毕业设计（论文）-晶闸管移相过零触发控制.doc

可控硅移相过零触发控制内容摘要现在可控硅以体积小开关频率高等优点被广泛应用于各种强电的控制电路中，从而实现了弱电对强电的控制。本文介绍了交流电用晶闸管控制的两种方法：移相触发和过零触发并比较了他们各自的优点。我们首先介绍了晶闸管的工作原理及参数的选取，并通过分析各种控制电路比较两种控制的差别，并介绍了使用时应注意的问题，即如何保护晶闸管。最后主要介绍了各种实用的触发电路。目录概述 2第一章 晶闸管简介 31.1晶闸管的结构 31.2晶闸管的工作原理 31.3晶闸管的伏安特性 41.4晶闸管的主要参数 51.5晶闸管的型号及简单测试方法 6第二章晶闸管的触发电路 72.1对触发电路的要求 72.2单结晶闸管触发电路研究 72.3常用三相调压形势及特点 11第三章晶闸管移相触发电路 133.1移相控制原理 133.2移相触发具体应用 133.3移相触发的优缺点 13第四章 晶闸管过零触发电路 144.1过零控制原理 144.2过零触发具体应用 144.3过零触发的优缺点 21第五章晶闸管电路的保护 225.1晶闸管保护的必要性 225.2产生过电压的原因及其抑制措施 225.3产生过电流的原因及其抑制措施 25第六章晶闸管设计的常遇问题解析 29心得体会 30附录各种实用晶闸管控制电路31概述随着自动控制的发展，用弱电控制强电越来越有必要，怎样隔离成为人们必须考虑的，可控硅成功地实现了弱信号对强电(输出端负载电压)的控制。可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使用方便等优点，目前交流调压器多采用可控硅调压器，这些优点是继电器无法比拟的。交流调压的方法有很多，我们可以通过可变变比的变压器来改变输出的电压，还可以通过电阻分压等许多方法。但我们必须承认用变压器实现起来笨重，若减小变压器的规格则功率又成为另一问题，电阻分压方式简单易行但浪费能源都是不合适的。所以我们大多数采用可控硅来调节交流电压从而达到我们的目的。第一章晶闸管简介一晶闸管的结构 晶闸管是一种大功率半导体变流器件， 它具有三个pn结的四层结构，其外形、 结构和图形符号如图1-1所示。由最外的p1层和n2层引出两个电极，分别为阳极a和阴极k，由中间p2层引出的电极是门极g（也称控制极）。 图1-1晶闸管的外形、 结构和图形符号(a) 外形； (b) 结构； (c) 图形符号常用的晶闸管有螺栓式和平板式两种外形，如图1-1(a)所示。晶闸管在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。螺栓式晶闸管是靠阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上， 可自然冷却；平板式晶闸管由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管， 靠冷风冷却。 额定电流大于200 a的晶闸管都采用平板式外形结构。此外，晶闸管的冷却方式还有水冷、油冷等。 二晶闸管的工作原理晶闸管导通必须同时具备两个条件： （1） 晶闸管主电路加正向电压。 （2） 晶闸管控制电路加合适的正向电压。 为了进一步说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个pnp型和一个npn型晶体管连接而成的，连接形式如图1-2所示。阳极a相当于pnp型晶体管v1的发射极，阴极k相当于npn型晶体管v2的发射极。 图 1-2 晶闸管工作原理等效电路当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时， 晶体管v2处于正向偏置，ec产生的控制极电流ig就是2的基极电流ib2，v2的集电极电流ic2 =2 ig 。而ic2 又是晶体管1的基极电流，1的集电极电流ic1=1ic2 =12 ig （ 1和2分别是1和v2的电流放大系数）。电流ic1又流入v2的基极， 再一次放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后， 晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持， 即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此， 控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。 要想关断晶闸管， 最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。 可采用的方法有： 将阳极电源断开； 改变晶闸管的阳极电压的方向， 即在阳极和阴极间加反向电压。 三晶闸管的伏安特性晶闸管阳极与阴极间的电压ua和阳极电流ia的关系称为阳极伏安特性， 正确使用晶闸管必须要了解其伏安特性。 图1-3所示即为晶闸管阳极伏安特性曲线， 包括正向特性（第一象限）和反向特性（第三象限）两部分。 图 1-3 晶闸管阳极伏安特性曲线晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时， 晶闸管的伏安特性是一组随门极电流ig的增加而不同的曲线簇。当ig =0时，逐渐增大阳极电压ua，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压ubo时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突变为正向导通状态。 这种在ig =0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。多次“硬开通”会使晶闸管损坏，因此通常不允许这样做。随着门极电流ig的增大，晶闸管的正向转折电压ubo迅速下降，当 ig足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，可以看成与一般二极管一样，只要加上正向阳极电压，管子就导通了。 