第六章 电气照明

第六章交流调压电路 只改变交流电压或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路。交流调压电路、交流过零调功电路是交流电力控制电路的常用形式。它们有很多共同点，比如多数电路都采用晶闸管作为开关元件，晶闸管连接方式相同，电力变换时，它们都不改变交流电的频率；它们又有很多区别，比如它们的控制目标不同，因此导致控制方式的不同，交流调压电路控制的目标是输出电压的有效值，交流过零调功电路控制的目标是输出平均功率。 交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）和异步电机软启动，也应用于异步电动机调速；在高压小电流或低压大电流直流电源中，也用于调节整流变压器一次侧电压。交流过零调功电路用于时间常数很大的电热负载的控制，如电炉温度控制等。 本章主要介绍交流调压电路、交流过零调功电路的工作原理及交流调压电路的应用。 第一节单相交流调压电路 采用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以很方便地调节输出电压的有效值。交流调压器的晶闸管控制通常有通断控制和相位控制两种方法。 通断控制是将晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期，然后再断开几个周期，通过改变通断时间的比值达到调压的目的。 相位控制是使晶闸管在电源电压的每一个周期中，在选定的时间内将负载与电源接通，通过改变选定的时刻可达到调压的目的。 用晶闸管组成的单相交流调压电路有多种形式，可以由一只双向晶闸管组成，也可以使用两只普通的晶闸管来完成。以下以使用两只普通的晶闸管反向并联组成的电路为例，来分析单相交流调压电路的工作原理。 图6-1 (a)所示为单相交流调压主电路原理图。如图6-1 (a)所示，在负载R和交流电源之间用两个反向并联的晶闸管VT1、VT2（也可以采用双向晶闸管）。当电源电压正半周时触发VTI，电流流过负载R，负载R上有电压“。；负半周时触发VT2，负载R上有电压，铭。为负值。VTI、VT2如同一个无触点开关，允许频繁操作。若正、负半周以同样的移相角口触发VT1、VT2，则负载电压有效值可以随口而改变，实现交流调压。 单向交流调压电路的工作情况栩它的负载性质有关，下面根据负载性质对单相交流调压器的工作情况分别予以介绍。 一、电阻性负载 在电源“的正半周内，晶闸管VTI承受正向电压，在(vt一口时刻，晶闸管VT1触发导通，有电流i流过负载R，负载R上获得缺口角的正弦半波电压，在-7c时刻，电源电压，过零，电流i-0，晶闸管VTI截止。在电源电压材的负半周，晶闸管VT2承受正向电压，在一7c+a时刻，晶闸管VT2触发导通，有电流i反向流过负载R，负载R上获得缺口角的正弦负半波电压。在=27r时刻电流i-0，晶闸管VT2截止。每个周期重复上述控制过程在负载电阻上就可以获得输出交流电压波形如图6-1 (b)所示。改变口角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。电阻负载单相交流调压的数量关系如下所述。电路输出交流电压的有效值为式中o负载电压有效值； U-电源电压有效值； 口晶闸管的控制角，移相范围为O兀。 当口20时，相当于晶闸管一直接通，Uou，为最大输出电压；随着口角的增大，电 _阻R上的电压有效值Uo逐渐减O当a2兀时，阢=o。因此，单相交流调压器对于电阻性负载其电压的输出调节范围为ou。此外，当口。o时功率因数A=1，随着口角的增大，输入电流滞后于电压而且发生畸变，功率因数叉也逐渐降低。 二、电感性负载 6-2 (a)为线圈、交流电动机或经过变压器再接电阻负载时，这种负载称为电感性负载。图62(a)所示为电感性负载单相交流调压电路。RL负载是交流调压器最常见的负载。由于电感性负载电路中电流的变化滞后于电压的变化，因此与电阻性负载相比就有些新的特点。