chǎn)的雙向晶間管，不少已經(jīng)把VD與VT集成在一起，門極經(jīng)過雙向觸發(fā)管引出．使用時更方便。圖(d)為電動機調(diào)速電路。圖4-5（c）（d）雙向晶閘管的簡易觸發(fā)電路2．單結(jié)晶體管觸發(fā)圖4-6用單結(jié)晶體管組成的觸發(fā)電路3．集成觸發(fā)器（1）KC05集成觸發(fā)器圖4-7KC05內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖KC05的應(yīng)用電路R110k

R2、R330k

R427

RP22kC10.47μFC20.047μFVD1、VD22CZ82CVTKS50A圖4-8KC05應(yīng)用電路（2）KC06集成觸發(fā)器R151k

R210k

R3100k

R430

R547k

R627R739k

R868k

RP1100k

C10.47μFC20.01μFC30.1μFVD2CZ82CVTKS50A圖4-9KC06應(yīng)用電路4.1.3雙向晶閘管簡易測試1．雙向晶閘管電極的判定圖4-10測量G、T1極間的正向電阻用萬用表的R×100檔或R×1k檔測量雙向晶閘管的兩個主電極之間的電阻，如圖4-10所示。無論表筆的極性如何，讀數(shù)均應(yīng)近似無窮大(∞)。而控制極(門極)G與主電極T1之間的正、反向電阻只有幾十歐至一百歐。根據(jù)這一特性，我們很容易通過測量電極之間的電阻大小的方法，識別出雙向晶閘管的主電極T2。同時黑表筆接主電極Tl，紅表筆接控制極(門極)G所測得的正向電阻總是要比反向電阻小一些。2．判定雙向晶閘管的好壞3．雙向晶閘管觸發(fā)特性測試（1）簡易測試方法。（2）交流測試法。

圖4-11雙向晶閘管交流測試電路4.2交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路采用兩單向晶閘管反并聯(lián)或雙向晶閘管，實現(xiàn)對交流電正、負半周的對稱控制，達到方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓大小的目的，或?qū)崿F(xiàn)交流電路的通、斷控制如圖4-12所示。因此交流調(diào)壓電路可用于異步電動機的調(diào)壓調(diào)速、恒流軟起動，交流負載的功率調(diào)節(jié)，燈光調(diào)節(jié)，供電系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)，用作交流無觸點開關(guān)、固態(tài)繼電器等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。圖4-12交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路一般有三種控制方式，其原理如圖4-13所示。圖4-13交流調(diào)壓電路控制方式4.2.1單相交流調(diào)壓電路1．阻性負載圖4-14單相交流調(diào)壓電阻負載時波形電路工作過程是：

t=0~

：VT1、VT2處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓uo=0，io=0。

t=

時，觸發(fā)VT1導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui，io=ui/R。

t=

~

：VT1繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui，io=ui/R。

t=

時，uo=0，io=0，VT1截止，輸出電壓uo=0，io=0。

t=

~（

+

）：VT1、VT2處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓uo=0，io=0。

t=

+

時，觸發(fā)VT2導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui，io=ui/R。

t=（

+

）~2

時，VT2繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui，io=ui/R。

t=2

時，uo=0，io=0，VT2截止，輸出電壓uo=0，io=0。交流輸出電壓uo有效值Uo與控制角

的關(guān)系為

（4-1）式中Ui為輸入交流電壓ui的有效值。負載電流io有效值為Io=Uo/R，則交流調(diào)壓電路輸入功率因數(shù)為

（4-2）控制角

移相范圍為0≤

≤

，晶閘管導(dǎo)通角

=

–

，輸出電壓有效值調(diào)節(jié)范圍為（0~Ui）。這種電路的缺點是隨著

的增大，電路的功率因數(shù)也隨之降低。2.感性負載圖4-15單相交流調(diào)壓電路感性負載電路圖4-16單相交流調(diào)壓電路感性負載波形圖電路工作過程是：

t=

時，觸發(fā)VT1導(dǎo)通，VT2截止，輸出電壓uo=ui，輸出電流io從零開始上升。

t=

~

：VT1繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui。

t=

時，雖然ui=0但io

0，VT1繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui。

t=

+

時，io=0，VT1截止，輸出電壓uo=0。

t=

+

時，觸發(fā)VT2導(dǎo)通，VT1繼續(xù)截止，輸出電壓uo=ui，輸出電流從零開始上升。

t=（

+

）~2

：VT2繼續(xù)導(dǎo)通，輸出電壓uo=ui。

t=

+

+

時，io=0，VT2截止，輸出電壓uo=0。當(dāng)

