工学基于KC05的调速电路设计

1、摘要摘要随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术和先进控制理论的发展，交流电机控制技术也得到了快速的发展尤其在交流电机的控制理论方面，以及对这些理论的改进方案，为交流电机控制技术的发展做出了重大贡献同时，交流电机控制技术的发展是与具体的实践应用相结合的，只有把这些先进的控制理论应用于实际系统中，才能促进交流电机控制技术的发展。kc05 可控硅移相触发器适用于双向硅或两只反向并联可控硅线路的交流相位控制。具有锯齿波形性好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。kc05 电路也适用于用作半控或全控桥式线路的相位控制。本文介绍了 kc05

2、的内部结构和有它构成的感应电机调压调速系统。阐述了该系统的基本组成环节、工作原理、调试方法。实践表明，该系统工作稳定，运行效果良好。关键词：关键词：移相；触发脉冲；双向晶闸管；电压负反馈。abstractwith microlectronics technology power electronic technology computer technology and advanced control theory of development, ac motor control technology is also obtained fast development especially i

3、n ac motor control theory, and the theory of the improvement plan, for the ac motor control technology development made important contribution at the same time. ac motor control the development of technology is and the concrete practice application of combined, only when these advanced control theor

4、y is applied in the actual system, can promote the development of ac motor control technology. kc05 silicon controlled phase shifting flip-flop is applicable to two-way silicon or two parallel lines of communication reverse controlled phase control has sawtooth waveform of wide range of phase shifti

5、ng, control method is simple and easy to centralized control, and lose pay protection, output current big etc. and is exchange dimmer, pressure regulating ideal circuit kc05 circuit also applies to used for half a charged or all control the bridge type line phase control.this paper introduces the in

6、ternal structure of kc05 and it consists of the induction motor speed regulating system, explains the system of basic working principle component part debugging method practice shows that this system is stable good effect of operation.keywords: phase shifting; triggering pulse; two-way thyristor; vo

7、ltage negative feedback目录目录摘要 .iabstract .ii第 1 章 绪论 .21.1 引言.21.2 本设计的要求和主要内容.2第 2 章 kc05 器件及其应用.2第 3 章 kc05 调速系统于其他调速系统的区别.83.1 交流调速系统.83.2 交流调速常用的调速方案及其性能比较.9第 4 章 三相交流调压调速系统设计 .124.1 可控硅交流调压电路.124.2 三相交流调压调速系统设计.224.3 系统的组成.22第 5 章 总结 .27参考文献 .28致谢 .29附录 a.30第第 1 章章 绪论绪论1.11.1 引言引言随着生产技术的不断发展，直流

8、拖动电机的薄弱环节逐渐显现出来，由于换向器的存在，使直流电机得维护工作量加大，单机容量，最高转速以及使用环境受到限制。人们转向结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉的异步电机，但异步电机的调速性能难以满足生产的需要，于是，20世纪30年代开始，人们就致力于交流技术的研究，然而进展缓慢，在相当长的时间里，在变速传动的领域里，直流一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子控制技术的飞速发展，使得交流调速系统性能可以与直流调速系统相媲美，相竞争，目前，交流调速系统逐步取代直流的时代已经到来。电力电子器件的发展为交流调速系统奠定了物质基础。20 世纪 50 年代以来末

9、出现了晶闸管，由于晶闸管构成的静止变频电源输出的方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能有门极关断，因此，有普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。70 年代后期，以功率晶体管 (gtr),门极可关断晶闸管（gto）,功率 mos 场效应管（power mosfet）为代表的全控型器件的问世，并迅速发展，通过对这些器件的门极（基极，栅极）的控制，既能控制导通，又能控制关断，又称自关断器件。他们不需要强迫换向电路，使得逆变器构成简单，结构紧凑。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关速度较高的电。于是在这种

10、环境下，出现了 kc 系列可控硅移向触发电路。1.21.2 本设计的要求和主要内容本设计的要求和主要内容本设计要就用利用电子器件移相触发器（kc05）触发双向晶闸管来实现电机交流调压调速系统，并结合（kc05）内部的电路介绍系统的额基本组成，工作原理以及调试方法。第第 2 章：章：kc05 器件及其应用器件及其应用2.1 电力电子器件电力电子器件 kc05 发展史发展史电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用，它既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，早在二十世纪三四十年代，人们就开始应用电机组，弓弧整流器，闸流管，电抗器，接触器等进行电能的变换和控制。到二十世纪五十年代左