当电源电压反向过零时，由于负载电感中产生感应电动势阻止电流变化，因此电流不能立即为零，即电压过零时晶闸管关不断，还将继续导通到负半周。晶闸管的导通角日的大小不但与控制角口有关，而且与负载阻抗角p(arctan警)有关。在一个晶闸管导通时，它的管j压降成为另一晶闸管的反向电压而使其截止。于是在一个晶闸管导电时，其负载电流zo为 另一个晶闸管导通时，情况完全相同，只是i。相差180。其负载电流输出波形如图 62(b)所示。 导通角护可由边界条件求得。当cut -a+曰时，io=o。将此条件代人式(6 -5)可求得导通角护与控制角a、负载阻抗角P之间的定量关系表达式为 sin(口+曰p) = sin（口一。）e一茜 (6 -6) 针对交流调压器，导通角180。，再根据式(6 -6)可得到以P为参变量的口与口的关系，即日2厂（口，P）曲线，如图6-3所示。 下面分别就acp. a-叭acp时 当acp时由式(6-6)可以判断出导通角0180。，负载电路处于电流断续状态。口越大，口越小，波形断续愈严重。 （二）a-cp时 当a-P时由式(6 -6)可知每个晶闸管的导通角曰：180。此时，每个晶闸管轮流导通1800,相当于两个晶闸管轮流被短接，负载电流处于临界连续状态，输出完整的正弦波。 （三）a9时 当ap口， 所以VT2的导通角妖7c。从第二 个周期开始，VTI的导通角逐渐 减小，VT2的导通角将逐渐增大， 直到两个晶闸管的口=丌时达到平 衡，这时电路的工作状态与口=。 时相同。之所以会逐渐过渡到平衡 状态，是因为VT1被首次触发以 后，电路的工作情况与两个晶闸管 被短接时一样，电路的过渡过程和L负载的普通单相交流电路在一口时合闸发生的过渡过程完全相同。在acp时，负载电压的有效值Uo为 综上所述，可以归纳出单相交流调压电路具有以下JL个特点。 (1)带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角口可以改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。 (2)带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当口P时会发生一个晶闸管无法导通的现象，产生很大的直流分量，会烧毁熔断器或晶闸管。 (3)带大电感性负载时，最小控制角口州。一妒（负载功率因数角），所以口的移相范围为g180。，而带电阻性负载时移相范围为O。180。 例6-1由晶闸管反向并联组成的单相交流调压器，电源电压有效值Us =2300V，当负载为电阻时，阻值在1. 152. 3Q之间变化，预期最大的输出功率为2300kW，计算晶闸管所承受的电压的最大值，以及输出最大功率时晶闸管电流的平均值和有效值。如果负载为阻性加感性负载，R=2.3fl，cvL=2.3CZ，那么控制角范围和最大输出电流的有效值又是多少？ 解(1)负载为电阻时。 1)当R=2. 3fl时，如果调压器输出最大功率，则此时应为口：o，输出功率为P=IzR，则 2)当R=1. 15,Q时，如果调压器向负载输出规定的最大功率，则口0。设此时负载电流为I。，由P。=12R=2300kW，得 ，。= 1414(A) 此时晶闸管电流的有效值为 IVT一老=1000A I、rr的最大值为IOOOA，IdVT的最大值为450A，加到晶闸管的正、反向最大电压为厄X2300V=3253V。 (2)电感性负载的功率因数角为 第二节流调压电路单向交流调压器用于单相负载如果单相负载容量过大，就会引起三相不平衡，影响电网供电质量因此容量较大的负载大多分为三相。要适应三相负载的要求，就需要用三相交流调压。三相交流调压器接线形式很多，较为常见的接线方式有三种，即星形连接带中性线的三相交流调压电路、晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路和用三对反并联晶闸管连接成的三相三线交流调压电路。 因为双向晶闸管可以看成是两只普通的晶闸管的反并联，所以由普通的晶闸管反并联组成的三相交流调压电路，都可以用一只双向晶闸管代替两只反并联的普通晶闸管组成相应的三相交流调压电路。 