時，電流不連續(xù)。

（4-3）交流輸出電壓uo的有效值Uo與觸發(fā)角

的關(guān)系為（4-4）負載電流io的有效值Io為（4-5）晶閘管電流的有效值IVT為（4-6）晶閘管電流的最大值Iomax(

=0時)為（4-7）為分析方便，設(shè)晶閘管電流的有效值IVT的標幺值為I*VT（4-8）則（4-9）當(dāng)觸發(fā)角

和阻抗角

已知，可從圖4-17中查得晶閘管電流有效值的標幺值I*VT，進而求出電流有效值Io和晶閘管電流有效值IVT。圖4-17電流標幺值與控制角的關(guān)系4.3.2三相交流調(diào)壓電路1．Y型三相交流調(diào)壓電路圖4-18為Y型三相交流調(diào)壓電路，這是一種最典型、最常用的三相交流調(diào)壓電路，它的正常工作須滿足：（1）三相中至少有兩相導(dǎo)通才能構(gòu)成通路，且其中一相為正向晶閘管導(dǎo)通，另一相為反向晶閘管導(dǎo)通；（2）為保證任何情況下的兩個晶閘管同時導(dǎo)通，應(yīng)采用寬度大于

/3的寬脈沖（列）或雙窄脈沖來觸發(fā)；（3）從VT1到VT6相鄰觸發(fā)脈沖相位應(yīng)互差

/3。圖4-18Y接三相交流調(diào)壓電路圖4-19Y接三相交流調(diào)壓電路輸出電壓、電流波形（電阻負載）2．其他型式三相交流調(diào)壓電路表4-2幾種典型的三相交流調(diào)壓器比較表4-2幾種典型的三相交流調(diào)壓器比較（續(xù)）4.2.3交流斬波調(diào)壓交流斬波調(diào)壓電路的輸出電壓波形如圖4-20示，由圖可得，輸出電壓u為式中G定義為

1Sl閉合，S2打開

G=0Sl打開，S2閉合

U2m——輸入電壓峰值；

ω——輸入電壓角頻率。G隨時間變化的波形如圖4-20（b）所示，開關(guān)Sl閉合時間為ton，其關(guān)斷時間為toff，則交流斬波器的導(dǎo)通比

為改變脈沖寬度ton或者改變斬波周期Tc就可改變導(dǎo)通比，實現(xiàn)交流調(diào)壓。4.3交流電力電子開關(guān)1．晶閘管交流開關(guān)的基本形式圖4-21（a）晶閘管交流開關(guān)的基本形式圖4-21(a)是普通晶閘管反向并聯(lián)形式。當(dāng)開關(guān)S閉合時，兩只晶閘管均以管子本身的陽極電壓作為觸發(fā)電壓進行觸發(fā)，這種觸發(fā)屬于強觸發(fā)，對要求大觸發(fā)電流的晶閘管也能可靠觸發(fā)。隨著交流電源的正負交變，兩管輪流導(dǎo)通，在負載上得到基本為正弦波的電壓。當(dāng)S閉合時，兩只晶閘管均以管子本身的陽極電壓作為觸發(fā)電壓進行觸發(fā)，具有強觸發(fā)性質(zhì)，即使對觸發(fā)電流很大的管子也能可靠觸發(fā)。隨著交流電源的交變，兩個晶閘管輪流導(dǎo)通，負載上得到的基本上是正弦電壓。圖4-21(b)為雙向晶閘管交流開關(guān)，雙向晶閘管工作于I+、Ⅲ–觸發(fā)方式，這種線路比較簡單，但其工作頻率低于反并聯(lián)電路。圖4-21(c)為帶整流橋的晶閘管交流開關(guān)。該電路只用一只普通晶閘管，且晶閘管不受反壓。其缺點是串聯(lián)元件多，壓降損耗較大。圖4-21（b）晶閘管交流開關(guān)的基本形式2．交流調(diào)功器利用晶閘管的過零控制可以實現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)，這種裝置稱為調(diào)功器或周波控制器。其控制方式有全周波連續(xù)式和全周波斷續(xù)式兩種，如圖4-22所示。如果在設(shè)定周期內(nèi)，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，通過改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通斷時間的比例，達到調(diào)節(jié)負載兩端交流電壓有效值即負載功率的目的。圖4-22全周波過零觸發(fā)輸出電壓波形(a)全周波連續(xù)式(b)全周波斷續(xù)式設(shè)定周期Tc內(nèi)導(dǎo)通的周波數(shù)為n，每個周波的周期為T（50Hz，T＝20ms），則調(diào)功器的輸出功率 （4-10）調(diào)功器輸出電壓有效值 （4-11）Pn、Un為在設(shè)定周期Tc內(nèi)晶閘管全導(dǎo)通時調(diào)功器輸出的功率與電壓有效值。圖4-23為全周波連續(xù)式的過零觸發(fā)電路。電路由