晶闸管正向导通的伏安特性与二极管的正向特性相似，即当流过较大的阳极电流时， 晶闸管的压降很小。 晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流ia，使ia下降到小于维持电流ih（维持晶闸管导通的最小电流），则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。 图1-3中各物理量的含义如下： udrm、 urrm正、 反向断态重复峰值电压； udsm、ursm正、 反向断态不重复峰值电压； ubo正向转折电压； uro反向击穿电压。 晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下，当承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增加到一定值时，反向漏电流增加较快，再继续增大反向阳极电压会导致晶闸管反向击穿， 造成晶闸管永久性损坏，这时对应的电压为反向击穿电压uro。 四晶闸管的主要参数（一） 正向重复峰值电压udrm在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压udrm。一般规定此电压为正向转折电压ubo的80%。 （二）反向重复峰值电压urrm 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向重复峰值电压urrm。此电压取反向击穿电压uro的80%。 （三） 通态平均电流iv(av) 在环境温度小于40和标准散热及全导通的条件下， 晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流iv(av)或正向平均电流，通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。 （四）维持电流ih和掣住电流il在室温且控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流ih。维持电流大的晶闸管容易关断。维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。（五） 晶闸管的开通与关断时间1 开通时间tgt 一般规定：从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间称为开通时间tgt ，普通晶闸管的tgt约为6 s。开通时间与触发脉冲的陡度大小、结温以及主回路中的电感量等有关。为了缩短开通时间，常采用实际触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发，称为强触发。另外， 如果触发脉冲不够宽， 晶闸管就不可能触发导通。一般说来， 要求触发脉冲的宽度稍大于tgt ，以保证晶闸管可靠触发。 2关断时间tq 晶闸管导通时，内部存在大量的载流子。晶闸管的关断过程是： 当阳极电流刚好下降到零时，晶闸管内部各pn结附近仍然有大量的载流子未消失，此时若马上重新加上正向电压， 晶闸管仍会不经触发而立即导通，只有再经过一定时间，待元件内的载流子通过复合而基本消失之后，晶闸管才能完全恢复正向阻断能力。我们把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需要的这段时间称为关断时间tq。 晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。 （六） 通态电流临界上升率di/dt 门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到pn结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的pn结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。因此，对晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率，称通态电流临界上升率di/dt。 （七） 断态电压临界上升率du/dt晶闸管的结面积在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压， 便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的pn结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通，因此对晶闸管还必须规定允许的最大断态电压上升率。我们把在规定条件下，晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率du/dt。 五晶闸管的型号及简单测试方法 （一） 晶闸管的型号 （二）晶闸管的简单测试方法 对于晶闸管的三个电极，可以用万用表粗测其好坏。依据pn结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值，可初步判断管子是否完好。如用万用表r1 k 挡测量阳极a和阴极k之间的正、反向电阻都很大，在几百千欧以上，且正、反向电阻相差很小；用r10或r100挡测量控制极g和阴极k之间的阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管是好的。如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路，阴极与控制极间为短路或断路， 则晶闸管是坏的。 第二章 晶闸管触发电路一对触发电路的要求晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号、不同的晶闸管应用电路对触发信号都会有不同的具体要求。