交流调压原理—可控硅

  通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。

  通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。通常用于电炉调温等交流功率调节的场合。

  综上所述，单相交流调压电路带电阻性负载时，控制角 移相范围为 ，晶闸管导通角 ，输出电压有效值调节范围为 ，能够使用单窄脉冲实现有效控制。

  由于电感的储能作用，负载电流 会在电源电压 过零后再延迟一段时间后才能降为零，延迟的时间与负载的功率因数角 有关。晶闸管的关断是在电流过零时刻，因此，晶闸管的导通时间 不仅与触发控制角 有关，还与负载功率因数角 有关，必须根据 与 的关系分别讨论。

  图6-12（a）是一种简单交流无触点开关。当控制开关K闭合时，电源 正、负半周分别通过二极管VD1、VD2和K接通晶闸管VT1、VT2的门极，使相应晶闸管交替导通。如果K断开，晶闸管因门极开路而不能导通，相当交流电路关断。

  采用双向晶闸管作交流无触点开关电路如图6-12（b）所示。在控制开关K闭合时，电源 正半周双向晶闸管VT以Ⅰ方式触发导通，电源负半周时以Ⅲ－方式触发导通，负载上因此而获得交流电能。如果K断开，VT因门极开路而不能导通，负载上电压为零，相当交流开关断开。

  这是一个关于 的超越方程，表达了导通角 的关系。由于 时意味负载电流 连续， 时意味 断续，因此也表达了电流连续与否的运作时的状态。根据 大小关系， 角或电路运作时的状态不同。

  1)当 时，利用 作参变量，可得不同负载特性下 曲线所示。对于任一阻抗角 的负载，当 时 ；当 至 逐步减小时（不包括 这个点）， 逐步从零增大到接近 ，负载上电压有效值 也从零增大到接近 ，负载电流 断续，输出电压 为缺块正弦波，电路有调压功能，如图6-7（a）所示。

  交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图6-1(a)）或双向晶闸（图6-1（b）），实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领域十分广泛。

  交—交变频电路是一种可直接将某固定频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路，无需中间直流环节。与交—直—交间接变频相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。

  采用交流调压电路，在交流电压过零时刻将负载与电源接通几个周波再断开几个周波，实现交流电压的整周波通断控制。通过改变接通周波数与断开周波数的比例，实现负载平均功率的调节，称为交流调功电路，其控制思想如图6-2（a）所示。

  由于晶闸管导通都在电源电压过零时刻，这样负载电压、电流均为完整正弦波，不会对电网产生高、低次谐波的污染。但是能以导通与关断总时间为周期分解出分数次谐波来，因而从严格意义上讲还是有一定的谐波干扰，如图6-11为图6-2（a）通、断周波数下（通二个周波、断一个周波）电阻性负载中电流频谱，图中 为 次谐波有效值， 为导通时负载电流幅值。能够准确的看出，电流中不含整数倍电源频率的谐波，但含有非整数倍频率谐波，且在电源频率附近非整数倍频率谐波含量较大。

  当三相调压电路接电感负载时，波形分析很复杂。由于输出电压与电流间存在相位差，电压过零瞬间电流不为零，晶闸管仍导通，其导通角 不仅与控制角 有关，还和负载功率因数角 有关。如果负载是异步电动机，其功率因数角还随运行工况而变化。

  当交流调压电路采用通断控制时，还能轻松实现交流调功和交流无触类开关的功能。

  2）当 时， 电流中只有稳态分量 ，电流正弦、连续， 。电路一工作便进入稳态， ，输出电压波形正弦，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。此时 关系如图6-6中 的孤立点所示，波形如图6-7（b）所示。

  3)当 且采用窄脉冲触发时，由式（6-8）可解出 ，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。由于反并联的两晶闸管触发脉冲 相位严格互差180o，故在 到来时VT1仍在导通，其管压降构成对VT2的反向阳极电压，VT2不能导通。而当VT1关断后虽使VT2反偏电压消失，但 的窄脉冲也已消失，VT2仍不能导通，造成各个周期内只有同一个晶闸管VT1导通的“单管整流”状态，输出电流为单向脉冲波，含有很大直流分量，如图6-7（c）所示。这会对电机、电源变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害，此时应考虑改用宽脉冲触发方式。

  交流无触点开关主电路与交流调压电路相同，但其开通与关断是随机的，可大致分为任意接通模式和过零接通模式。前者可在任何时刻使晶闸管触发导通，后者只能在交流电源电压过零时才能触发晶闸管，因而有一定开通时延，如50Hz交流电网中，最大开通时延约10ms。关断时，由于晶闸管的掣住特性，不能在触发脉冲封锁时立即关断；感性负载又要等到电流过零时才能关断，均有一定关断时延。

  与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。

  相位操控方法简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压波形非正弦，富有丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等。

