光耦隔離晶閘管交流調(diào)壓電路過觸發(fā)現(xiàn)象研究＊

張永鋒，孫曉凌，周國順

（大連東軟信息學(xué)院，遼寧大連，116023）

1 引言

晶閘管三相交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用于電機軟啟動、調(diào)壓節(jié)能等領(lǐng)域，其隔離驅(qū)動電路主要分為變壓器隔離和光耦隔離兩種。與變壓器隔離驅(qū)動電路相比，光耦隔離驅(qū)動電路具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，因此應(yīng)用非常廣泛。對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的觸發(fā)及工作原理，目前已有很多的研究及論述，但目前的研究僅限于觸發(fā)角在限定范圍內(nèi)，電路處于正常工作狀態(tài)的情況下。如文獻［1］對晶閘管交流調(diào)壓電路的觸發(fā)方案進行了詳細的研究，但對于觸發(fā)角大于等于150°（相電壓過零點為起點）的情況，文獻［1］認為此時因電流流入相的相電壓已高于流出相的相電壓，三相繞組不能通電，電機不會運轉(zhuǎn)［1］的結(jié)論則不適用于光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路。此時，光耦隔離驅(qū)動電路仍會觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，并可能引起輸出電壓有效值的驟然增大，這就是過觸發(fā)現(xiàn)象。

本文將對光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路的過觸發(fā)現(xiàn)象進行研究，通過理論分析、仿真及實驗，分析過觸發(fā)的原因，給出避免過觸發(fā)現(xiàn)象的控制方法。

2 原理與設(shè)計

圖1所示為常用光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路，其中A、B、C 為三相電源，X1－X6 為6 只晶閘管，P1、P2、P3 為3 路觸發(fā)脈沖。電動機采用星形接法，其中0、1、2 分別接三相調(diào)壓后電源，4 為中性線。此驅(qū)動電路利用3 組觸發(fā)信號就可以達到控制6只晶閘管導(dǎo)通角的作用［2］，詳細工作原理見文獻［2］。

2.1 過觸發(fā)現(xiàn)象仿真

本文采用PSPICE 對圖1中電路進行了仿真，其中異步電動機采用文獻［3］中的異步電機電氣模型，其功率因數(shù)角為27°，其它參數(shù)如圖1所示，觸發(fā)角以自然換相點為起點，觸發(fā)脈沖寬度為30°，采用雙脈沖觸發(fā)［4］。

圖2至圖6中（a） 為A 相電壓波形；（b）為電動機接口0 與接口4 之間的電壓波形，即A 相調(diào)壓后輸出波形；（c）為A相調(diào)壓后輸出電流波形；（d）為A 相電壓與A 相電流乘積的平均值，即A相輸出功率。

通過上述仿真結(jié)果，可以得出A 相輸出功率與觸發(fā)角的關(guān)系，如表1所示。

圖1 光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路

圖2 觸發(fā)角為0°時的仿真波形圖

圖3 觸發(fā)角為30°時波形圖

圖4 觸發(fā)角為60°時波形圖

圖5 觸發(fā)角為90°時波形圖

圖6 觸發(fā)角為100°時波形圖

表1 觸發(fā)角與A 相輸出功率的關(guān)系

由表1可以看出，當(dāng)觸發(fā)角在0°－90°之間變化時，A 相輸出功率與觸發(fā)角的關(guān)系與理論一致。但當(dāng)觸發(fā)角等于100°時，A 相輸出功率迅速增大到最大值，此種現(xiàn)象即為過觸發(fā)。

2.2 過觸發(fā)原因分析及控制策略

導(dǎo)致過觸發(fā)的原因與光耦隔離驅(qū)動電路的工作原理關(guān)系密切。為說明方便，舉例如圖7所示，P1、P2、P3 為三路觸發(fā)脈沖，觸發(fā)角為100°，脈寬為30°。A、B、C 為三相電源，V 為A 相調(diào)壓后輸出波形，I 為A 相電流。

如圖7所示，P1、P3 同時發(fā)出有效觸發(fā)脈沖時刻，電流正從A 相流入電動機，即晶閘管X1 導(dǎo)通，X4 截止。當(dāng)電流I 到達零點時，X1、X4 均處于截止狀態(tài)。當(dāng)AC 兩相的自然換相點到來時，過自然換相點時刻，則C 相電壓高于A 相電壓，此時由于P1、P3 仍然有效，導(dǎo)致晶閘管X1 截止，X4 導(dǎo)通，電流此時從電動機流入A 相，發(fā)生過觸發(fā)現(xiàn)象。如果P1、P3 觸發(fā)脈沖在AC 兩相自然換相點之后無效，則X1、X4 仍將維持截止狀態(tài)，A 相電流繼續(xù)保持零，A 相不輸出功率，也就不會發(fā)生過觸發(fā)。

由以上分析可知，發(fā)生過觸發(fā)的條件是有效觸發(fā)脈沖對結(jié)束前必須出現(xiàn)對應(yīng)的兩相自然換相點和相電流零點，二者缺一不可。那么防止過觸發(fā)最簡單的方式，就是有效脈沖對不要超過對應(yīng)的兩相自然換相點位置。設(shè)觸發(fā)角為α（以自然換相點為起點），觸發(fā)脈沖寬度為β。當(dāng)0°≤α≤120°，0°≤β≤60°時，如要防止過觸發(fā)，則應(yīng)滿足：

需要說明的是，過觸發(fā)時相電流零點位置選取與負載有關(guān)，因此過觸發(fā)時輸出功率并不一定是最大輸出功率。

3 實驗

實驗采用QA100L4B 三相異步電機（星形接法），模擬游梁式抽油機系統(tǒng)，負載為重100kg 鐵塊，如圖8所示。三相電源經(jīng)圖1所示光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路接入異步電機。

實驗系統(tǒng)中觸發(fā)角以自然換相點為起點，觸發(fā)脈沖寬度為30°，采用雙脈沖觸發(fā)。圖9所示為模擬的游梁式抽油機上升階段，實驗測得的異步電機A 相接入端與中性線電壓波形（降壓采樣值），其中（a）觸發(fā)角為60°，（b）觸發(fā)角為100°。從實驗測得的波形可以看出，60°時實驗波形符合正常觸發(fā)結(jié)果，100°時則發(fā)生了過觸發(fā)現(xiàn)象。

圖8 實驗平臺

4 結(jié)論

過觸發(fā)現(xiàn)象可能造成電機瞬間功率驟增，影響工控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對于節(jié)能控制系統(tǒng)則會影響節(jié)能效果。本文通過仿真、實驗分析了常用光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路中存在的過觸發(fā)現(xiàn)象，總結(jié)出了過觸發(fā)的發(fā)生條件，并給出了防止過觸發(fā)的控制策略。

雖然本文僅在光耦隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路中描述了過觸發(fā)現(xiàn)象，但對于3 脈波的變壓器隔離晶閘管三相交流調(diào)壓電路也存在此種現(xiàn)象。

［1］黃美成，盧 潔，彭永進.晶閘管交流調(diào)壓電路的觸發(fā)方案研究［J］.電力電子技術(shù)，2004，35（2）：54－55.

［2］周國順等，張 陽，申 華.基于STM32 的晶閘管三相交流調(diào)壓電路的設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2013，21（13）：173－177.

［3］黃允凱，沈培勇，董劍寧，林鶴云.異步電機變參數(shù)軟啟動仿真［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2012，42（4）：623－627.

［4］王傲能，王國強，康現(xiàn)偉，金富寬.基于鎖相環(huán)的晶閘管觸發(fā)器研究及設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（9）：104－106.