實用的三相斬控式交流調壓電路設計

田紅霞，江培蕾，孫茂松

（唐山學院 信息工程系，唐山 063000）

實用的三相斬控式交流調壓電路設計

田紅霞，江培蕾，孫茂松

（唐山學院 信息工程系，唐山 063000）

0 引言

隨著電力電子技術的不斷發展，實現三相交流調壓的自藕變壓器逐漸被晶閘管取代了[1]。但是這種通過控制晶閘管的導通角來調節三相負載上的電壓，實現調壓的目的的方法卻存在一定的缺點：當電壓較低時，電壓波形缺口大，使電壓諧波分量較大；對電動機負載來說，會使電動機轉矩脈動和噪聲增加，附加損耗增加，溫升過高，對電動機的運行不利[2]。因此，本文提出一種針對Y型接法的三相對稱負載，僅采用一只自關斷型電力電子器件IGBT作為開關元件而實現的斬控式調壓的電路。同時該電路在帶感性負載時，通過對連接在負載兩端的電子開關控制避免了因負載電流突變使得IGBT易損壞的問題。

1 工作原理

圖1 三相Y接對稱性負載斬控式調壓電路原理圖

圖l所示為三相對稱負載（Y接）斬控調壓電路原理圖。電動機的三相定子繞組U、V、W端分別接在三相供電電源上，X、Y、Z端則分別接到由VD1-VD6六只整流二極管構成三相整流電路的三支橋臂上。整流電路中的共陽極與共陰極兩端接有一個自關斷型電力電子器件作為開關元件K1。當開關元件K1被觸發導通時，整流電路中的共陽極和共陰極兩端被短接，整流二極管VD1-VD6導通，感應電動機的三相定子繞組X、Y、Z端短接在一起。三相電源電壓施加到感應電動機的三相定子繞組上，感應電動機便工作于自然工作狀態。當開關元件K1被阻斷時，使整流電路中的共陽極與共陰極兩端斷路，整流二極管VD1-VD6阻斷，感應電動機的三相定子繞組X、Y、Z端斷路，三相電源電壓不能施加到感應電動機的三相定子繞組上，感應電動機便工作于自由停車工作狀態。由于開關元件K1為自關斷型電力電子器件，可以通過驅動使開關元件K1工作在一定開關頻率下，并通過控制開關元件K1的導通和阻斷的占空比，從而達到控制和改變施加到感應電動機三相定子繞組上的電壓，使加到電動機三相定子繞組上的電壓為正弦電壓被斬波后的包絡正弦電壓，實現調壓的目的。

2 觸發脈沖的控制方式

當開關元件K1的觸發脈沖位置選擇不當時，將造成三相負載中各相負載間電壓的不平衡，每相負載將產生直流電壓分量。為使三相對稱性負載所加電壓的正、負半周對稱而不產生直流分量，采用觸發脈沖要與每相電源相電壓的過零點進行一次同步的方法，即每60o在一相電源電壓過零點時就對觸發脈沖進行一次同步。使開關元件K在同步點的觸發脈沖頻率為6×50 Hz。開關元件K1的觸發脈沖頻率可以選擇為6×50×N Hz，N取整數。觸發脈沖最高頻率受IGBT和二極管開關頻率的限制。觸發脈沖的占空比可調，觸發脈沖的最大可調脈沖寬度決定于觸發脈沖的頻率，當觸發脈沖頻率為6×50×N Hz時，最大脈沖寬度為60o/N。

3 實驗結果

3.1 實驗電路及元件參數

二極管VD1-VD6選用快恢復二極管元件，型號為MUR8100（摩托羅拉）。開關元件K1選用IGBT，型號為25N120ANTD。IGBT驅動模塊型號為EXB-851。圖2所示為實驗電路。電路中的三相Y接對稱性負載可以是Y接的電阻性負載和感性負載。當負載為感性負載時，與阻性負載相比要多注意兩個問題。因為如果感性負載中的電流突變，負載兩端會瞬時產生一個很高的沖擊電壓，該電壓會使得與負載相連的器件IGBT擊穿損壞。所以為了避免該問題，把感阻性負載兩端并聯一個電子開關K2。當IGBT關斷時，控制電子開關K2閉合使感性負載放電，避免了由于負載兩端電流的突變引起的沖擊電壓。又因電子開關K2和IGBT的開通與關斷不能瞬時完成，為避免在此時間內造成的電源短路現象，在IGBT兩端設計了保護電路VD-R-C。

圖2 三相Y接對稱性負載斬波調壓實驗電路

3.2 實驗結果

實驗中IGBT的觸發控制頻率為300Hz，觀察到負載上的電壓波形為正、負半周期正弦波中分別被斬波三次后的波形。電壓連續可調，圖3為實驗中用示波器測得的負載上電壓為200 V時所拍攝的負載W、Z兩端的電壓波形和開關元件IGBT兩端的電壓波形。

圖3 拍攝負載W、Z兩端的電壓波形和IGBT兩端的電壓波形

4 結束語

本系統僅用一只IGBT實現了對三相對稱性Y接負載三相調壓的目的。通過對感性負載時，負載兩端電流變化率的控制有效地保護了IGBT不被損壞。觸發控制頻率的選擇應為N×300 Hz，在IGBT和二極管的開關控制頻率允許的情況下，觸發控制頻率愈高，三相負載上的電壓愈接近于正弦波，從而使電壓諧波分量減小，減少負載的附加損耗，并且觸發控制頻率愈高系統響應愈快。

本調壓電路可適用于三相Y接感應電動機的調壓調速、三相Y接電阻爐調壓調溫等負載應用中。

[1]王兆安, 黃俊. 電力電子技術[M]. 北京:機械工業出版社,2005.

[2]李愛文,等. 現代逆變技術及其應用[M]. 北京:科學出版社, 2002.

Practical three-phase ac voltage controlled horse-cutting circuit design

TIAN Hong-xia，JIANG Pei-lei，SUN Mao-song

本文應用一只IGBT設計了一種僅針對三相Y接對稱負載的調壓電路—斬控調壓電路。分析了其工作原理、保護方法，給出了實驗結果。結果表明對Y型接法的三相對稱負載采用此電路調壓能使系統的電路結構簡單、工作可靠、負載上的電壓諧波分量小。并且此調壓電路完全適用于所有的三相Y接對稱性負載的調壓應用中。

三相斬控式；電路；脈沖

田紅霞（1976－），女，講師，碩士研究生，主要從事電氣工程及其自動化專業教學及科研工作。

TH166

B

1009-0134(2010)12(下)-109-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(下).40

2010-08-14