  交—交变频电路大范围的应用于大功率低转速的交流电动机调速转动，交流励磁变速恒频发电机的励磁电源等。实际使用的交—交变频器多为三相输入—三相输出电路，但其基础是三相输入—单相输出电路，因此本节首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、四象限运行特性，输入、输出特性等；然后介绍三相输出电路结构、输入、输出特性及其改善措施；最后对于一种新型的绿色变频电路——矩阵式交—交变换器作出介绍，使读者了解交—交变频技术的最新发展动向。

  ① ： 时， 变正，VT4关断，但 未到位，VT1无法导通，A相负载电压 。

  ② ： 时，触发导通VT1；B相VT6、C相VT5均仍承受正向阳极电压保持导通。由于VT5、VT6、VT1同时导通，三相均有电流，此子区间内A相负载电压 （电源相电压）。

  2）采用宽度大于60o的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180o的脉冲列触发。

  工业中交流电源多为三相系统，交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调压器实现调压。三相交流调压电路与三相负载之间有多种联接方式，其中以三相Y接调压方式最为普遍。

  如果将反并联的两单向晶闸管或单只双向晶闸管串入交流电路，代替机械开关起接通和关断电路的作用，就构成了交流无触点开关。这种电力电子开关无触点，无开关过程的电弧，响应快，其工作频率比机械开关高，有很多优点。但由于导通时有管压降，关断时有阳极漏电流，因而还不是一种理想的开关，但已显示出其广泛的应用前景。

  对图6-3所示电阻负载下输出电压 进行谐波分析。由于正、负半波对称，频谱中将不含直流及偶次谐波，其富里叶级数表示为

  根据式（6-4），可以绘出基波和各次谐波电压标么值随控制角 的变化曲线，其电压基值取为 。能够准确的看出，随 增大，波形畸变严重，谐波含量增大。由于电阻负载下电流、电压同相位，图6-4关系也适合于电流谐波分析。

  ③ ： 时， 过零，VT5关断；VT2无触发脉冲不导通，三相中仅VT6、VT1导通。此时线电压 施加在RA、RB上，故此子区间内A相负载电压 。

  ④ ： 时，VT2触发导通，此时VT6、VT1、VT2同时导通，此子区间内A相负载电压 。

  ⑤ ： 时， 过零，VT6关断；仅VT1、VT2导通，此子区间内A相电压 。

  斩波控制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。

  斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。由于实现斩波控制的调压电路半周内要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。

  当 时，输出电压 最大；当 时 。改变控制角 大小可获得大小可调的交流电压输出，其波形为“缺块”正弦波。正因为电压波形有缺损，才改变了输出电压有效值，达到了调压的目的，但也因波形非正弦带来了谐波问题。

  4）当 且采用宽脉冲触发时，特别是采用后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180o的脉冲列触发时，能够保证反并联的两晶闸管均可靠导通，电流波形连续，如图6-7（d）所示。与 时不同的是无论触发角 多大，晶闸管均在 处导通。由于电流连续， 无电压调节功能，也处于“失控”状态。

  图6-9为Y型三相交流调压电路，这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路，它的正常工作须满足：

  1）三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导通；

  2）为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于60o的宽脉冲（列）或双窄脉冲来触发；

  实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本章将分别讨论单相及三相交流调压电路。

  纯电阻负载时交流调压电路输出电压 、输出电流 波形如图6-3所示。电路工作过程是：在电源电压 正半周、移相控制角 时刻，触发导通晶闸管VT1，使正半周的交流电压施加到负载电阻上，电流、电压波形相同。当电压过零时，VT1因电流为零而关断。在控制角为 时触发导通VT2， 负半周交流电压施加在负载上，当电压再次过零时，VT2因电流为零而关断，完成一个周波的对称输出。

  为简单起见，仅分析该三相调压电路接电阻性负载（负载功率因数角 ）时，不同触发控制角 下负载上的相电压、电流波形，如图6-10所示。

  1） 时的波形如图6-10(a)所示。当 时触发导通VT1，以后每隔60o依次触发导通VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。在 区间内， 为正， 为负，VT5、VT6、VT2同时导通；在 区间内，VT6、VT1、VT2同时导通，……。由于任何时刻均有三只晶闸管同时导通，且晶闸管全开放，负载上获得全电压。各相电压、电流波形正弦、三相平衡。

  为分析方便，将VT1导通时刻取作时间坐标 的Biblioteka Baidu点，这样电源电压可以表达为

  式中， 是负载电流的稳态分量，它滞后于电压一个功率因数角 ； 为以时间常数 衰减的自由分量，其初始值与 有关； 波形如图6-5中所示。

  ⑥ ： 时，VT3触发导通，此时VT1、VT2、VT3同时导通，此子区间内A相电压 。

  负半周可按相同方式分子区间作出分析，从而可得如图（b）中阴影区所示一个周波的A相负载电压 波形。A相电流波形与电压波形成比例。

  3）用同样分析法可得 、 、 时A相电压波形，如图6-10（c）、（d）、（e）所示。 时，因 ，虽VT6、VT1有触发脉冲但仍无法导通，交流调压器不工作，故控制角移相范围为（0~150o）。