三相交流調壓電路的主電路形式和觸發(fā)脈沖的特點

1、三相交流調壓電路的主電路形式和觸發(fā)脈沖的特點這里只針對三相交流調壓電路，做出分析。也可以認為，三相交、直流調壓電路，僅表現為主電路的連接方式不同，其控制電路，又是非常相近乃至于是相同的，這是在控制原理上需要注意的地方。在單相交、直流調壓電路中，不必考慮單脈沖、寬脈沖和雙脈沖的觸發(fā)問題，只要滿足觸發(fā)脈沖有一定的寬度，使晶閘管的開通電流高于維持電流（有時稱擎住電流），晶閘管能可靠開通就行了。但是三相交流調壓電路，與單相調壓有不同的地方，雙脈沖觸發(fā)，成為必須考慮的問題。若將三路單相觸發(fā)電路，原封不動地組合為三相調壓電路，會發(fā)現電路可能完全不能正常工作，這是為什么呢？1、單相晶閘管交流調壓主電路的電流

2、回路圖1能正常工作的單相交流調壓電路上圖為一例單相交流調壓電路，主電路采用兩只反并聯(lián)單向晶閘管器件，電源供電為一火一零方式，L可以任取A、B、C三相中的一相電源。交流電壓由正、負半波組成，可以把交流電源分解為兩個“瞬時直流電源”來分析，當L端為正、N端為負時，SCR1受觸發(fā)開通，形成LSCR1負載電路N的SCR1的正向電流通路；當L端為負、N端為正時，SCR2受觸發(fā)開通，形成N負載電路SCR2L的SCR2的正向電流通路，負載電路的正、負半波均通過電網中性線形成通路。單相供電回路中，流過L、N的電流值是相同的（實質是為同一電流），L、N構成電源回路。移相觸發(fā)電路由兩只光耦合器取得正、負半波同步信

3、號，由3N1整形，取出正向過零點同步脈沖，R27、C24、T5在同步脈沖作用下，形成正向鋸齒波，T5為過零點放電管。鋸齒波電壓與給定調壓信號相比較，形成交相點，控制3N2輸出調寬脈沖信號。C25、R30等電路組成微分電路，檢出3N2輸出調寬矩形脈沖的上升沿信號，觸發(fā)由U3組成的單穩(wěn)態(tài)電路，形成定寬（移相）脈沖輸出，再經T6放大器進行功率放大，由脈沖變壓器BT3向主電路晶閘管輸出觸發(fā)脈沖。上圖電路與圖2-26相比較，鋸齒波為正向鋸齒波，調寬脈沖的上升沿對應觸發(fā)脈沖出現的時刻。由U3完成定輸出脈沖定寬處理，觸發(fā)脈沖的寬度可由R32、C27的取值決定，使觸發(fā)晶閘管的可靠性提高。調壓控制電路中，由R3

4、6、R37分壓，決定控制電壓范圍，避開移相失交區(qū)域。對本電路的工作原理更為詳盡的解析，請參見已發(fā)博文。移相控制電路工作穩(wěn)定，觸發(fā)脈沖一致性好，觸發(fā)可靠，無論負載為電阻負載或感性負載，在負載兩端均能得到0210V左右的線性可調交流電壓，實際應用效果優(yōu)良。圖2 不能正常工作的三相交流調壓電路將表現優(yōu)良的用于單相交流調壓移相觸發(fā)（圖1）電路，組合成圖2的三相交流電壓控制電路，用示波器檢測各工作點波形正常，每路在同步信號和給定控制信號作用下，正常輸出對應該相正、負半波的觸發(fā)脈沖，但此時晶閘管主電路，卻不聽“指揮”，晶閘管不能正常被觸發(fā)開通，移相控制失敗。 2、三相交流調壓主電路的典型電路結構和負載電路