11、右第一个晶闸管诞生后，在其后的五十年里，电力电子器件如雨后春笋发挥起来。以器件为核心的电力电子的技术的发展可分为两个阶段，19571980 年称为传统电力电子阶段，1980 年至今称为现代电力电子阶段，所以晶闸管的诞生与应用在电力电子技术的发展史上可谓到承前启后的作用.20 世纪 50 年代，普通整流器 sr 开始使用，实际上已经取代了弓弧整流器，但电力电子技术的真正的开始使用是在 19571958 年，第一个反向阻断型可控硅 scr 的诞生，也就是现在的晶闸管。一方面由于其功率变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强度变化的控制，是电子技术步入功率领域，在工业上引起了一场技术革

12、命，在随后的 20 年内，随着晶闸管特性的不断改进及功率等级的提高，晶闸管已经形成了从低压小电流到高压大电流，同时也研制除了一系列的晶闸管派生器件，对称晶闸管 ascr,逆导晶闸管，双向晶闸管，门极辅助关断晶闸管 gatt，光电晶闸管 lascr，等器件。大大的推动了各种变换器在冶金，运输，化工，机车牵引，矿山等行业的应用，随着电力电子技术的成熟，以晶闸管为核心器件的整流电路的出现，如单相相控整流电路，三相相控整流电路是晶闸管的一个重要应用，这对交流调速系统用着巨大的作用，而整流的过程中要准确的换流，这就需要一个稳定而精确的触发电路，而 kc 可控硅移相触发电路的出现解决了这个问题，目前 kc

13、 系列集成触发器在电力电子变流技术中已得到广泛的应用。采用这种触发器提高了触发电路工作的可靠性，缩小了体积，大大简化了触发电路的生产和调试。kc05 是 kc 系列的一种，可用于单相或三相交流感应电机的调压调速系统。这种系统广泛应用到通风设备和有皮带传送粉末状物料的振动机械中。2.2 kc05 可控硅移相集成触发器的结构及原理可控硅移相集成触发器的结构及原理kc05 适用于双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制。具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单、易于集中控制、有交互保护、输出电流大等优点。是交流调光、调压的理想电路。同样也适用于半控或全控桥式线路的相位控制。 图 2-1 所示为

14、kc05 器件图 2-1 kc05 器件电参数如下：电源电压：外接直流电压+15v，允许波动5(10功能正常)。电源电流：l2ma。同步电压：l0v。同步输入端允许最大同步电流：3ma(有效值)。移相范围：l70(同步电压 30v，同步输入电阻 10k)。移相输入端偏置电流l0a。锯齿波幅度：78.5v。输出脉冲：a脉冲宽度：l00s2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。b脉冲幅度：13v。c最大输出能力：200ma(吸收脉冲电流)。d输出反压：bvceol8v(测试条件：ie=100a允许使用环境温度：-l070。kc05 是 16 脚双列直插式集成电路，其结构如图 2-2 所示。可以分为同

15、步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲输出、失交保护等几个主要的环节。外电路提供 15v 的直流电压加于脚 16 与脚 7 之间，作为集成触发器的直流工作电源。图 2-2 kc05 的结构和工作原理同步检测是由 kc05 内部的整流桥 vd1-vd4 和 v1、v2 组成。脚 15、脚 16 接交流电源同步变压器，再同步电压正负两个半周内绝大部分时间几乎都能使v1、v2 处于完全导通状态，只有在电网电压在过零点附近，即小于 3 个 pn 结开启电压值之和时，v1、v2 才截止，由此来控制锯齿波电压的形成，由于二极管的钳位作用，脚 15、脚 16 之间的电压为正负间隔出现的近似梯形波电压，梯形波的幅

