晶闸管触发脉冲移相控制电路优化方案

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图5-43 ZX5系列晶闸管整流式弧焊电源电气原理图该移相控制电路采用了单结晶体管触发电路。图5-44 同步与触发脉冲移相控制电路来自运算放大器N4的控制电压信号Uk经R69从145点输入，接至晶体管VT3的基极。为避免同样Uk时，两组触发脉冲产生电路产生的触发脉冲相位不同，使主电路中晶闸管导通角不同而造成三相不平衡，需精细调整触发脉冲电路参数。

由于ZX5系列晶闸管整流式弧焊电源的主电路采用了带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的形式，因此采用了两套晶闸管触发电路，分别触发正极性组和反极性组的晶闸管，其触发脉冲移相范围为0°～90°。

晶闸管触发脉冲移相控制电路如图5-44所示，由移相控制电路、触发脉冲输出电路和同步电路组成。

1.移相控制电路

移相控制电路的功能是产生触发脉冲和进行移相控制。本电源的移相控制电路如图5-44的下半部分所示，它分成左右对称的两套电路。该电路主要由晶体管VT₃、VT₄，单结晶体管VF₁₂、VF₁₃，电容C₂₀、C₂₁，电阻R₂₈～R₃₂，电位器（可变电阻）RP₈～RP₁₁，二极管VD₁₅、VD₁₆，脉冲变压器T_P3、T_P4等元器件组成。由于两套触发脉冲产生电路的结构相同，工作原理也相同，因此，现以图5-44下半部电路左边的一套为例分析其工作原理。

图5-43 ZX5系列晶闸管整流式弧焊电源电气原理图

该移相控制电路采用了单结晶体管触发电路。如图5-44所示，它是利用晶体管VT₃串联在电容C₂₀充电电路中，通过改变晶体管VT₃的基极电位来改变晶体管VT₃集电极与发射极之间等效电阻大小，从而控制电容C₂₀充电的时间而达到脉冲移相的目的。VT₃在这里相当于一个可变电阻。

图5-44 同步与触发脉冲移相控制电路

来自运算放大器N₄的控制电压信号U_k经R₆₉从145点输入，接至晶体管VT₃的基极。U_k为负值，使PNP型晶体管VT₃导通，C₂₀被充电。当电容C₂₀上的充电电压达到单结管VF₁₂的峰值电压U_p时，VF₁₂的eb₁结导通，电容C₂₀通过单结管VF₁₂的eb₁结和脉冲变压器TP₄放电。当电容C₂₀上的电压下降到单结管VF₁₂的谷点电压以下时，VF₁₂的eb₁结阻断，电容C₂₀又处于充电状态，如此循环往复。电容C₂₀上的电压变化类似一个锯齿波，有规则地振荡着，而脉冲变压器TP₄相应地产生一系列脉冲信号，其脉冲（峰值）时间为C₂₀的放电时间，图5-45所示是其脉冲波形示意图。U_k越负，VT₃集电极与发射极之间的等效电阻越小，C₂₀的充电时间越快，其锯齿波上升沿的斜率越陡，达到VF₁₂的触发导通时间越早，使产生触发脉冲的相位前移；反之，触发脉冲相位后移，从而达到了触发脉冲移相控制的目的。

图5-45 触发脉冲电路波形示意图

在图5-45中，因为U_k2比U_k1更负，所以，电容充电时间t₂＜t₁。可见，只要改变U_k值，就可实现触发脉冲的移相，也就可以调节晶闸管式整流器的输出电压和电流。

由于单结晶体管、晶体管等电子元器件的参数都存在分散性，因此其组成的触发脉冲电路产生的触发脉冲相位有可能不完全相同。为避免同样U_k时，两组触发脉冲产生电路产生的触发脉冲相位不同，使主电路中晶闸管导通角不同而造成三相不平衡，需精细调整触发脉冲电路参数。图5-44所示的触发脉冲电路中电位器RP₈和RP₉分别用以弥补单结晶体管VF₁₂和VF₁₃之间参数的不一致，而RP₁₀、RP₁₁分别用以弥补晶体管VT₃和VT₄之间参数的差异，从而保证两套电路输出的触发脉冲相位一致。

2.同步电路

为保证触发脉冲与晶闸管整流电源电压之间的同步关系且要使每只晶闸管的触发脉冲的相位相同，即每只晶闸管的导通角相等，需从晶闸管整流电源中取得能反映其频率和相位的信号——同步电压信号作用于触发脉冲产生电路。

如图5-43所示，ZX5系列弧焊整流器采用两套触发脉冲电路，因此要求每套触发电路相隔120°产生一次“有效”触发脉冲，而两套触发电路产生的触发脉冲的相位差为60°。

ZX5系列弧焊整流器中，同步信号产生电路见图5-44的上半部分，主要由三相同步变压器T₂，稳压管VS₁～VS₆，电容C₁～C₃，电阻R₃～R₈，二极管VD₁～VD₄以及晶体管VT₁、VT₂等电子元器件组成。