5、的連接形式：圖3 三相交流調壓電路的主電路及負載電路形式上圖a電路為三相交流調壓的典型電路，采用6只/3組反并聯(lián)晶閘管或三塊雙管晶閘管模塊構成，采向單向晶閘管，管子承受dv/dt的能力要優(yōu)于雙向晶閘管，晶閘管保護電路簡單，故障率相對較低，是廣為采用的一種電路形式。為方便分析，將L1、L2、L3供電端標注為A、B、C，以顯示三相供電的相序連接。將輸出端標注為U、V、W，可能與電阻性負載連接，也可能與電感性負載連接。三相調壓的負載電路為均衡負載，特分為RL1、RL2、RL3三部分，為敘述星、角不同連接時形成的電流通路提供方便。在電源相序與圖a進線端標注相對應時，移相觸發(fā)電路給出的觸發(fā)脈沖的順序，或

6、者說是晶閘管的導通順序為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，這也正是主電路中晶閘管為何要如此標注序號的原因。上圖b電路，稱為有中線性的星接負載電路，負載電路的連接形成自然中性點。全電壓供電時，當三相負荷均衡時，每相負載電路RL1兩端的電壓為220V，N中性線的電流矢量和為零，不產生中性線電流，可省掉N中性線。將圖2的觸發(fā)電路，直接觸發(fā)圖b電路，當電路中性點與N線連接時，測RL1RL3端電壓0210V變化正常。將負載中性點與N線的連接斷開，交流調壓出現了失常。每半波的前半部分，晶閘管均不能導通，后半部分突然開通，出現180V電壓躍升，但輸出三相電壓不平衡！觸發(fā)信號正常加到晶閘管的控制極和陰極

7、，但相當大的范圍內，晶閘管不能正常開通。說明單（窄）觸發(fā)脈沖，僅能正常觸發(fā)三相半控橋，用于直流調壓，交流調壓時，觸發(fā)失效。原因見下文分析。上圖c電路，為角連接負載電路，RL1RL3負載電路上能得到0380V的可調交流電壓，以A相正半波電流通路為例，電網處于A正、C負時，應同時觸發(fā)晶閘管VT1、VT2，使之在同一時間開通，以形成AVT1RL1VT2C的電流通路；同理，當C正、B負時，應同時觸發(fā)晶閘管VT5、VT6導通，以形成CVT5RL3VT6的電流通路。移相觸發(fā)電路的任務，必須保障2只晶閘管的同時開通，以形成負載電路的電流通路。3、單脈沖、寬脈沖和雙觸沖三種移相觸發(fā)脈沖的比較下圖4的波形圖中，

8、三相電源電壓依正弦規(guī)律變化，一個周期的變化電角度為360°，三相電源電壓的頻率與最大值相同，但相位互差120°。三相電壓依次達到最大值的次序，稱為相序，順相序為ABC，逆相序時為ACB。 一個周期內出現6個自然電壓過零點（圖af點），一個周期內產6個相對于過零點的移相觸沖，相鄰脈沖的相位差，為60°。同一相的正、負半波的觸發(fā)脈沖間隔180°“截取”A相正半波時段，比較一下三相交流調壓電路中使用單（窄）脈沖、寬脈沖和雙脈沖進行觸發(fā)所得到的結果。此處的單脈沖，指寬度小于60°的窄脈沖信號。寬脈沖指寬度大于60°120°或大于60

9、°150°的寬脈沖，負載電路的性質不同，對觸發(fā)脈沖的寬度要求有所不同。雙脈沖，指脈沖寬度小于60°的兩個窄脈沖。圖4三相交流調壓電路的單脈沖觸發(fā)示意圖1）單脈沖觸發(fā)方式：圖5 三相交流調壓電路的單脈沖觸發(fā)示意圖（圖5的b電路）當負載電路中性點與N線連接時，每相正負半波均與N線構成通路，實質上電路相當于圖1的3路單相調壓電路。但當負載電路中性點與N線斷開時，A、B、C相電流與N之間的電流通路被截斷，每相必須與另兩相構成電流回路。此時，當A相電源端極性為正、C相電源端為負，晶閘管VT1、VT2應該同時接受觸發(fā)信號而開通，形成由ARL1RL3VT2C相的電流通路。單脈沖