16、值 vm=2vd+vbe1。如图 2-3（a）所示锯齿波形成环节由 v3、vdz1、v5、v6 和 v5 发射极脚 4 的外接电容 c1 构成。依靠电容 c1 的充放电作用在它两端产生锯齿波电压。同步电压过零时，v1、v2截止，v3、v5 导通，向电容 c1 充电，由于充电时间常数很小，c1 两端电压迅速充至 vdz1 的稳压值 8 伏左右，作为锯齿波电压的峰值。同步电压过零之后，v1、v2 导通，v3、v5 截止，电容 c1 的电荷经 v6 恒流放电，形成锯齿波电压的下降沿，调节 v6 外接偏置电阻 r1 就能调整锯齿波电压的斜率。锯齿波电压波形如图 2-3（c）所示。脉冲移向环节由 v8、

17、v9、v10、vdz2、v11 组成。v7、v8、v9 为恒流源组成的差放电路，起到比较放大的作用。移相电压接至 kc05 的脚 6，当线性下降的锯齿波电压大于移相电压时，v8 导通，v9、v10、vdz2、v11 截止。当锯齿波电压小于移相电压时，v9、v10、vdz2、v11 导通，v11 的导通经过脉冲形成环节产生脉冲输出。图 2-3 kc05 相关点波形脉冲形成环节由 vd8、v12、v13、v14，脚 13 外接电容 c2、脚 10 外接电阻r2 组成。v11 导通时调整偏置电阻 r2 使 v12 导通，与此同时，c2 经 vd8、v12 充电，极性为左正右负。当 v11 导通时，电

18、容 c2 上的电荷以反压的形式加于 vd8与 v12 发射结两端，迫使 v12 截止。复合管 v13、v14 为输出驱动管，在 v12 截止期间，v13 基极为高电平，通过外接驱动电路触发双向晶闸管。同时 c2 由 15伏电源、r2、v11 反向充电，脚 10 端电压逐步上升，当该电压大于 vd8 和 v12 开启电压时，v12 导通，v13、v14 截止，输出脉冲终止。调节时间常数 r2、c2 的大小就能获得合适的脉冲宽度。kc05 引脚相关的电压波形如图 2-3 所示。若将 kc05 的脚 2 与脚 12 相连，便组成了失交保护环节，所谓“失交”就是指一旦移相电压大于锯齿波电压峰值时（此时

19、两电压不存在交点） ，v9、v10、v11、v12 保持导通，v13、v14、保持截止，电路无脉冲输出，电动机在较高的速度下骤然停止，对控制不利。若将 kc05 的脚 2 与脚 12 相连，在电网电压过零时，v1、v2 截止，v3、v4 导通，v4 导通时管压降加于 vdz2 和 v11 的发射结两端，强迫使 v11 截止，当电网电压过零后，v1、v2 导通，v3、v4 截止，vdz2、v11 导通，电容 c2 上预充电电压强迫使 v12 截止，v13、v14 导通，输出触发脉冲，因此，当移相电压大于锯齿波电压峰值时，使晶闸管工作于全导通状态，电机在满电压下运行。2.3 kc05 可控硅移相集

20、成触发器在调速中的应用可控硅移相集成触发器在调速中的应用由 kc05 组成的小容量交流调速电机的调压调速系统通过触发双向晶闸管来达到调节电机两端交流电压的目的，从而调节电机的速度。电气原理图如图 2-3所示。该电路由主电路、触发电路、电压负反馈等几部分组成。主电路由双向晶闸管 vs 和电机串接后接入单相交流 220v 电路中，改变双向晶闸管在正负半周内的导通角，就能改变电机两端的交流电压。双向晶闸管主电极间并接 r9、c10 回路用于对晶闸管的过电压保护，吸收电路中可能出现的瞬时高压。图 2-4 感应电机调压调速原理图触发电路由 kc05 和外围电路组成。变压器 t1 的 l1 绕组引入电网同

21、步电压。l2 绕组经整流滤波后获得 24v 直流电源作为脉冲功率放大管 v 的集电极电源。再经三端集成稳压器 cw7815 稳压后输出 15v 稳定直流电压，提供 kc05 的工作电源，同时也提供可调给定电压，移相电压由放大器 a4 输出与 kc05 脚 4 的锯齿波电压进行比较，在它们的交点处，使产生触发脉冲。反馈电压器 t2 选用市售小型变压器，电压比为 220v:12v。t2 初级与电机两端相接，次级经整流桥 vd5-vd8 整流、c8 滤波后作为电压反馈信号输入至 a3，给定信号输入至 a2，a2、a3 接成电压跟随器，其目的是为了减小测量电路对信号的影响，这两路信号分别输入到放大倍数