三相同步变压器T₂的二次侧各相电压互差120°，与主电路变压器T₁的二次侧正极性组的电压同相，如图5_-46a所示。如图5-44所示，T₂的二次侧各相接有正、反向稳压管VS₁～VS₆，电路中的10、11、12点相对13点各取得正、反向矩形波，如图5-46b、c、d虚线所示。各个矩形波分别经C₁～C₃和R₆构成的微分电路得到如图5-46b、c、d所示的尖脉冲电压。由图5-46可见，各相正脉冲之间和各相负脉冲之间的相位都是互差120°。图5-46e所示R₆上的脉冲波形，其正、负脉冲相间，每个正脉冲和后面的负脉冲之间相差60°。将正脉冲经VD₁和VD₄输送至晶体管VT₁的发射结（VD₁和VD₄分别连接到晶体管VT₁的基极与发射极），而将负脉冲经VD₃和VD₂输送至晶体管VT₂的发射结，从而使VT₁、VT₂产生短暂的饱和导通。由于VT₁、VT₂分别并联在触发脉冲产生电路中的电容C₂₁、C₂₀两端，当VT₁、VT₂短暂饱和导通时，C₂₁、C₂₀分别通过VT₁、VT₂瞬时放电清零，以便在同步点后，C₂₁、C₂₀按U_k确定的速度从零开始充电。如此产生的第一个脉冲即“有效”的触发脉冲（晶闸管一旦触发导通后，后续的触发脉冲是无用的）的相位完全由U_k值控制，从而满足了同步触发的要求。

图5-46 同步电路波形图

对于三相可控整流电路是以自然换相点为触发延迟角的起始点（即触发延迟角α=0°的点），该点为各相电压的交点（30°）处。对于单结晶体管触发电路，同步点可设在各相电压过零处或在0°～30°范围内。图5-46中的脉冲是在相电压过零处，这是在理想的情况下得到的。实际上，由于稳压管削波作用，得到的不是矩形波而是近似的梯形波，而且由于二极管VD₁～VD₄有正向压降，使VT₁、VT₂产生短暂饱和导通的时刻（即同步点）是略滞后于各相电压过零的时刻。此后C₂₀、C₂₁充电到单结晶体管VF₁₂、VF₁₃的峰点电压U_p还需要时间，所以第一个有效触发脉冲产生于自然换相点以后。采用该同步电路，使同步点与主电路晶闸管电源电压过零点保持固定的相位关系，从而保证了触发脉冲与晶闸管整流电源电压之间的同步关系。

3.触发脉冲输出电路

ZX5系列弧焊整流器中，采用了两套触发脉冲电路，分别触发正极性组和反极性组的三只晶闸管。而每套触发脉冲电路产生的触发脉冲是利用触发脉冲输出电路分配给同极性组的三只晶闸管。现以一套触发脉冲分配电路为例，介绍其电路原理。

如图5-43所示电路原理图的右部分，晶闸管VH₈、二极管VD₁₂、VD₈～VD₁₀、电阻R₂₄、R14～R16以及电容C₁₉等构成一套触发脉冲分配电路。脉冲变压器TP₄二次输出端N、M点输出的触发脉冲，经二极管VD₁₂触发脉冲分配电路中的小晶闸管VH₈，使VH₈导通，也就是对触发脉冲进行功率放大，再通过VD₈和R₁₄、VD₉和R₁₅、VD₁₀和R₁₆去触发主电路中，同一极性组的晶闸管VH₄、VH₅和VH₆。由于三相交流电的周期相同而相位不同，因此不同时刻，晶闸管VH₄、VH₅和VH₆的阴极电位不同，当小晶闸管VH₈触发导通后，只能触发VH₄、VH₅和VH₆中阴极电位最低的那只晶闸管，该晶闸管一旦触发导通，则使34点（共阳极点）电位降低，等于该导通晶闸管的阴极电位（如果忽略晶闸管导通时的管压降），从而导致另外两只晶闸管承受反向电压而不可能导通（即使有触发脉冲存在）。同时，由于34点的电位下降，也使小晶闸管VH₈的阳极电位下降，其电位不能维持VH₈的继续导通，造成VH₈自行关断，从而为下一次触发做好了准备。由于三相主变压器与电网连接后，其三相交流电的相位关系就确定了，所以晶闸管VH₄、VH₅和VH₆的触发导通顺序也就确定了。

另外一套触发脉冲分配电路主要由晶闸管VH₇、二极管VD₁₁、VD₅～VD₇、电阻R₂₃、R₁₁～R₁₃以及电容C₁₈等构成，用以触发主电路中另一个极性组的晶闸管VH₁、VH₂和VH₃。

晶闸管触发脉冲移相控制电路优化方案

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