10、觸發(fā)，是無法滿足這個要求的。假定A相正半波觸發(fā)信號是在t1時刻給出，相對應C相負半波觸發(fā)信號在t2時刻給出。當A相處于正半波期間，UA觸發(fā)脈沖出現時，C相也處于電壓極性為正（其電壓幅度甚至高于A相電壓）的狀態(tài)，二者不具備形成電流通路的條件，晶閘管VT1得到觸發(fā)信號，但因不具備開通條件而處于關斷狀態(tài)；當C相電壓處于負半波期間時，VT2在t2時刻得到觸發(fā)信號，但此時VT1的觸發(fā)脈沖信號已經消失，VT1處于關斷狀態(tài)，VT2也不具備開通條件。說明單窄脈沖觸發(fā)信號，對三相調壓電路，是失效的。所以對沒有中性線的星接或角接負載電路，在工作時若要負載電流流通，在每一瞬間至少要有兩相構成通路，必須有2只晶閘管同

11、時導通（實際上有3只晶閘管短時導通過程）。要保證觸發(fā)兩只晶閘管同時導通，需采用下文所述的寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)方式，要求晶閘管的觸發(fā)信號除了與相應的交流電源有一致的相序外，各觸發(fā)信號之間還須保持一定的相位關系?？梢姡嗑чl管交流調壓電路，并非3路單相移相觸發(fā)器的簡單組合，應使觸發(fā)脈沖滿足一定的寬度或按一規(guī)律重新分配觸發(fā)脈沖（分配補脈沖）。2）寬脈沖觸發(fā)方式：圖6 三相交流調壓電路的單脈沖觸發(fā)示意圖寬脈沖方式：如果在t1時刻，晶閘管VT1（參見圖3）得到較寬的觸發(fā)脈沖UA，并一直維持至t2時刻UC-觸發(fā)脈沖的出現以后，UA與UC-兩個脈沖產生t2t2時段內的重疊區(qū)，意味著主電路晶閘管VT1、VT2

12、被同時觸發(fā)開通，形成了A相正半波期間流經負載電路RL1的電流通路。有資料介紹，這種觸發(fā)的可靠性最高。對于電阻性負載電路，要求UA（UC-）的脈沖寬度須大于60°小于120°，對于電感性負載電路，因晶閘管在電壓過零后，有延時關斷過程，需要觸發(fā)脈沖的寬度為大于60°小于150°，即脈沖出現時刻足以維持到所對應相半波期間觸發(fā)脈沖的出現，以保障最低有對應相兩只晶閘管的同時開通，以形成負載電流通路。3）雙脈沖方式： 因寬脈沖直流分量大，易使脈沖變壓器直流磁化和造成驅動電路功耗過大、晶閘管的柵陰結發(fā)熱，往往對寬脈沖進行高頻調制處理后，變?yōu)楦哳l開關波形，再作為觸發(fā)脈沖

13、送出。而雙脈沖觸發(fā)方式，是應用最普遍的一種方式。在電源A相進入正半波時段后的t1時刻，A相正半波觸發(fā)電路在輸出一個A相正半波的觸發(fā)脈沖“移A”的同時（觸發(fā)VT1），也向B相的負半波觸發(fā)電路發(fā)出一個“補A”脈沖，這個補脈沖由B相負半波觸發(fā)電路輸出（觸發(fā)VT6），VT1、VT6兩管的同時開通，對角接負載電路來說，形成AVT1RL1VT6B的負載電流通路，RL1負載兩端的電壓為UAB，這是形成A相正半波電流通路的第一個時段，持續(xù)時間較短。圖7 三相交流調壓電路的單脈沖觸發(fā)示意圖此后，隨著C相負半波的到來，t2時刻“移C-”觸發(fā)信號（觸發(fā)VT2）在經C相負半波驅動電路送出的同時，出向A相的正半波觸發(fā)路