一、星形连接带中性线的三相交流调压电路 图6-6所示为负载按星形连接带中性线的三相交流调压电路，该电路各相通过中性线自成回路，实际上相当于三个单相交流调压电路的组合。晶闸管的导通顺序在如图6-6所示排列的情况下为VTI、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。触发脉冲间隔为60。其触发电路可以套用三相全控桥式整流电路的触发电路。由于有中性线，只需要一个晶闸管导通，负载就有电流流进，因此可以采用窄脉冲触发。 在三相正弦交流电路中，由于各相电流iu、iv、zw相位互差120。，因此中性线电沆iN0。在交流调压电路中，每相负载电流为正负对称的缺角正弦波，这包含有较大的奇次谐波电流，主要是三次谐波电流。当口一90。时，三次谐波电流最大。在三相电路中各相三次谐波是相同的，因此中性线的电流lN为一相三次谐波电流的3倍，数值较大，近似等于各相电流的有效值。若变压器采用三柱式结构，则三次谐波磁通不能在铁芯中形成通路，从而产生较大的漏磁通，引起变压器的发热和噪声，对线路和电网均带来不利影响。因此这种电路的应用有一定的局限性。 二、晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路 图6-7所示为晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路，可以把它看成是三个由线电压供电的单相交流调压电路的组合。晶闸管口=o的点应定在线电压的零点上，VT1VT6的触发脉冲依次相差60。它的优点是由于晶闸管串接在三角形的内部，流过晶闸管的电流是相电流，因此在同样线电流的情况下，晶闸管电流容量可以降低。此外，其线电流中3的倍数次谐波分量为零，对电源影响及对通信、广播的干扰都较小。其缺点是负载必须能拆成三个部分才能连接成此种电路。过晶闸管的电流是相电流，因此在同样线电流的情况下，晶闸管电流容量可以降低。此外，其线电流中3的倍数次谐波分量为零，对电源影响及对通信、广播的干扰都较小。其缺点是负载必须能拆成三个部分才能连接成此种电路。 三、用三对反并联晶闸管连接成的三相三线交流调压电路 图6-8所示为用三对反并联晶闸管连接成的三相三线交流调压电路，负载可以连接威星形，也可以连接成三角形。由于没有中性线，每相电流必须和另一相构成回路，即必须保证两相晶闸管同时导通负载中才有电流通过。触发电路与三相全控桥式整流电路一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。 现以电阻负载连接成星形为例，分析其工作原理。 首先要确定电路中门极起始控制点，把图6-8中的晶闸管换成二极管可以看出，在电阻性负载时，从相VT1过零时刻开始，相应的二极管就导通。因此口：o的点应定在各相电压过零点。晶闸管VTl. VT3. VT5的触发相位差是120。，晶闸管VT4. VT6. VT2的触发相位也相差1200，同相的两个晶闸管的触发相位相差180。所以，VT1VT6的触发相位也依次相差60。 当改变口时，三相三线交流调压器有两种不同的工作状态：在同一时刻，每一相都有一只晶闸管导电，称为一类工作状态；在同一时刻，有一相两个晶闸管都不导通，另外两相各有一个晶闸管导通，称为二类工作状态。 1控制角口一O。 口一o。时的工作状况属于一类工作状态，其波形图如图6-9所示。口一o。时茌相应的每相电压过零处给晶闸管触发脉冲。 例如，VTI在U相电压过零变正时导通，过零变负时承受反向电压而自然关断，接着VT4导通，晶闸管的导通角为180。其他两相的导通情况与此相同。这就相当于将六只晶闸管换成六只整流二极管，因此三相正、反向电流都畅通，相当于一般的三相交流电路。当每相的负载电阻为R时，各相的电流为i，n一等字。晶闸管的导通顺序在如图6-8所示排列的。隋况下为VTI、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。