22、很高的比较放大器 a4，放大后的信号作为移相控制电压输入 kc05 的脚 6。采用电压负反馈的目的是为了稳定电机两端的电压。例如，由于某种原因使电机两端有效值降低时，通过反馈变压器 t2 在滤波电容 c8 两端电压也会相应降低，a3 输出电压降低，经 a4 放大后的移相控制电压增大，它与锯齿波的交点前移，触发脉冲提前，双向晶闸管导通角加大，使电机两端电压增大，反之亦然。a4 接成 pi 调节器形式，是为了获得较好的瞬态响应，又能控制系统的静态精度。第第 3 章章 kc05 调速系统于其他调速系统的区别调速系统于其他调速系统的区别3.13.1 交流调速系统交流调速系统随着电力电子器件，大规模集成

23、电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。3.23.2 交流调速常用的调速方案及

24、其性能比较交流调速常用的调速方案及其性能比较由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：n=601(1-s) pn (3-1)式中 pn电动机定子绕阻的磁极对数； f1电动机定子电压供电频率； s 电动机的转差率。从式（3-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。（1）改变电动机的磁极对数由异步电动机的同步转速no= 601 pn可知，在供电电源频率 f1 不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数 pn，即可改变异步电动机的同步转速 n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极

25、对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。（2）变频调速 从式（31）中可以看出，当异步电动机的磁极对数 pn 一定，转差率 s定时，改变定子绕组

26、的供电频率 f1 可以达到调速目的，电动机转速 n 基本上与电源的频率 f1 成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频 f=50hz 以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目

27、前国内大都使用交直交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 变频调速分为基频以下调速和基频以上调速，基频以下调速属于恒转矩调速方式，基频以上调速属于恒功率调速方式。（3）变转差率调速改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调

28、速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中

29、引入与转子电势同频率的反向电势 ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势 ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。ef 越大，电动机转速越低。上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速 n0，所以低速时，转差率 s 较大。在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率 pm 可以分成两部分：一部分 p2=（1s）pm 是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率 ps=spm，与转差率 s 成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种： （1）转差功率消耗型这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的

30、消耗来换取转速的降低，转差率 s 增大，转差功率 ps=spm 增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率 ps 愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。（2）转差功率回馈型 这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也

31、是很高的。（3）转差功率不变型这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速 n0，转差率 s 是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变 n0 的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。在调速系统中，变极调速是通过改变定子绕组接线方式来改变电极对数，从而实现电机转速的变化。在变极调速时应同时对调定子两相接线，这样才能保证调速后电动机的转向不变；变频调速是现代交流调速技术的主要方向，它可以实现无极调

32、速，使用于恒转矩和恒功率负载。绕线转子电动机的转子串接电阻调速方法简单、易于实现，但调速是有极的，不平滑的，且低速时特性软，转速稳定性差，同时转子铜损耗大，电机的效率低。绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。串级调速克服了转子串接电阻调速的缺点，但设备要复杂的多且功率因数低，调速范围在 70%-95%，不能做的很大的功率。kc05 适用于双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制。具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单、易于集中控制、有交互保护、输出电流大等优点。是交流调光、调压的理想电路。同样也适用于半控或全控

33、桥式线路的相位控制。 第第 4 章章 三相交流调压调速系统设计三相交流调压调速系统设计4.1 可控硅交流调压电路可控硅交流调压电路 交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图 4-1(a)）或双向晶闸（图 4-1（b） ） ，实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速。图 4-1 交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式，其原理如图 4-2 所示。图 4-2 交流调压电路控制方式（1）通断控制通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改

34、变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。（2）相位控制与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压波形非正弦，含有丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗，产生脉动

35、转矩等。（3）斩波控制斩波控制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如 gtr、gto、mosfet、igbt 等。实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本章将分别讨论单相及三相交流调压电路。图 4-3 单相交流调压电阻负载波形4.1.2 单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路原理图如图 6-1 所示，其工作情况与负载性质密切相关。1 1电阻性负载电阻

