第4章 交流调压电路

电力电子技术第4章交流调压电路4交流调压电路•4.1双向晶闸管•4.2交流调压电路•4.3交流电力电子开关•4.4交流调压电路应用4.1双向晶闸管•4.1.1双向晶闸管的结构和特征•4.1.2双向晶闸管的触发电路•4.1.3双向晶闸管简易测试4.1.1双向晶闸管的结构和特征•1．双向晶闸管的结构图4-1双向晶闸管的外形（a）小电流塑封式（b）螺栓式（c）平板式双向晶闸管的内部结构、等效电路及图形符号图4-2双向晶闸管内部结构、等效电路及图形符号（a）内部结构（b）等效电路（c）图形符号常见的双向晶闸管引脚排列图4-3常见双向晶闸管引脚排列2．双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第Ⅰ象限，反向部分位于第Ⅲ象限。图4-4双向晶闸管伏安特性根据GB4192-1986标准，双向晶闸管的型号规格为国产双向晶闸管用KS表示。如型号KS50-10-21表示额定电流50A，额定电压10级（1000V）断态电压临界上升率du/dt为2级（不小于200V/μs），换向电流临界下降率di/dt为1级（不小于1％IT(RMS)）的双向晶闸管。双向晶闸管的主要参数中只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不用平均值而是用有效值来表示。用IT(RMS)表示。双向晶闸管额定电流IT(RMS)与普通晶闸管额定电流IT(AV)之间的换算关系式为以此推算，一个100A的双向晶闸管与两个反并联45A的普通晶闸管电流容量相等。T(RMS)T(RMS)T(AV)45.02III表4-1双向晶闸管的主要参数3．双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：（1）Ⅰ+触发方式（2）Ⅰ−触发方式（3）Ⅲ+触发方式（4）Ⅲ−触发方式由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中灵敏度不相同，以Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为Ⅰ+和Ⅲ−。4．双向晶闸管主要参数选择（1）额定通态电流IT(RMS)的选择（2）额定电压UTn的选择（3）换向能力du/dt的选择4.1.2双向晶闸管的触发电路1．简易触发电路双向晶闸管的简易触发电路如图4-5所示。图(a)为简单有级交流调压电路。图(b)为采用触发二极管的交流调压电路。图(c)电路中增设R2、R1、C2。目前生产的双向晶间管，不少已经把VD与VT集成在一起，门极经过双向触发管引出．使用时更方便。图(d)为电动机调速电路。图4-5双向晶闸管的简易触发电路2．单结晶体管触发图4-6用单结晶体管组成的触发电路3．集成触发器（1）KC05集成触发器图4-7KC05内部结构及工作原理示意图KC05的应用电路R110kR2、R330kR427RP22kC10.47μFC20.047μFVD1、VD22CZ82CVTKS50A图4-8KC05应用电路（2）KC06集成触发器R151kR210kR3100kR430R547kR627R739kR868kRP1100kC10.47μFC20.01μFC30.1μFVD2CZ82CVTKS50A图4-9KC06应用电路4.1.3双向晶闸管简易测试1．双向晶闸管电极的判定用万用表的R×100档或R×1k档测量双向晶闸管的两个主电极之间的电阻，如图4-10所示。图4-10测量G、T1极间的正向电阻2．判定双向晶闸管的好坏3．双向晶闸管触发特性测试（1）简易测试方法。（2）交流测试法。图4-11双向晶闸管交流测试电路4.2交流调压电路•4.2.1单相交流调压电路•4.2.2三相交流调压电路•4.2.3交流斩波调压交流调压电路采用两单向晶闸管反并联或双向晶闸管，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、断控制如图4-12所示。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。图4-12交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式，其原理如图4-13所示。图4-13交流调压电路控制方式4.2.1单相交流调压电路1．