14、，發(fā)送一個“補C-”脈沖（觸發(fā)VT1），此脈沖信號也經A相的正半波驅動電路輸出。無論t1時刻，VT1有無受到觸發(fā)信號而開通，但在t2時刻，兩個觸發(fā)信號的同時出現，保障VT6、VT2的同時開通，形成AVT1RL1VT2C的負載電路通路。這是形成A相正半波電流通路的第二個時段，出現了VT1與VT2、VT6三只晶閘管共通的時刻，這個時段較短；隨后，B相電壓往正半波方向變化，當VT6承受零偏壓和反向偏壓后，VT6進入截止狀態(tài)，只剩下AVT1RL1VT2C的負載電路通路，由VT1、VT2同時開通所保障。這一時段，保持的時間最長。可見，電流通路的實現，是在每相的半波時段時，輸出兩個相差60°的觸

15、發(fā)脈沖來完成的。第一個脈沖為“本相”的移相觸發(fā)脈沖，第二個脈沖，為“對應相”發(fā)來的補脈沖。圖7中A雙脈沖、C雙脈沖，即為移相脈沖和補脈沖的組合。本相觸發(fā)信號發(fā)出時，為與對應相晶管形成通路，總是向前一相觸發(fā)電路發(fā)送補脈沖信號。如A脈沖發(fā)送時，同時向B-驅動電路發(fā)送補脈沖；C-脈沖發(fā)送時，同時向A驅動電路發(fā)送補脈沖。補脈沖的形成，一般是在功率觸發(fā)電路之間，由脈沖邏輯分配器（如KJ041電路）“配送后”輸出，也可在末級功率放大電路進行分配，使功率放大器同時驅動兩路脈沖變壓器來實現。三相交、直流調壓電路中的補脈沖分配方式見下圖。圖8 三相調壓電路中的補脈沖分配示意圖 從上圖中可看出，每相在發(fā)送移相信號

16、的同時，也按順序向對應相發(fā)送補脈沖信號；每一路觸發(fā)電路，都地以雙脈沖方式輸出的。4、 同步信號采樣電路依據同步信號的采樣來源不同，可分為電源電壓同步信號電路和晶閘管端電壓同步信號電路兩種形式；依據電路所采用的元器件的不同，可分為，同步變壓器同步信號電路、光耦合器同步信號電路和運算放大器同步信號電路三種形式的同步信號電路。（1）、信號采樣取自電源電壓的同步信號電路1）采用同步變壓器的同步信號電路同步信號電路的任務，是取出電網電壓過零點信號，作為生成移相觸發(fā)信號的時間基準信號。小功率單相交、直流調壓電路中，同步變壓器，又往往兼作電源變壓器，同時提供控制電路的工作電源。用變壓器獲得同步信號，是小功率

17、交、直流調壓電路和早期晶閘管調壓裝置，常用的一種同步方式，現在的部分裝置電路，也仍在采用這種方式。由于變壓器的一次繞組接在晶閘管主電路的同一電源上，主電路電壓過零時，變壓器的二次繞組感應電壓也過零，二者變化規(guī)律一致，變壓器只起到電氣隔離和變換電壓幅度的作用，將主電路的高電壓，變?yōu)榭刂齐娐匪璧倪m宜電壓值。圖9 采用同步變壓器的同步信號電路上圖中a電路，直接由變壓器二次側輸出的交流正弦波電壓，送入同步信號電路；b電路，為全波整流電路，獲得的同步信號，用于觸發(fā)雙向晶閘管或正反向并聯(lián)的兩只單向晶閘管，適用于交流調壓電路。若用于單相半波整流調壓，僅接入二極管D1，取出半波整流信號即可。c電路，為雙半波

18、整流電路，需采用有中心抽頭的二次繞組，整流信號又經后級R、DW削波電路，形成梯形圖，以改善線性，提升電路的移相范圍。d電路，為三相正、負半波同步信號電路，同步變壓器的一次繞組用角接形式，二次繞組用星接形式，一、二次電壓有相位差，因而二次繞組的感應電壓，常配合后級R、C電路，進行相移調節(jié)后，再將同步信號送入后級電路，為調整方便，使各晶閘管的導通角一致，R多采用半可變電位器。近幾年，隨著數字晶閘管移相技術的成熟，采用數字技術（角度計算）生成移相觸沖，只要得到一路同步信號，即可據此基準生成另三路的同步信號，因而圖a電路，也可以完成三相移相觸發(fā)電路的同步信號供給。圖a、d電路，作為三相同步信號時，對相

