晶闸管交流调压器触发电路分析与设计

  分析交流调压器的工作过程表明 ,仅仅用 电流过零触发方式还不完善 ,这是因为 : ①由于 上述电流过零检测是针对感性负载的 ,在纯阻 性负载时得不到所需的触发脉冲 ; ②在调压器 起动或处于空载时 ,由于电路中还没有电流而 得不到触发脉冲 ; ③当电路还未达到稳定工作 状态时 ,负载电流具有短暂的过渡过程 ,这时不 宜采用电流过零脉冲触发晶闸管 。因此 ,电压 过零触发电路须与电流过零触发电路配合 ,才 能获得理想的性能 ,其部分电路如图 7 所示 。

  根据上述特性 ,在交流调压器中用于检测 电流过零点的电路如图 5 所示 (只示出一个绕 组 ,其余同) ,对流过晶闸管电流零点的检测 ,是 通过连续地监测二极管上的压降来实现的 ,当 二极管上出现一个大的电压脉冲时 ,就表明先 前导通的晶闸管的电流已下降到零而可靠截 止 ,于是这个脉冲就用来触发需要反向导通的 晶闸管 。图 6 示出二极管 VD1 和 VD2 上电压 降的检测电路 ,以此形成晶闸管工作触发脉冲 , 图中 uR 是为增加其噪音裕度而设置的一个

  开关交流调节和整周波控制技术大范围的应用 于交流调压器中 ,但在实际应用中它会产生相 当大的高次和低次谐波失真以及严重的射频干 扰 。为满足实际要出现了以开关调节和整周 波触发的思想为基础 ,应用特殊绕组变压器电 路的晶闸管交流调压器 ,如图 1 所示[1 ,2 ] 。通 过对交流电子开关的整周波触发 ,输出电压波 形连续且只有很小的谐波失真 。这类交流调压 器在纯阻性负载时 ,由于采用了电压过零触发 方式和先进的单片机技术 ,故其性能十分优良 、 工作可靠[1 ,2 ,3 ] ,但是在感性负载时 ,电路对晶 闸管的触发要求相当严格 ,如果仅仅采用电压 过零触发方式 ,则有可能会出现“单向半波整流”现 象 ,甚至发生变压器绕组的局部短路故障[3 ] 。

  ②电动机起动平滑 ,起始电压可调 ,且可保 证电动机起动的最小起动转矩 。

  ④起动时间可调 ,在该时间范围内 ,电动机 的转速逐渐上升 ,以避免转速冲击 。

  过零点时 ,由于电流的滞后 V T2 仍处于导通状 态 ,而这时的电压过零脉冲会使 V T1 导通 ,于 是在绕组 T1 内形成局部通路 ,其电流相当于 V T1 、V T2 及 T1 的短路电流 ,如图 2 所示 ,显然 这会损坏器件和绕组 。但是从奇数组切换到偶 数组时 ,奇数组开关由于承受反向电压而截止 , 则不可能会出现此故障现象 。

  这时电路易出现下述故障 。 (1)“单向半波整流”现象 。设图 1 中 V T1 导通时 V T2 截止 。当流过 V T1 的电流 iL 达到 0 (B 点) 时 , us 已经反向 ,若在电压过零点 (A 点) 的触发脉冲宽度不足 ,则 V T1 在电流为零 时自然截止后没有触发脉冲 ,即出现“单向半波 整流”现象 。为避免它发生则需加宽触发脉冲 (从 C 点至少持续到 D 点以后) ,这显然增加了 开关的门极功耗 。 (2) 变压器绕组局部短路故障 。当开关从 偶数组切换到奇数组时 ,如果在电压过零点与 电流过零点之间任一时刻发出触发脉冲 ,都会 出现此故障 。设 V T1 截止 ,V T2 导通 ,当电压

  采用上述方案的调压器电路已成功地应用 在导弹电子设备抗电网瞬变干扰实验装置的研 制中 ,达到了预期的效果 。该实验装置能产 生电网电压瞬时升高 、降低和断电干扰波形 ,以 检测导弹电子设备的抗干扰的能力 。其电路原理 如图 8a 所示 。首先输出一路正常波形 ,接收到 指令后迅速输出幅值升高或降低的波形 ,持续 设定的时间后回到正常状态 。图 8b 、c 、d 分别是用 FL U KE2105 存贮示波器测得的电压瞬时升高 、 降低和断电波形 。从图中可看出 ,开关切换时 波形过渡相当平稳 ,零点检测准确可靠 。

  与否 ,信号 CTL2 控制是否让触发脉冲加到晶 闸管上 (主要起保护作用) 。在上述 ①～ ③所述 情况下 ,信号 CTL1 = 0 ,则与非门输出为“1”, 电压过零脉冲能够最终靠与门 ;在感性负载下调 压器稳定工作时 ,CTL1 = 1 ,电流过零脉冲通过 与非门和电压过零脉冲相与 ,就可以实现两路脉 冲的联锁 ,控制信号由单片机发出 ,来保证调 压器可靠 、稳定地工作 。