阻性负载图4-14单相交流调压电阻负载时波形交流输出电压uo有效值Uo与控制角的关系为（4-1）式中Ui为输入交流电压ui的有效值。负载电流io有效值为Io=Uo/R，则交流调压电路输入功率因数为（4-2）控制角移相范围为0≤≤，晶闸管导通角=–，输出电压有效值调节范围为（0~Ui）。这种电路的缺点是随着的增大，电路的功率因数也随之降低。2sin21)sin2(12iioUtdtUU2sin21cosiooiooUUIUIUSP2.感性负载图4-15单相交流调压电路感性负载电路图4-16单相交流调压电路感性负载波形图当时，电流不连续。（4-3）交流输出电压uo的有效值Uo与触发角的关系为（4-4）负载电流io的有效值Io为（4-5）晶闸管电流的有效值IVT为（4-6）tURidtdiLioosin22)22sin(2sinsin212iioUtdtUU*max2222cos)2cos(sin21VToiooIILRUtdiI*max222cos)2cos(sin221VToioVTIILRUII晶闸管电流的最大值Iomax(=0时)为（4-7）为分析方便，设晶闸管电流的有效值IVT的标幺值为I*VT（4-8）则（4-9）22maxLRUIiomax*2oVTVTIIIcos2)2cos(sin2*VTI当触发角和阻抗角已知，可从图4-17中查得晶闸管电流有效值的标幺值I*VT，进而求出电流有效值Io和晶闸管电流有效值IVT。图4-17电流标幺值与控制角的关系4.2.2三相交流调压电路1．Y型三相交流调压电路图4-18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。图4-18Y接三相交流调压电路图4-19Y接三相交流调压电路输出电压、电流波形（电阻负载）2．其他型式三相交流调压电路表4-2几种典型的三相交流调压器比较表4-2几种典型的三相交流调压器比较（续）4.2.3交流斩波调压交流斩波调压电路的输出电压波形如图4-20示。G随时间变化的波形如图4-20（b）所示，开关Sl闭合时间为ton，其关断时间为toff，则交流斩波器的导通比为改变脉冲宽度ton或者改变斩波周期Tc就可改变导通比，实现交流调压。图4-20交流斩波调压电路的输出电压波形4.3交流电力电子开关1．晶闸管交流开关的基本形式图4-21(a)是普通晶闸管反向并联形式。图4-21(b)为双向晶闸管交流开关，双向晶闸管工作于I+、Ⅲ–触发方式，这种线路比较简单，但其工作频率低于反并联电路。图4-21(c)为带整流桥的晶闸管交流开关。该电路只用一只普通晶闸管，且晶闸管不受反压。其缺点是串联元件多，压降损耗较大。图4-21晶闸管交流开关的基本形式2．交流调功器利用晶闸管的过零控制可以实现交流功率调节，这种装置称为调功器或周波控制器。其控制方式有全周波连续式和全周波断续式两种，如图4-22所示。图4-22全周波过零触发输出电压波形(a)全周波连续式(b)全周波断续式设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T（50Hz，T＝20ms），则调功器的输出功率（4-10）调功器输出电压有效值（4-11）Pn、Un为在设定周期Tc内晶闸管全导通时调功器输出的功率与电压有效值。nCPTnTPnCUTnTU图4-23为全周波连续式的过零触发电路。电路由锯齿波发生、信号综合、直流开关、同步电压与过零脉冲输出五个环节组成。图4-23过零触发电路图4-24过零触发电路的电压波形3．固态开关图4-25固态开关4.4交流调压电路应用•4.4.1三相自动控温电热炉•4.4.2异步电动机的软起动•4.4.3交流电动机的调压调速4.4.1三相自动控温电热炉图4-26是一个三相自动控温电热炉电路，它采用双向晶闸管作为功率开关，与KT温控仪配合，实现三相电热炉的温度自动控制。控制开关S有三个挡位：自动、手动、停止。图4-26三相自动控温电热炉电路图4.4.2异步电动机的软起动三相调压电路用于异步电动机的起动已越来越普遍。其控制框图如图4-27所示，三相调压电路采用电流、电压反馈组成闭环系统，起动性能由控制器实现。最常用的软起动方式电压上升曲线如图4-28所示。图4-28软起动电压上升曲线图4-27异步电动机软起动控制框图4.4.3交流电动机的调压调速图4-29交流电动机调节定子电压调速的主电路和机械特性