晶闸管单相交流调压器原理与应用

单相交流调压电路是三相交流调压电路的基础，和整流电路一样，交流调压电路的工作情况也和负载性质有很大的关系，因此分别予以讨论。

1.电阻性负载

图5-1 交流调压三种控制方式的输出电压波形

a）整周波通断控制 b）相位控制 c）斩波控制

图5-2为电阻负载单相交流调压电路图及其波形。其中图5-2a为主电路，采用晶闸管VT₁和VT₂反并联连接，也可以用一个双向晶闸管VT代替，与负载电阻R_L串联接到交流电源u₁上。在交流电源u₁的正半周开始时刻触发VT₁和负半周开始时刻触发VT₂，如同一个无触点开关，若正、负半周以同样的移相角α分别触发VT₁和VT₂，则负载电压有效值随α改变而改变，实现了交流调压。图5-2b给出了移相角为α的输出电压u_o波形，可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也是电源电流）和负载电压的波形相同。晶闸管电流的平均值I_dT、有效值I_T、负载R_L上的电压有效值U_o和电路的功率因数cosφ表达式分别为

图5-2 晶闸管单相交流调压电路图及波形图

a）电路 b）波形

式中，U₁为输入交流电压的有效值。

从式（5-3）可以看出，随触发延迟角α的逐渐增大，电阻R_L上的电压有效值逐渐减小。当α=π时，U_o=0，这一结论从图5-2b的u_o波形中可以证实。因此，单相交流调压器对电阻负载供电时，其电压可调范围是0～U₁，α的移相范围是0～π。

图5-3 阻感负载单相交流调压电路及波形图

a）电路 b）u₁波形 c）i_g1波形 d）i_g2波形 e）i_o波形 f）u_o波形

2.电阻-电感性负载

阻感负载单相交流调压电路及波形图如图5-3所示，R-L负载是交流调压器最具代表性的负载。

由于电感的储能作用，负载电流的变化滞后于电压的变化，因而和电阻性负载相比具有新的特点，负载电流在电源电压过零后还要延迟一段时间才能降到零，即电压过零时晶闸管不关断，还将继续导通到负半周，延迟的时间与负载功率因数角φ（φ=arctan（ωL/R））有关，电流过零时晶闸管才关断。所以晶闸管的导通角θ不仅与触发延迟角α有关，还与负载阻抗角φ有关，必须根据α与φ的关系分别讨论。

显然，两只晶闸管门极的起始控制点应分别定在电源电压每半周的起始点，α的最大移相范围是0≤α≤π。正、负半周有相同的α。

在一个晶闸管导通时，它的管压降成为另一只晶闸管的反向电压而使其截止。于是，在一只晶闸管导电时，电路的工作情况同单相半波整流时相同，负载电流i_o的表达式为下述微分方程的解：

解该方程得

式中，，，θ为晶闸管的导通角。(www.xing528.com)

另一只晶闸管导电时，情况完全相同，只是相位与上述表达式反向，即相位差180°。

在单相调压器中，虽然负载电流i_o表达式与单相半波整流电路相同，但由于反并联的两只晶闸管分别在电源电压的正、负半周导通，因此，每只晶闸管的导通角θ不可能大于180°，而单相半波整流时，视不同的φ值，θ有大于180°的情况。

导通角θ可由边界条件求得，当ωt=α+θ时，i_o=0，将此条件代入式（5-7），得

这是一个关于θ的超越方程，表达了导通角θ=f（α，φ）的关系。由于θ=π时意味着负载电流i_o连续，θ＜π时意味着i_o断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。根据α、φ的大小关系，θ或电路运行状态不同。

1）当φ＜α＜π时，以φ为参变量，可得出不同负载特性下θ=f（α，φ）曲线族，如图5-4所示。对于任一阻抗角φ的负载，当α=π时，θ=0，u_o=0；当α从π至φ逐步减小时（不包括α=φ这个点），θ逐步从零增大到接近π，负载上电压有效值U_o也从零值增大到接近U₁，负载电流i_o连续，输出电压u_o为缺块正弦波，电路有调压功能，如图5-5a所示。

2）当α=φ时，将α=φ代入式（5-7）中，得到的i_o表达式只有稳态分量，即

由式（5-9）可见，输出电流为正弦波并且是连续的，θ=π。电路开始工作后便进入稳态，u_o=u₁，输出电压波形为正弦波，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。此时θ=f（α，φ）关系如图5-4中θ=180°的孤立点所示，波形如图5-5b所示。

图5-4 单相交流调压电路φ＜α＜π时，θ=f（α，φ）关系曲线

图5-5 不同α、φ时的输出电压电流波形

a）φ＜α＜π b）α=φ c）0＜α＜φ（窄脉冲） d）0＜α＜φ（宽脉冲）

3）当0＜α＜φ且触发脉冲为单窄脉冲时，由式（5-8）可解得θ＞π，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。由于VT₁与VT₂的触发脉冲相位相差π，故在VT₂得到触发时VT₁仍在导通，其管压降构成对VT₂的反向阳极电压，这时的VT₂并不能导通。当电流过零VT₁关断后，VT₂的触发脉冲已经消失，因此VT₂还是不能导通。待第二个VT₁脉冲到来后，又将重复VT₁导通、正向电流流过负载的过程。这个过程与单相半波整流的情况完全一样。这将使整个回路中有很大的直流分量电流，如图5-5c所示。它会对交流电动机类负载及电源变压器的运行带来严重危害。

4）当0＜α＜φ且触发脉冲为宽脉冲或脉冲列时，则当负载电流过零、VT₁关断后，VT₂的触发脉冲依然存在，VT₂能接着导通，电流能一直保持连续。首次开通所产生的电流自由分量，在衰减到零以后，电路中也就只存在电流稳态分量i_o，电流连续，如图5-5d所示，与α=φ时不同的是无论触发延迟角α多大，晶闸管均在ωt=φ处导通。由于电流连续，u_o=u₁，无电压调节功能，处于“失控”状态。

综上所述，交流调压器带电感-电阻性负载时，为使电路正常工作，需保证：

1）φ≤α≤π。

2）采用宽度大于60°的宽脉冲或脉冲列。

3.单相交流调压器的谐波分析

由以上分析可知，除α=φ和α＜φ之外，其他任何α值，负载电压和电流波形都将发生畸变，即存在着谐波电压和电流分量。这些谐波会导致电网功率因数下降，使电网电压波形畸变，危害其他用电设备的正常工作。为此应对其进行分析并在实际应用中设法避免。

由图5-3f的电压波形可知，在晶闸管导电时，负载电压等于电源电压，它是正弦波的一部分，含有大量谐波，可以采用傅里叶级数进行分析。从波形中可以看出，负载电压正、负半周波形相对于横轴是镜对称的，所以不存在直流分量和偶次谐波分量。其具体分析方法与单相整流电路的谐波分析方法相同，图5-6所示为φ=0°时，单相交流调压器的谐波电流变化曲线。

图5-6 φ=0°时，单相交流调压器的谐波电流变化曲线