  ⑥具有点动功能 ,点动转矩可调 。 ⑦可满足部分生产的基本工艺 ,优化生产的全部过程 。 ⑧性能可靠 ,使用简单易操作 、方便 、显示直 观 。投放市场多年 ,返修率小于 1 %。 ⑨有相序 、缺相 、过热 、起动过程过流 、运行 过程过流和过载检测等保护 ,其过流值和过载 值可调 。

  因此 ,如采用上述任一方法 ,防止变压器绕 组短路的措施就必不可少 ,从而使交流调压器 电路复杂化 ,达不到低成本和高可靠性的目的 。

  上述问题的处理方法之一就是采用电流过 零触发方式 ,保证已导通的晶闸管完全截止后 再触发另一只开关 。它的优点是 : ①对于同 一只开关而言可缩短触发脉冲的宽度 ,降低开 关门极功耗 ; ②在调压过程中不可能会出现两只开 关同时导通和绕组局部短路现象 。而确保电路 可靠工作的关键就在于如何准确地检测电流过 零点以确认晶闸管完全截止 。

  文献[4 ]中介绍了一种检测连续电流型无 环流周波变流器 (NCC) 输出电流零点和输出电 流极性的方法 ,它可以可靠地应用在该交流调 压器中 ,达到快速 、准确 、可靠地检测电流过零 点 ,并且不再需要防止绕组短路的复杂附加电 路 。如图 4 所示 ,该方法采用普通晶闸管 V T , V T 与二极管 VD 串联电路具有以下特性 :当 反向电压突然加到 V T 与 VD 的串联电路上 时 ,开始时 VD 上的电压差不多等于所施加的 反向电压 ,然后衰减到零 。

  图 4 示出 STRA 系列模糊控制软起动器 与传统起动设备的起动电流波形比较 。

  合肥 :中国科学技术大学出版社 ,1992. 2 戎月莉. 计算机模糊控制原理及应用. 北京 :北京航

  空大学出版社 ,1995. 3 涂时亮 ,张友德. 单片机控制技术. 上海 : 复旦大学

  电流过零点的检测 ,要求具有相当的精度 和快速的响应 。现有的检测的新方法有 :

  (1) 小电阻法 。如图 3a 所示 。该电路只适 用于功率较低 、电流很小的场合 ,其成本高 、功 耗大的缺陷限制了它在该调压器中的使用 。

  (2) 磁敏二极管或霍尔电流传感器法 。如 图 3b 所示 。此法在电流过零点处形成一个禁 区 ,使电流过零点的检测产生了不希望有的延 迟 ,故在开关切换过程中会出现同时截止的波 形缺口 。

  对于各种各样的形式的晶闸管交流调压器 ,采用 该办法能够准确地检测流过晶闸管的电流过零 点 ,并且有较强的抗干扰的能力 ,因此不再需要复 杂的防止绕组和开关短路的措施 ,且不会出现 “单向半波整流现象”。在实际应用中不必对每 一组晶闸管都检测其电流过零点 ,只需对主回 路中在任何情况下都处于工作状态的晶闸管进 行电流过零检测 ,其余的晶闸管则可通过这 一触发信号 ,从而使电路得到简化 。

  (a) 抗电网瞬变干扰实验装置原理图 (b) 电压瞬时升高波形图 (维持的时间 60ms) (c) 电压瞬时降低波形图 (维持的时间 50ms) (d) 瞬时断电波形图 (维持的时间 60ms)

  图 1 中的开关元件采用双向晶闸管 ,本文 先对双向晶闸管在该类交流调压器中的工作过 程作简要的分析 。在纯阻性负载下 ,电源电压

  与负载电流同相位 ,只需用电压过零触发方式 便能保证电路可靠工作并有很好的调压效果 。 在感性负载下 ,电源电压 us 与负载电流 iL (即 流过双向晶闸管的电流) 存在相位差 φ,如图 2 所示 。

  (3) 反并联二极管法 。如图 3c 所示 。该方 法简单却存在以下不足 :当负载电流减小到零 附近时 ,检测到的二极管压降有可能会出现跳动 ,很 难准确地检测到真正的电流过零点 ;由于二极 管的最大压降为 0. 7V ,而必然存在的干扰噪声 会导致电流过零点的误测 ,即噪声裕度很小 。

  图 3 电流过零检测 (a) 小电阻法 (b) 电流传感器法 (c) 反并联二极管法

  据此本 文 提 出 一 种 起 动 时 用 电 压 过 零 触 发 ,然后自动切换成电流过零触发的方案 ,并在 电压过零触发电路中采用一种新型的电流过零 检测技术 ,有效地防止了上述故障现象的发生 , 保证电路可靠工作 ,并成功应用于导弹电子设 备抗电网瞬变干扰实验装置的研制中 ,很好地 满足了设计要求 。

  摘要 :分析了晶闸管交流调压器在感性负载时仅采用电压过零触发方式的不足 ,提出一种电压过零 触发与电流过零触发联锁触发晶闸管开关的方法 ,并在电流过零触发电路中采用一种新型的电流过零 检测技术 ,提高了系统运行的可靠性 。