触发电路的脉冲间隔为60。；每只管子的导通角为口= 180。，除换流点外，每个时刻均有三只晶闸管导通。 2控制角a-60。 当口260。时，电路全部工作在二类工作状态，由图6 - 10 (a)可知，同一时刻只有不同相的两个晶闸管导通。，时刻触发晶闸管VT1导通，与导通的晶闸管导VT6构成电流回路，此时在线电压uuv的作用下U相电流为 t2时刻，晶闸管VT2被触发，晶闸管VTI与VT2构成电流回路，此时线电压U作用下的U相电流 t3时刻，晶闸管VTI截止，晶闸管VT4还未导通，所以iu-o。 cot4时刻，晶闸管VT4被触发，iu在电压uuv的作用下，经过品闸管VT3. VT4构l回路。同理在cvts (Ot6期间，电压uuw经过晶闸管VT4. VT5构成回路，i。电流波形如E6 - 10 (a)剖面线所示。经过同样的分析可得到ZV.iw波形，其形状与i。相同，只是相t互差1200。 肖口-900时，电流开始断续。图6 - 10 (b)所示为口：120。时的电流波形。当wt时刻硅发晶闸管VTl导通时，与导通的晶闸管VT6构成电流回路，导通到cotz时，由于ULN过蓼反向强迫晶闸管VT1截止（晶闸管VTI先导通了300）。当。时，晶闸管VT2触发孚通，此时由于采用了脉宽大于60。的宽脉冲或双窄脉冲的触发方式，因此VT2管仍有脉冲触发，此时在线电压“U、v作用下经VT、VT2管构成回路，使晶闸管VTI又重新导通3000从图6- 10 (b)可知，当口增大到1500时，iU=o。因此，电阻负载时电路的口角移相范围为O。150。，导通角0- 180。-a。 第三节交流过零调功电路 交流过零调功电路以交流电源周波数为控制单位，利用过零触发，调节晶闸管通断周波数的方式来控制输出功率，简称调功器或周波控制器。 一、调功器的工作原理 图6 - 11所示为过零触发单相交流调功和三相交流调功电路。交流电源电压“以及VTI和VT2的触发脉冲“gl、“。z的波形分别如图6- 12所示。由于各晶闸管都是在电压“过零时加触发脉冲的，因此这种触发方式又被称为过零触发。 交流调功器对功率的调节方法如下：在设定的运行周期Tc内，用零压开关接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变晶闸管在设定周期内的通断时间的比例，达到调节负载上交流平均电压即负载功率的目的。 如设定运行周期Tc内的周波数为行，每个周波的周期为丁(20ms)，频率为50H。，则调功器的输出功率P。为 式(6 - 15)中，Tc应大于电源电压一个周波的时间且远远小于负载的热时间常数，一般取Is左右就可满足工业要求。上三式中T-电源的周期，ms； n-调功器运行周期内的导通周波数； ， PN额定输出容量（晶闸管在每个周波都导通时的输_出容量）妒一：一H蔼： U2N-每相的额定电压，V; 12N每相的额定电流，A; kz-导通比。 。 由输出功率Po的表达式可见，控制调功电路的导通比就可实现对被调对象（如电阻！炉）的输出功率的调节控制。 在交流调功电路中，由于采用了过零触发，因此避免了相位控制时缺角正弦波产生的无线电射频干扰，减小晶闸管触发导通时瞬态浪涌电流和电流变化率di/dt值，使负载上的电压或电流均为完整的正弦波，减小对电网造成通常意义的谐波污染。但交流调功电路不能平滑调节电压，不能使用普通的电压表、电流表测量，不适合调光等场合。 二、调功电路实例 图6 - 13中，由两只晶闸管反并联组成交流开关，该电路是一个包括控制电路在内的单相过零调功电路。过零触发电路由锯齿波发生器、信号综合、直流开关、同步电压与过零脉冲触发五个环节组成。该电路的工作原理简述如下： (1)锯齿波是由单结晶体管BT、R，、R2、R。、R，和c组成的张弛振荡器产生的，经陂跟随器(V1、R4)输出。(2)控制电压Ue与锯齿波电压进行电流叠加后送到V2的基极，合成电压为u。当Us0时，V2导通；Uso(0.7V)时，V2导通，Ube3接近零电位，V3截止，直流开关阻断。当Ube2 0时，V2截止，由R8、V22和R。