光耦隔離晶閘管交流調壓電路過觸發現象研究＊

張永鋒，孫曉凌，周國順

（大連東軟信息學院，遼寧大連，116023）

1 引言

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，目前已有很多的研究及論述，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，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［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。

本文將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，給出避免過觸發現象的控制方法。

2 原理與設計

圖1所示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6 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］，詳細工作原理見文獻［2］。

2.1 過觸發現象仿真

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，其功率因數角為27°，其它參數如圖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，如表1所示。

圖1 光耦隔離晶閘管三相交流調壓電路

圖2 觸發角為0°時的仿真波形圖

圖3 觸發角為30°時波形圖

圖4 觸發角為60°時波形圖

圖5 觸發角為90°時波形圖

圖6 觸發角為100°時波形圖

表1 觸發角與A 相輸出功率的關系

由表1可以看出，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。

2.2 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7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7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，發生過觸發的條件是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α（以自然換相點為起點），觸發脈沖寬度為β。當0°≤α≤120°，0°≤β≤60°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選取與負載有關，因此過觸發時輸出功率并不一定是最大輸出功率。

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，負載為重100kg 鐵塊，如圖8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。

圖8 實驗平臺

4 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。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。

雖然本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。

［1］黃美成，盧 潔，彭永進.晶閘管交流調壓電路的觸發方案研究［J］.電力電子技術，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壓電路的設計［J］.電子設計工程，2013，21（13）：173－177.

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

［4］王傲能，王國強，康現偉，金富寬.基于鎖相環的晶閘管觸發器研究及設計［J］.電力電子技術，2013，47（9）：104－106.