36、性负载纯电阻负载时交流调压电路输出电压、输出电流波形如图 6-3 所示。电路工作过程是：在电源电压正半周、移相控制角时刻，触发导通晶闸管vt1，使正半周的交流电压施加到负载电阻上，电流、电压波形相同。当电压过零时，vt1 因电流为零而关断。在控制角为时触发导通 vt2，负半周交流电压施加在负载上，当电压再次过零时，vt2 因电流为零而关断，完成一个周波的对称输出。当时，输出电压最大；当时。改变控制角大小可获得大小可调的交流电压输出，其波形为“缺块”正弦波。正因为电压波形有缺损，才改变了输出电压有效值，达到了调压的目的，但也因波形非正弦带来了谐波问题。交流输出电压有效值u与控制角的关系为（4-1

37、）式中 为输入交流电压的有效值。负载电流有效值为，则交流调压电路输入功率因数为（4-2）对图 6-3 所示电阻负载下输出电压进行谐波分析。由于正、负半波对称，频谱中将不含直流及偶次谐波，其富里叶级数表示为（4-3）式中 图 4-4 电阻负载下单相交流调压输出电压谐波比例基波和各次谐波电压有效值为（4-4）根据式（6-4） ，可以绘出基波和各次谐波电压标么值随控制角的变化曲线，其电压基值取为。可以看出，随增大，波形畸变严重，谐波含量增大。由于电阻负载下电流、电压同相位，图 6-4 关系也适合于电流谐波分析。综上所述，单相交流调压电路带电阻性负载时，控制角移相范围为，晶闸管导通角，输出电压有效值调

38、节范围为，可以采用单窄脉冲实现有效控制。2.2.电感电感电阻性负载电阻性负载单相交流调压电路带电感电阻性负载及各处波形如图 6-5 所示。由于电感的储能作用，负载电流会在电源电压过零后再延迟一段时间后才能降为零，延迟的时间与负载的功率因数角 有关。晶闸管的关断是在电流过零时刻，因此，晶闸管的导通时间不仅与触发控制角有关，还与负载功率因数角有关，必须根据与的关系分别讨论。为分析方便，将 vt1 导通时刻取作时间坐标的原点，这样电源电压可以表达为（4-5）在 vt1 导通的角范围内，可写出电路方程（4-6）在初始条件下，方程解为（4-7）图 4-5 电感电阻负载时，单相交流调压电路（a）及电压电流

39、波形（b）式中，是负载电流的稳态分量，它滞后于电压一个功率因数角；为以时间常数衰减的自由分量，其初始值与有关；波形如图 6-5 中所示。由于时，代入这个边界条件可得（4-8）这是一个关于的超越方程，表达了导通角的关系。由于时意味负载电流连续，时意味断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。根据大小关系，角或电路运行状态不同。1)当时，利用作参变量，可得不同负载特性下曲线族；如图 6-6 所示。对于任一阻抗角的负载，当时；当至逐步减小时（不包括这个点） ，逐步从零增大到接近，负载上电压有效值也从零增大到接近，负载电流断续，输出电压为缺块正弦波，电路有调压功能，如图 6-7（a）所示。2）当时，电

40、流中只有稳态分量，电流正弦、连续，。电路一工作便进入稳态，输出电压波形正弦，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。此时关系如图 6-6 中的孤立点所示，波形如图6-7（b）所示。3) 当且采用窄脉冲触发时，由式（6-8）可解出，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。由于反并联的两晶闸管触发脉冲相位严格互差 180o，故在到来时 vt1 仍在导通，其管压降构成对 vt2 的反向阳极电压，vt2 不能导通。而当 vt1 关断后虽使 vt2 反偏电压消失，但的窄脉冲也已消失，vt2 仍不能导通，造成各个周期内只有同一个晶闸管 vt1 导通的“单管整流”状态，输出电流为单向脉冲波，含有很大直流分量，如图

41、 6-7（c）所示。这会对电机、电源变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害，此时应考虑改用宽脉冲触发方式。 图 4-6 时关系 图 4-7 不同时波形4）当且采用宽脉冲触发时，特别是采用后沿固定、前沿可调、最大宽度可达 180o 的脉冲列触发时，可以保证反并联的两晶闸管均可靠导通，电流波形连续，如图 6-7（d）所示。与时不同的是无论触发角多大，晶闸管均在处导通。由于电流连续，无电压调节功能，也处于“失控”状态。综上所述，交流调压器带电感电阻负载时，为使电路工作正常，需保证：1）；2）采用宽度大于 60 的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达 180 的脉冲列触发。4.1.34.1.

