光耦隔離晶閘管交流調壓電路過觸發現象研究

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壓光耦隔離驅動電路中的過觸發現象，即以自然換相點為起點，當觸發脈沖大于120時，輸出電壓有效值可能驟然增加的現象。過觸發現象可能造成異步電機失控，從而帶來破壞性影響。該文通過理論分析、仿真及實驗，分析了過觸發現象的原因，并給出了避免過觸發現象的控制方法。

關鍵詞：晶閘管 光耦隔離 過觸發

中圖分類號：G71 文獻標識碼：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

晶閘管三相交流調壓電路主要應用于電機軟啟動、調壓節能等領域，其隔離驅動電路主要分為變壓器隔離和光耦隔離兩種。與變壓器隔離驅動電路相比，光耦隔離驅動電路具有體積小、成本低、可靠性高等優點，因此應用非常廣泛。對晶閘管三相交流調壓電路的觸發及工作原理，目前已有很多研究及論述，但目前的研究僅限于觸發角在限定范圍內，電路處于正常工作狀態的情況下。如文獻1對晶閘管交流調壓電路的觸發方案進行了詳細的研究，但對于觸發角大于等于150°（相電壓過零點為起點）的情況，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[1]的結論則不適用于光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路。此時，光耦隔離驅動電路仍會觸發晶閘管導通，并可能引起輸出電壓有效值的驟然增大，這就是過觸發現象。

該文將針對光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路的過觸發現象進行研究，通過理論分析、仿真及實驗，分析過觸發的原因，并給出避免過觸發現象的控制方法。

1 原理與設計

圖1為常用光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路，其中A、B、C為三相電源，X1～X6為六只晶閘管，P1、P2、P3為3路觸發脈沖。電動機采用星形接法，其中0、1、2分別接三相調壓后電源，4為中性線。此驅動電路利用3組觸發信號就可以達到控制6只晶閘管導通角的作用[2]。

1.1 過觸發現象仿真

該文采用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，其功率因數角為27°，其他參數如圖1所示，觸發角以自然換相點為起點，觸發脈沖寬度為30°，采用雙脈沖觸發[4]。

圖2和圖3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相調壓后輸出波形；（c）為A相調壓后輸出電流波形；（d）為A相電壓與A相電流乘積的平均值，即A相輸出功率。

通過上述仿真結果，可以得出A相輸出功率與觸發角的關系。

當觸發角在0°～90°之間變化時，A相輸出功率與觸發角的關系與理論一致。但當觸發角等于100°時，A相輸出功率迅速增大到最大值，此種現象即為過觸發。

1.2 過觸發原因分析及控制策略

導致過觸發的原因與光耦隔離驅動電路的工作原理關系密切。為說明方便，舉例如圖4所示，P1、P2、P3為三路觸發脈沖，觸發角為100°，脈寬為30°。A、B、C為三相電源，V為A相調壓后輸出波形，I為A相電流。

如圖4所示，P1、P3同時發出有效觸發脈沖時刻，電流正從A相流入電動機，即晶閘管X1導通，X4截止。當電流I到達零點時，X1、X4均處于截止狀態。當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，導致晶閘管X1截止，X4導通，電流此時從電動機流入A相，發生過觸發現象。如果P1、P3觸發脈沖在AC兩相自然換相點之后無效，則X1、X4仍將維持截止狀態，A相電流繼續保持零，A相不輸出功率，也就不會發生過觸發。

由以上分析可知，發生過觸發的條件為有效觸發脈沖對結束前必須出現對應的兩相自然換相點和相電流零點，二者缺一不可。那么防止過觸發最簡單的方式，就是有效脈沖對不要超過對應的兩相自然換相點位置。設觸發角為（以自然換相點為起點），觸發脈沖寬度為。當，時，如要防止過觸發，則應滿足：

需要說明的是，過觸發時相電流零點位置取與負載有關，因此過觸發時輸出功率并不一定是最大輸出功率。endprint

2 實驗

實驗采用ABB公司QA100L4B三相異步電機（星形接法），模擬游梁式抽油機系統，負載為重100kg鐵塊，如圖5所示。三相電源經圖1所示光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路接入異步電機。

實驗系統中觸發角以自然換相點為起點，觸發脈沖寬度為30°，采用雙脈沖觸發。圖6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）觸發角為60°，（b）觸發角為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結果，100°時則發生了過觸發現象。

3 結論

過觸發現象可能造成電機瞬間功率驟增，影響工控系統運行的穩定性，對于節能控制系統則會影響節能效果。該文通過仿真、實驗分析了常用光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路中存在的過觸發現象，總結出了過觸發的發生條件，并給出了防止過觸發的控制策略。

雖然該文僅在光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路中描述了過觸發現象，但對于3脈波的變壓器隔離晶閘管三相交流調壓電路也存在此種現象。

參考文獻

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

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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