单相相控式交流调压电路探析

单相交流调压电路的工作状况与所带负载的性质有关，下面分别讨论。

（1）电阻性负载

电路如图5.1 所示，图中两只晶闸管反并联接在交流电路中，无论电源的正负，总有晶闸管受正向电压。只要给予适当的触发电压（用宽脉冲或宽脉冲序列触发），就有晶闸管能被触发导通，从而传递和控制交流电能。当然，图中两只反并联的晶闸管也可用一只双向晶闸管来替代，两者对交流电能的调节作用完全相同，但触发电路略有差别。定义导通角α 的起始时刻均为电压过零时刻，电源电压u1、输出电压uo、输出电流io 以及晶闸管两端承受电压uVT波形如图5.2 所示。

图5.1　单相交流调压电路带电阻性负载

图5.2　单相交流调压电路带电阻性负载的工作波形

0～α 时段，电源电压u1 过零变正后，晶闸管VT1 承受正向电压，但没有触发信号，故保持关断状态；晶闸管VT2 承受反向电压，保持关断状态。因VT1、VT2 全部关断，故输出电流io=0，输出电压uo=0。同时，电源电压全部加在晶闸管上，晶闸管两端承受电压uVT=u1。该状态一直维持到α 时刻，触发信号到来。

α 时刻，触发信号触发VT1 导通，电源电压加在负载上，故uVT=0，uo=u1，负载电流io=uo/R=u1/R，与uo 的波形一致。该状态一直维持到π 时刻，电压反向过零。

π 时刻，电压反向过零，晶闸管VT1 承受反向电压，晶闸管VT1 关断，而晶闸管VT2 虽然承受正向电压，但没有触发信号，同样保持关断。因VT1、VT2 全部关断，和0～α 时段类似分析，io=0，uo=0，电源电压全部加在晶闸管上，晶闸管两端承受电压uVT=u1，为负值。该状态一直维持到α+π 时刻，VT2 的触发信号到来。

α+π 时刻，触发信号触发VT2 导通，电源电压加在负载上，类似于α+π 时段，uVT=0，uo=u1，io=uo/R=u1/R。该状态一直维持到2π 时刻，电压正向过零，完成整个周期的循环。

上述电路在触发角为α 时，负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io 和电路的功率因数λ分别为

从图5.2 及以上各式可以看出，α 的移相范围为0≤α≤π。当α=0 时，相当于晶闸管一直导通，输出电压为最大值（Uo=U1），此时功率因数也最大（λ=1）。随着α 的增大，Uo 逐渐减小，输入电流滞后于电压并且发生畸变，功率因数λ 也逐渐减小。直到α=π 时，Uo=0。

图5.3　单相交流调压电路带阻感性负载

（2）阻感性负载

阻感负载是交流调压器最一般化的负载，其电路如图5.3所示，工作波形如图5.4 所示。假设负载的阻抗角为φ=arctan（ωL/R），用宽脉冲或宽脉冲序列触发，且触发角α≥φ。

从图5.4 可以看出：

α 时刻，触发信号触发VT1 导通，电源电压加在负载上，故uVT=0，uo=u1，负载电流开始由零开始增加。该状态一直维持到π 时刻，电压反向过零。

π 时刻，电压反向过零，晶闸管VT1 虽然承受反向电压，但由于电感的储能作用，电流仍然维持，晶闸管VT1 维持导通状态。而晶闸管VT2 虽然承受正向电压，但没有触发信号，保持关断。因VT1 导通，uVT=0，uo=u1，负载电流io 逐渐减小。该状态一直维持到φ+π 时刻，负载电流io 最终减小到零。

φ+π 时刻，因负载电流io 减小到零，VT1 关断，而晶闸管VT2 虽然承受正向电压，但没有触发信号，同样保持关断。因VT1、VT2 全部关断，io=0，uo=0，电源电压全部加在晶闸管上，晶闸管两端承受电压uVT=u1，为负值。该状态一直维持到α+π 时刻，VT2 的触发信号到来。(www.xing528.com)

α+π 时刻，触发信号触发VT2 导通，电源电压加在负载上，类似于α 时刻，uVT=0，uo=u1，输出电流io 开始反向增大后减小，该状态一直维持到2π 时刻。

2π 时刻，电压正向过零，由于电感的储能作用，晶闸管VT2 保持维持导通状态。uVT=0，uo=u1，负载电流逐渐减小。该状态一直维持到φ+2π 时刻（即φ 时刻），负载电流最终减小到零。

φ 时刻，因负载电流减小到零，VT2 关断，晶闸管VT1 虽然承受正向电压，但没有触发信号，同样保持关断。晶闸管两端承受电压uVT=u1，io=0，uo=0，该状态一直维持到α 时刻，VT1 的触发信号到来。

图5.4　单相交流调压电路带阻感性负载的工作波形

显然，阻感负载下稳态时α 的移相范围为φ≤α≤π。负载电流波形如图5.4 所示，导通角θ 可由边界条件求得。

图5.5　以φ 为参变量的α 和θ 关系曲线

当ωt=α+θ 时，io=0，有

以φ 为参变量，利用式（5.4）可以把α 和θ 的关系用图5.5 的一簇曲线来表示

上述电路在触发角为α 时，负载电压有效值Uo 、负载电流有效值Io 分别为

以上分析都是在α≥φ 的假定下进行的，但α<φ 时，并非电路不能工作，要分以下两种情况来讨论。

1）晶闸管门极用窄脉冲触发

如果先触发VT1，且α < φ，则VT1 的导通角θ > π，如图5.5 所示。如果触发脉冲的宽度小于α+θ-（π+α）=θ-π，则当VT1 的电流下降到零时，VT2 的门极脉冲已经消失而无法导通。到第二个周期时，VT1 又重复第一周期的工作。这样，电路如同阻感负载的半波整流情况，VT2 始终不导通，回路中将出现直流分量的电流。假若调压器的负载是变压器的一次绕组，则因其直流电阻很小，将引起很大的直流过电流，使电路不能正常工作，为此，需采用宽脉冲或宽脉冲列（例如30 kHz）触发。

2）晶闸管门极用宽脉冲或宽脉冲列触发

如果触发脉冲的宽度大于θ-π，VT1 的θ > π，VT2 可以在VT1 之后接着导通，但VT2 的起始导通角α+θ-π > φ > α，所以VT2 的导通角θ < π。从第二个周期开始，VT1 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θ=π 时达到平衡，这时电路的工作状态与α=φ 时相同。整个过程的工作波形如图5.6 所示。

图5.6　交流调压电路带阻感性负载在α < φ 时的工作波形

值得注意的是，单相交流调压器除了α=φ 之外，在任何其他α 角，负载电压和电流波形都将发生畸变。对有些负载来说，谐波电流会带来一些不良的影响，电网功率因数也会下降；功率较大时，还可能引起电网电压波形畸变，影响其他用电设备的正常工作。同时，阻感负载时，电感对谐波电流有抑制作用，谐波频率越高，呈现的感抗也越大，谐波电流值就越小。