19、序關系的要求變得極為重要，一般需配合相序檢測電路，使裝置電源的接入相序為正相序（數字生成信號也只能按一種相序模式生成，三相變壓器的輸入相序變更時，輸出相位產生較大的變化）。當觸發(fā)相序與電源實際相序產生錯亂時，對晶閘管的觸發(fā)成為無序觸發(fā)，不能與電壓過零點保持恒定的相位關系，會導致移相觸發(fā)的失敗。同步變壓器在應用時，需注意一、次側繞組的同名端不要接錯，圖中繞組加點的為同名端，一、二次繞組同名端的電壓極性變化是一致的。如半波整流調壓電路的同名端接錯時，應該在正半周出現的觸發(fā)信號，出現在無效的負半周期間，晶閘管得不到觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路不能正常工作。維修當中，更換同步變壓器后，如觸發(fā)失靈，可調換同步變壓

20、器二次繞組的線頭試一下。也可以用感應法，先找出同名端，再連接。變壓器同名端的檢測方法（接線圖）如下：圖10 變壓器同名端的判斷方法 將電池負端與變壓器一次繞組的一端連接好，電池正端觸碰一下繞組的另一端，同時用指針式萬用表的A擋測試變壓器二繞組的感應電流，當電流指示出現瞬時正偏轉時，二次繞組紅表筆所接端和觸碰端為同名端。2）采用光耦合器的同步信號電路 采用光耦合器直接從電源電壓取得同步信號，具有節(jié)省耗材、縮短制作周期、電氣隔離特性好的優(yōu)點，在晶閘管交、直流調壓電路中，已經得到越來越廣泛的應用。雖然光耦器輸入側發(fā)光二極管有一個1.2V左右的“門坎電壓”，但相對于電網電壓來說，可以忽略不計。普通光耦

21、合器為非線性元件，不能傳輸線性正弦波信號，但恰恰可以將正弦波轉化為矩形過零脈沖信號，反倒是提升了信號特性將模擬信號轉變化開關信號。圖11 采用光耦合器的同步信號電路上圖a電路，為三相正半波同步信號檢出電路，R1、R2、R3為限流電阻，將流入光耦合器輸入側的電流限制于10mA以內，限流電阻有一定的功耗，需用功率電阻。光耦合器輸入側反向并接的二極管D1D3，提供PC1PC3輸入電壓的反向通路，避免內部發(fā)光二極管反向電壓擊穿的發(fā)生。電路的連接形成自然星點0，不必與電網的中性線N相連接。輸出波形近似為矩形波，電壓峰值為電源Vcc電壓。信號的上升沿對應正半波的過零點，下降沿對應負半波的過零點。適應于三相

22、交、直流調壓電路。上圖b電路，為單相正半波信號電路，適用于單相半波整流電路，也適用于數字三相觸發(fā)電路，做為A相正半波的基準信號，邏輯生成其它5路移相觸發(fā)信號。上圖c電路，為三相全波同步信號檢出電路，輸出正向窄脈沖為電壓過零點信號。以A相同步信號電路為例：A相正半波時，PC1正向導通。A相負半波時，PC2正向導通。只有在電壓過零點時，光耦合器處于截止狀態(tài)，輸出高電平脈沖。因為PC1、PC2的輸出端為反向并聯(lián)狀態(tài)，各提供反向電流通路，故輸入側不需并聯(lián)反向二極管。3）采用運算放大器的同步信號電路圖12 采用運算放大器的同步信號電路運算放大器能對V級信號進行放大，不存在門坎電壓的問題。但直接與電網電壓

23、相連接，需采用高阻值（1百千歐姆數百千歐姆）電阻，實現電流隔離，取出同步電壓信號。上圖a電路，為三相半波電路，R1R3為限流電阻，運算電路的輸入電流極小，故可取數百千歐姆的高阻值電路，R4、R5、R6為隔離電阻，也用高阻值電阻，以提高安全性。運算電路輸入端并聯(lián)正反向二極管，進行正反向輸入電壓限幅，保障運算放大器的安全。輸出為正半波同步信號，其上升沿和下降沿對應電網電壓過零點。上圖b電路，為三相全波整流電路，先用二極管橋式整流電路取出正、負半波電壓信號，分別送入運算放大器的同相端和反相端，自成三相輸入回路，無0點，運算放大器只有過零點期間輸出低電平，輸出為負向的過零點脈沖信號，負向窄脈沖對應電網