组成的分压电路使V。导通，直流开关导通，输出24V直流电压。 (4)由同步变压器TC、整流桥VDI及R。、R，、VZ组成一个削波同步电源，这个电源与直流开关的输出电压共同去控制V4与vs。只有在直流开关导通期间，V4与V5集电 极和发射极之间才有工作电压，才能进行工 作。在这期间，同步电压每次过零时，V4截 止，其集电极输出一个正电压，使V5由截止 转导通，经脉冲变压器输出触发脉冲。此脉 冲使晶闸管导通。 该电路中各点的输出波形如图6 - 14所示。 在直流开关导通期间输出连续的正弦波，控制电压Ue的大小决定了直流开关导通时间的长短，开关导通的周波数也就相应变化，从而实现对输出功率的调节。 显然，控制电压U。越大，导通的周波数越多，输出的功率就越大，电阻炉的温度也就越高；反之，电阻炉的温度就越低。利用这种系统就可实现对电阻炉炉温的控制。 第四节交流调压电路的应用实例 一、软启动器 应用三相交流调压电路可以构成电动机软启动器，如图6 - 15所示。它的意义在于面以减少启动电流（实际上是降低启动电压）；使电动机在启制动过程中，将电压缓慢地在电动机上，使电动机和负载平滑地进行加速及减速。通过软启动器装置相控调压启动转矩逐渐增加，减少损耗，延长电动机和电源的寿命；另一方面，大大地减低了j始浪涌电流，减少了对电网的干扰。在不需要变速的场合下，它比变频器具有更好的“能价格比。 二、晶闸管电镀电源 低压大电流电路：交流输入电压380v. 50Hz；直流输出电流o1500A，直流输出压018V。，：、，晶闸管电镀电源的主电路如图6 -16所示。整流变压器TR的一次侧接成星形连接带性线的三相交流调压电路，每相用一只双向晶闸管与TR的一次侧绕组串联实现交流调j变压器二次侧采用带平衡电抗器L的双反星形整流电路，用12只整流二极管并联成6路出。指示灯HL。HL3供操作者检查三相晶闸管的工作是否对称。当QIQ3接通时个指示灯应该亮度一样，若某一相灯泡较暗或不亮，即该相电路工作不正常。FU选用快速熔断器，TA为电流互感器，用于电流反馈和过电流保护信号取样，取样信号送到控制电路。 本章小结 只改变交流电压或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电。交流调压电路、交流过零调功电路是交流电力控制电路的常用形式。 交流调压器的晶闸管控制通常有通断控制和相位控制两种方法。通断控制是将晶闸管为开关将负载与交流电源接通几个周期，然后再断开几个周期，通过改变通断时间的比值达到调压的目的。相位控制是使晶闸管在电源电压的每一个周期中，在选定的时间内将负载与电源接通，通过改变选定的时刻即可达到调压的目的。 本章主要介绍了单相交流调压电路电阻性负载和感性负载时的工作情况以及三相交流调压电路的多种连接方式及各自特点，以及交流过零调功电路的原理及应用。其中详细介绍了单相交流调压电路和三相三线交流调压电路的工作原理。本章最后还介绍了交流调压电路的应用实例。 思考题与习题 6-1什么是交流调压电路，交流变换电路有哪些类型？ 6-2在单相交流调压电路中，当控制角小于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？ 6-3 晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？ 6-4 晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路的优点是什么？ 6-5图6-8所示三相三线交流调压电路在不同的控制角口时，为什么会有两类工作状态？控制角口的有效控制范围为什么是00口15007 6-6交流调压和交流调功电路有何区别？ 6-7 -电阻炉由单相交流调压电路供电，如口=o。时为输出功率最大值，试求功率为80%、50%时的控制角口。 6-8 单相交流调压电路，输入电压为220V，负载为阻性加感性负载，R=2.5Q，coL=2. 5Q。试求： (1)控制角范围； (2)负载电流的最大有效值。