呂平一++于勇++要林偉++陳亞東++陳思瑤

摘 要：該文分析了晶閘管三相交流調(diào)壓光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路中的過觸發(fā)現(xiàn)象，即以自然換相點(diǎn)為起點(diǎn)，當(dāng)觸發(fā)脈沖大于120時(shí)，輸出電壓有效值可能驟然增加的現(xiàn)象。過觸發(fā)現(xiàn)象可能造成異步電機(jī)失控，從而帶來破壞性影響。該文通過理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)，分析了過觸發(fā)現(xiàn)象的原因，并給出了避免過觸發(fā)現(xiàn)象的控制方法。

關(guān)鍵詞：晶閘管 光耦隔離 過觸發(fā)

中圖分類號：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0090-03

Research on Over Trigger for Opto-IsolatedThyristor

AC-Voltage Regulator

Dalian Neusoft University of Information，Dalian 116023，China

Abstract：This paper analyzes over trigger phenomenonfor opto-isolated thyristor AC-voltage regulator，which meansfrom the starting point（natural phase change point）， when trigger pulseis greater than 120？， the output voltage RMS may suddenly increase. Over trigger may cause out of control on asynchronous motors， leading to devastating effects.By theoretical analysis， simulationand experiments，this article analyzes the causes of the over trigger phenomenon， and gives control methods to avoid it.

Keywords：Thyristor；Opto-Isolated； Over trigger

Foundation Project：Supported byDalian Science and Technology Fund，2013J21DW005

晶閘管三相交流調(diào)壓電路主要應(yīng)用于電機(jī)軟啟動(dòng)、調(diào)壓節(jié)能等領(lǐng)域，其隔離驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路相比，光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn)1對晶閘管交流調(diào)壓電路的觸發(fā)方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究，但對于觸發(fā)角大于等于150°（相電壓過零點(diǎn)為起點(diǎn)）的情況，認(rèn)為此時(shí)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(jī)不會運(yùn)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(shí)，光耦隔離驅(qū)動(dòng)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。

該文將針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(jìn)行研究，通過理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)，分析過觸發(fā)的原因，并給出避免過觸發(fā)現(xiàn)象的控制方法。

1 原理與設(shè)計(jì)

圖1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為六只晶閘管，P1、P2、P3為3路觸發(fā)脈沖。電動(dòng)機(jī)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(dòng)電路利用3組觸發(fā)信號就可以達(dá)到控制6只晶閘管導(dǎo)通角的作用[2]。

1.1 過觸發(fā)現(xiàn)象仿真

該文采用PSPICE對圖1中電路進(jìn)行了仿真，其中異步電動(dòng)機(jī)采用文獻(xiàn)3中的異步電機(jī)電氣模型，其功率因數(shù)角為27°，其他參數(shù)如圖1所示，觸發(fā)角以自然換相點(diǎn)為起點(diǎn)，觸發(fā)脈沖寬度為30°，采用雙脈沖觸發(fā)[4]。

圖2和圖3中（a）為A相電壓波形；（b）為電動(dòng)機(jī)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。

當(dāng)觸發(fā)角在0°～90°之間變化時(shí)，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(shí)，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)。

1.2 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(dòng)電路的工作原理關(guān)系密切。為說明方便，舉例如圖4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4所示，P1、P3同時(shí)發(fā)出有效觸發(fā)脈沖時(shí)刻，電流正從A相流入電動(dòng)機(jī)，即晶閘管X1導(dǎo)通，X4截止。當(dāng)電流I到達(dá)零點(diǎn)時(shí)，X1、X4均處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)AC兩相的自然換相點(diǎn)到來時(shí)，過自然換相點(diǎn)時(shí)刻，則C相電壓高于A相電壓，此時(shí)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(shí)從電動(dòng)機(jī)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(diǎn)之后無效，則X1、X4仍將維持截止?fàn)顟B(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)的條件為有效觸發(fā)脈沖對結(jié)束前必須出現(xiàn)對應(yīng)的兩相自然換相點(diǎn)和相電流零點(diǎn)，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(diǎn)位置。設(shè)觸發(fā)角為（以自然換相點(diǎn)為起點(diǎn)），觸發(fā)脈沖寬度為。當(dāng)，時(shí)，如要防止過觸發(fā)，則應(yīng)滿足：

需要說明的是，過觸發(fā)時(shí)相電流零點(diǎn)位置取與負(fù)載有關(guān)，因此過觸發(fā)時(shí)輸出功率并不一定是最大輸出功率。endprint

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用ABB公司QA100L4B三相異步電機(jī)（星形接法），模擬游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)，負(fù)載為重100kg鐵塊，如圖5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(jī)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中觸發(fā)角以自然換相點(diǎn)為起點(diǎn)，觸發(fā)脈沖寬度為30°，采用雙脈沖觸發(fā)。圖6為模擬的游梁式抽油機(jī)上升階段，實(shí)驗(yàn)測得的異步電機(jī)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(shí)驗(yàn)測得的波形可以看出，60°時(shí)實(shí)驗(yàn)波形符合正常觸發(fā)結(jié)果，100°時(shí)則發(fā)生了過觸發(fā)現(xiàn)象。

3 結(jié)論

過觸發(fā)現(xiàn)象可能造成電機(jī)瞬間功率驟增，影響工控系統(tǒng)運(yùn)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。該文通過仿真、實(shí)驗(yàn)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。

雖然該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。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃美成，盧潔，彭永進(jìn).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.

Huang Meicheng，Lu Jie，PengYongjin.Research on Trigger Methods for Thyristor AC-Voltage Regulator[J]. Power Electronics，2004，35（2）：54-55.

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

Zhou Guoshun，Zhang Yang，ShenHua. Design of SCR Three-Phase AC-Voltage Regulator Based on STM32 MCU[J]. Electronic Design Engineering，2013，21（13）：173-177.

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

Huang Yunkai，ShenPeiyong，Dong Jianning， et al.Simulation of Soft-Starting Induction Motor with Variable Parameter Model[J].Journal of Southeast University，2012，42（4）：623-627.

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

Wang Aoneng，Wang Guoqiang，Kang Xianwei，et al.Design and Research on Thyristor Trigger Based on PLL[J].Power Electronics，2013，47（9）：104-106.endprint