24、過零點。本電路獲取的同步信號，直接用于生成移相觸沖，觸發(fā)對應晶閘管，不必考慮電源的接入相序。（2）、用晶閘管端電壓取出同步信號的同步信號電路上文晶閘管調壓電路的同步信號采樣，都是從電源側取得同步信號。下圖13的a電路，用晶閘管兩端電壓作為觸發(fā)電路的同步電源，在單向晶閘管承受正向電壓未導通前，D1將電源正半波電壓整流，經RP1向C1充電，C1上電壓達到DW1的擊穿電壓值時，VT1受觸發(fā)開通，同時C1放電。在晶閘管開通時，因晶閘管開通壓降極小，可認為兩端電壓為零，晶閘管觸發(fā)電路失掉電源，觸發(fā)信號消失。VT1持續(xù)導通，直到電壓過零點后自行關斷。直到下一個周期的正半波到來時，受C1的充電電壓觸發(fā)再度開

25、通。利用VT1兩端的電壓信號，作為同步（電源）信號，實現了移相觸發(fā)控制。圖13用晶閘管端電壓作為同步信號的電路 圖13的b電路，為A相雙半波同步信號電路，同步信號取自反并聯(lián)晶閘管的兩端，只有當兩只晶閘管截止期間，才能在A、U端取得同步電壓信號。光耦合器U1、U2的輸入側呈反向連接，經R1引入同步信號，只有在VT1、VT2截止（開通電流為零）時，才能有同步電壓信號取出，這種同步信號又稱為電流過零同步信號。用于觸發(fā)VT1的同步信號，是在其并聯(lián)晶閘管VT4電流過零時取得的。當負載呈感性時，電流滯后電壓一個角度，這種信號采集方式與電源同步方式，有了很大的不同。由此形成的觸發(fā)信號，總在延遲回路電流過零點

26、一個角度送出，能保證回路電流和電壓較為平穩(wěn)地變化。光耦合器U1、U2的輸出側并在一起，由R5輸出與電流過零點相對應的低電平脈沖信號，做為同步信號，送入后級移相觸發(fā)電路。此種同步信號采樣電路，須連接負載電路，才能取得同步信號。輸出端空載時，不能形成同步信號的采集回路。5、晶閘管的末級觸發(fā)電路如同同步信號電路一樣，并且與同步信號電路的形式有一定的關聯(lián)性，晶閘管末級觸發(fā)電路的形式也是多種多樣的。但采用脈沖變壓器的電路形式是應用最為廣泛也最成熟的一種電路形式。圖14 采用脈沖變壓器的末級觸發(fā)電路末級觸發(fā)電路使用的變壓器BT1因用于傳輸脈沖信號，故稱為脈沖變壓器。當傳輸脈沖為高頻調制脈沖信號時，采用磁芯變壓器，體積小，通用性好。傳輸單（窄）脈沖和雙脈沖時，仍用鐵芯繞制。上圖a電路，當同步脈沖電路采樣信號為半波同步信號時，經移相電路處理，輸出半波觸發(fā)脈沖，用于觸發(fā)半波整流調壓電路中的單向晶閘管；當同步脈沖電路采樣信號為全波同步信號時，可用于觸發(fā)雙向晶閘管，實現交流調壓。BT1一次繞組并聯(lián)的D1二極管元件，在T1截止時，提供BT1感生的反向電壓通路，保護功率放大管T1，不受反同電壓的沖擊。同時消解直流脈沖對BT1的磁勢積累，減緩直流磁化作用。D2為晶閘管提供正向觸發(fā)電流，避免其柵陰結承受反向電壓沖擊。C1起到消噪作用，吸收干擾電壓。上圖b電路