光耦隔离晶闸管交流调压电路过触发现象研究

吕平一++于勇++要林伟++陈亚东++陈思瑶

摘 要：该文分析了晶闸管三相交流调压光耦隔离驱动电路中的过触发现象，即以自然换相点为起点，当触发脉冲大于120时，输出电压有效值可能骤然增加的现象。过触发现象可能造成异步电机失控，从而带来破坏性影响。该文通过理论分析、仿真及实验，分析了过触发现象的原因，并给出了避免过触发现象的控制方法。

关键词：晶闸管 光耦隔离 过触发

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：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

晶闸管三相交流调压电路主要应用于电机软启动、调压节能等领域，其隔离驱动电路主要分为变压器隔离和光耦隔离两种。与变压器隔离驱动电路相比，光耦隔离驱动电路具有体积小、成本低、可靠性高等优点，因此应用非常广泛。对晶闸管三相交流调压电路的触发及工作原理，目前已有很多研究及论述，但目前的研究仅限于触发角在限定范围内，电路处于正常工作状态的情况下。如文献1对晶闸管交流调压电路的触发方案进行了详细的研究，但对于触发角大于等于150°（相电压过零点为起点）的情况，认为此时因电流流入相的相电压已高于流出相的相电压，三相绕组不能通电，电机不会运转[1]的结论则不适用于光耦隔离晶闸管三相交流调压电路。此时，光耦隔离驱动电路仍会触发晶闸管导通，并可能引起输出电压有效值的骤然增大，这就是过触发现象。

该文将针对光耦隔离晶闸管三相交流调压电路的过触发现象进行研究，通过理论分析、仿真及实验，分析过触发的原因，并给出避免过触发现象的控制方法。

1 原理与设计

图1为常用光耦隔离晶闸管三相交流调压电路，其中A、B、C为三相电源，X1～X6为六只晶闸管，P1、P2、P3为3路触发脉冲。电动机采用星形接法，其中0、1、2分别接三相调压后电源，4为中性线。此驱动电路利用3组触发信号就可以达到控制6只晶闸管导通角的作用[2]。

1.1 过触发现象仿真

该文采用PSPICE对图1中电路进行了仿真，其中异步电动机采用文献3中的异步电机电气模型，其功率因数角为27°，其他参数如图1所示，触发角以自然换相点为起点，触发脉冲宽度为30°，采用双脉冲触发[4]。

图2和图3中（a）为A相电压波形；（b）为电动机接口0与接口4之间的电压波形，即A相调压后输出波形；（c）为A相调压后输出电流波形；（d）为A相电压与A相电流乘积的平均值，即A相输出功率。

通过上述仿真结果，可以得出A相输出功率与触发角的关系。

当触发角在0°～90°之间变化时，A相输出功率与触发角的关系与理论一致。但当触发角等于100°时，A相输出功率迅速增大到最大值，此种现象即为过触发。

1.2 过触发原因分析及控制策略

导致过触发的原因与光耦隔离驱动电路的工作原理关系密切。为说明方便，举例如图4所示，P1、P2、P3为三路触发脉冲，触发角为100°，脉宽为30°。A、B、C为三相电源，V为A相调压后输出波形，I为A相电流。

如图4所示，P1、P3同时发出有效触发脉冲时刻，电流正从A相流入电动机，即晶闸管X1导通，X4截止。当电流I到达零点时，X1、X4均处于截止状态。当AC两相的自然换相点到来时，过自然换相点时刻，则C相电压高于A相电压，此时由于P1、P3仍然有效，导致晶闸管X1截止，X4导通，电流此时从电动机流入A相，发生过触发现象。如果P1、P3触发脉冲在AC两相自然换相点之后无效，则X1、X4仍将维持截止状态，A相电流继续保持零，A相不输出功率，也就不会发生过触发。

由以上分析可知，发生过触发的条件为有效触发脉冲对结束前必须出现对应的两相自然换相点和相电流零点，二者缺一不可。那么防止过触发最简单的方式，就是有效脉冲对不要超过对应的两相自然换相点位置。设触发角为（以自然换相点为起点），触发脉冲宽度为。当，时，如要防止过触发，则应满足：

需要说明的是，过触发时相电流零点位置取与负载有关，因此过触发时输出功率并不一定是最大输出功率。endprint

2 实验

实验采用ABB公司QA100L4B三相异步电机（星形接法），模拟游梁式抽油机系统，负载为重100kg铁块，如图5所示。三相电源经图1所示光耦隔离晶闸管三相交流调压电路接入异步电机。

实验系统中触发角以自然换相点为起点，触发脉冲宽度为30°，采用双脉冲触发。图6为模拟的游梁式抽油机上升阶段，实验测得的异步电机A相接入端与中性线电压波形（降压采样值），其中（a）触发角为60°，（b）触发角为100°。从实验测得的波形可以看出，60°时实验波形符合正常触发结果，100°时则发生了过触发现象。

3 结论

过触发现象可能造成电机瞬间功率骤增，影响工控系统运行的稳定性，对于节能控制系统则会影响节能效果。该文通过仿真、实验分析了常用光耦隔离晶闸管三相交流调压电路中存在的过触发现象，总结出了过触发的发生条件，并给出了防止过触发的控制策略。

虽然该文仅在光耦隔离晶闸管三相交流调压电路中描述了过触发现象，但对于3脉波的变压器隔离晶闸管三相交流调压电路也存在此种现象。

参考文献

[1] 黄美成，卢洁，彭永进.晶闸管交流调压电路的触发方案研究[J].电力电子技术，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] 周国顺，张阳，申华.基于STM32的晶闸管三相交流调压电路的设计[J].电子设计工程，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.

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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.

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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