42、3 三相交流调压电路三相交流调压电路工业中交流电源多为三相系统，交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调压器实现调压。三相交流调压电路与三相负载之间有多种联接方式，其中以三相 y 接调压方式最为普遍。 图 4-8 y 接三相交流调压电路图 4-8 为 y 型三相交流调压电路，这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路，它的正常工作须满足：1）三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导通；2）为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于 60 的宽脉冲（列）或双窄脉冲来触发；3）从 vt1 到 vt6 相邻触发脉冲相位应互差 60。为简单起见，仅分析

43、该三相调压电路接电阻性负载（负载功率因数角）时，不同触发控制角下负载上的相电压、电流波形，如图 6-10。图 4-9 y 接三相交流调压电路输出电压、电流波形（电阻负载）1）时的波形如图 4-9(a)所示。当时触发导通 vt1，以后每隔60o 依次触发导通 vt2、vt3、vt4、vt5、vt6。在区间内，为正，为负，vt5、vt6、vt2 同时导通；在区间内，vt6、vt1、vt2 同时导通，。由于任何时刻均有三只晶闸管同时导通，且晶闸管全开放，负载上获得全电压。各相电压、电流波形正弦、三相平衡。2）时波形如图 4-9（b）所示。此时情况复杂，须分子区间分析。：时，变正，vt4 关断，但未到

44、位，vt1 无法导通，a 相负载电压。0：时，触发导通 vt1；b 相 vt6、c 相 vt5 均仍承受正向阳极电压保持导通。由于 vt5、vt6、vt1 同时导通，三相均有电流，此子区间内 a 相负载电压（电源相电压） 。： 时，过零，vt5 关断；vt2 无触发脉冲不导通，三相中仅 vt6、vt1 导通。此时线电压施加在ra、rb上，故此子区间内 a 相负载电压。：时，vt2 触发导通，此时 vt6、vt1、vt2 同时导通，此子区间内 a 相负载电压。：时，过零，vt6 关断；仅 vt1、vt2 导通，此子区间内 a 相电压。：时，vt3 触发导通，此时 vt1、vt2、vt3 同时导通

45、，此子区间内 a 相电压。负半周可按相同方式分子区间作出分析，从而可得如图（b）中阴影区所示一个周波的 a 相负载电压波形。a 相电流波形与电压波形成比例。3）用同样分析法可得、时 a 相电压波形，如图 4-9（c） 、（d） 、 （e）所示。时，因，虽 vt6、vt1 有触发脉冲但仍无法导通，交流调压器不工作，故控制角移相范围为（0150） 。当三相调压电路接电感负载时，波形分析很复杂。由于输出电压与电流间存在相位差，电压过零瞬间电流不为零，晶闸管仍导通，其导通角不仅与控制角有关，还和负载功率因数角有关。如果负载是异步电动机，其功率因数角还随运行工况而变化。图 4-10 通、断方式下电阻负载

46、电流频谱4.2 三相交流调压调速系统设计三相交流调压调速系统设计振动机械广泛应用于粉末状唔知道额传输，例如，粉碎的原煤，矿石等。物料的流量（单位时间内物料的传输量）取决于振动机械的频率，而振动频率则取决于振动电机的转速。因此我们可以通过调节振动电机的转速实现对传输物料的流量调节。目前振动机械的驱动电机多为单相或三相异步电机，一般单相异步电机多用于小型振动机械，而大型振动机械则多采用三相异步电动机。振动机械的振动效果靠振动电机轴端的偏心轮产生。调节异步电机的转速最简单的方法是调节电动机的供电电压，下面介绍一种双向晶闸管调压的三相振动电机的调速系统。4.3 系统的组成系统的组成1)主回路3 支双向

47、晶闸管 ks1-ks2 串接在三相交流电源与异步电机三相绕组之间构成系统的主回路，电气原理图如 4-11 所示。通过对称调节 3 支晶闸管在电源正负两个半周内的导通角，实现对三相振动电机相控调压，从而达到调节三相振动电机转速的目的。双向晶闸管的阳极与阴极之间并联一阻容吸收网络，用来完成两极之间的瞬时过电压保护，主回路采用三相三线制的线路结构，输出谐波分量低，对邻近电路干扰小。图 4-11 系统主回路2)同步移向触发电路同步移向触发电路由三相三角星星连接的同步变压器与 3 片晶闸管集成移向触发器 kc05 及其外围元件组成，如图 4-12 所示，kc05 为 16 线双列直插式集成电路。三相同步

48、变压器原副绕组采用顺三角星星接法，副边相电压各超前原相电压 30 度，同步变压器副边输出三相同步电压分别经 2 支 5,1 欧电阻与 1 支0.47uf 电容组成的 rct 型网络移向和滤波，每相产生约 30 的滞后相移，与同步变压器副边电压超前角 30 度相抵消，从而保证加到移向触发电路 kc0515 脚的各相同步电压与主回路各相电压相同，与 t 型网络串联 1,2 千欧电位器啦微调各相电压，以保证三相触发脉冲的均匀，插入 rct 滤波网络的目的是为了抑制主回路电源波形畸变和晶闸管环流缺口对同步电压的干扰。同步移向触发电路可分为同步，锯齿波电压形成，脉冲移向控制，脉冲放大等环节。因此电路结构

49、对称，故以 l1 相分析如下：图 4-12 系统同步移相触发电路kc05l1 内部电路 d1d4，t1，t2 组成同步环节，d1d4 组成的整流桥t1，t2 在 kc05 的 15 脚外加同步电压正负两个半周内几乎处于全导通状态，只有在同步电压过零时 t1、t2 才能截止，由此控制锯齿波电压的形成。由于 pn 结的钳位作用，kc05 的管脚 15 的电压 v15 为一与同步电压同相的梯形电压，其幅值为 2vd+veb，如图 4-13 所示。图 4-13 移相触发电路相关点电压波形及时序关系图3)直流电源电源变压器副绕组输出有效值为 20v 的交流电压，经 d7-d10 桥式整流，再经电容 c

50、滤波获得 24v 直流电压，做触发脉冲功率放大管 t 的直流电源。24v 直流电压经 3 端稳压器 w7815 稳压后输入 15v 稳压的直流电压，做集成移相触发器kc05 的直流电源。4)电压负反馈网络反馈变压器原绕组输入端与振动电机输入端并联，副绕组输出三相电压经d1-d6 桥式整流电容 cf 滤波成为极性与移相输入电压相反的直流电压。该电压经电阻 rf 采样后作用于移相输入电压支路，进而影响移相输入电压，通过负反馈作用达到稳定振动电机入端电压的目的。例如：因某种原因使振动电机入端电压有效值降低，反馈网络滤波电容 cf 两端的直流电压相应降低，其作用于采样电阻 rf 上的负电压随之减小，相

51、应于提高了移相输入电压，3 只双向晶闸管的触发脉冲同时提前，导通角加大，振动电机入端电压有效值提高。反之亦然。电压负反馈稳定了振动电机的入端电压，也就间接地稳定了振动电机的转速。4.44.4 系统调试系统调试首先测试同步移相触发电路，先令移相输入电压为零，用双踪示波器同时观察 kc05 管脚电压 v15、v4 电压波形，在梯形电压 v15 半个周期内锯齿波电压 v45应完成一次充放电过程，调整连接 kc05 管脚 5 的电位器 rw，使锯齿电压 v4 保持适当的斜率（见图 4-13） ，再用示波器对 3 片 kc05 的锯齿波电压 v4 的斜率与周期保持一致。最后调节电位器 rw2，提供移相触发脉冲，分别触发主回路。3 支晶闸管，使振动电动机启动并运转。调节 rw4，引入电压负反馈。rw2 绕线式线性电位器，安装在调速器面板上用来调节移相输入电压，实现振动电机调速。rw1 和 rw2 用来限定移相输入电压上限值和下限值，上限值限制晶闸管的最小导通角，防止电压过低使振动电机产生堵转。整定移相电压上限值使，将 rw2 滑动端调到顶，rw3 滑动端调到底，调节 rw1 当晶闸管全部导通时振动电机满电压运行时将 rw2 锁定。整定移相电压下限