归纳起来， 晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。不管是哪种触发电路， 对它产生的触发脉冲都有如下要求： （1） 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。由于晶闸管触发导通后，门极触发信号即失去控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号（2） 触发脉冲应有足够的功率。触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。触发功率的大小是决定晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。 由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压和电流值。 (3） 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡， 以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约为6 s， 故触发脉冲的宽度至少应有6s以上。对于电感性负载，由于电感会抵制电流上升，因而触发脉冲的宽度应更大一些， 通常为0.51 ms。 此外，某些具体的电路对触发脉冲的宽度会有一定的要求，如后续将要讨论的三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要求大于 60或采用双窄脉冲。为了快速可靠地触发大功率晶闸管，常在触发脉冲的前沿叠加上一个强触发脉冲，强触发电流的幅值igm可达最大触发电流的5倍。 （4） 触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都必须在相同的控制角触发导通，这就要求触发脉冲的频率与阳极电压的频率一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保持固定的相位关系，这叫做触发脉冲与阳极电压同步。不同的电路或者相同的电路在不同负载、不同用途时，要求的变化范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同， 所用触发电路的脉冲移相范围必须能满足实际的需要。二单结晶体管触发电路研究图 2-1 单结晶体管触发电路及其波形(a) 电路； (b) 波形（一） 同步电源同步电压由变压器tb获得， 而同步变压器与主电路接至同一电源， 故同步电压与主电压同相位，同频率。同步电压经桥式整流再经稳压管vdw削波为梯形波uvdw，它的最大值uw，uvdw既是同步信号，又是触发电路的电源。当uvdw过零时，单结晶体管的电压ubb= uvdw =0，ua=0，故电容c经单结晶体管的发射极e、第一基极b1、电阻r1迅速放电。也就是说， 每半周开始，电容c都基本上从零开始充电，进而保证每周期触发电路送出一个距离过零时刻一致的脉冲。距离过零时刻一致即控制角在每个周期相同，这样就实现了同步。（二） 移相控制 当调节电阻rp增大时，单结晶体管充电到峰点电压up的时间(即充电时间)增大，第一个脉冲出现的时刻后移，即控制角增大，实现了移相。 （三） 脉冲输出 触发脉冲由r1直接取出，这种方法简单、经济， 但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。 可以采用脉冲变压器输出来改进这一触发电路。利用单结晶体管的负阻特性和rc电路的充放电特性，可以组成单结晶体管自激振荡电路。1电源接通后，e通过电阻re对电容c充电，充电时间常数为rec；2当电容电压达到单结晶体管的峰点电压up时，单结晶体管进入负阻区，并很快饱和导通，电容c通过eb1结向电阻r1放电，在r1上产生脉冲电压ur1。3此后c又开始下一次充电，重复上述过程。由于放电时间常数(r1+ rb1)c远远小于充电时间常数rec，故在电容两端得到的是锯齿波电压，在电阻r1上得到的是尖脉冲电压。图2-2图2-2所示单结晶管触发电路可以实现与主回路的同步。这种触发电路在中小型功率晶闸管整流电路中应用普遍，下面讨论其工作原理。图中下半部分是主回路，上半部分是单结晶管触发电路。工作过程波形如图2-2所示，交流电压u3经桥式整流，变成脉动电压uab再经过限流电阻r3和稳压管dw构成的削波电路，变成梯形波电压ucd，ucd既是触发电路的工作电压，又是同步电压。当交流电压过零点时，ucd为零，单结管的ubb也为零，这时-1间的特性类似二极管，电容c可以迅速放电。因此每次电源电压过零点后，电容均丛起始电压从零开始充电。只要整定条件不变，交流电源每半周触发电路发出第一个脉冲的时刻不变，于是晶闸管的控制角不变，从而实现了同步。触发电路每次发出的脉冲，同时加到两个晶闸管的控制极，第一个脉冲使承受正向阳极电压的晶闸管触发导通，由于晶闸管导通后控制极失去作用，因此 后面的脉冲都没用，另一个晶闸管因阳极加反向电压而不导通。触发脉冲的移相通过改变rs实现。当r减小时，振荡周期tg变短，第一个脉冲提前产生，晶闸管的控制角减小，整流电路的输出支流电压增大。rs的调节范围确定了振荡周期t的变化范围，从而确定了移相范围。这种触发电路无法使晶闸管的控制角为零。单结晶体管的触发电路有许多接线方式，举例如图2-3所示。图2-3图（a）是直接从晶闸管两端取得电源电压的触发电路。晶闸管触发导通后，触发电路的工作电压即消失，所以每次只送一个脉冲。图（b）用直流电压供电，用同步脉冲加在晶体管上使电容放电获得同步。图（c）是用脉冲变压器输出的接线方式。这种方式使触发电路与主回路电气隔离。与脉冲变压器并联的二极管用以抑制负脉冲输出。图（d）用晶体管代替电位器。改变直流输入电压ust，就能改变第一个脉冲的产生时刻，从而改变晶闸管的控制角。如ust增大，则i增大，电容充电速率加快，达到峰点电压的时间变短，第一个脉冲发出早，晶闸管的控制角减小。这种电路可以实现自动调节，再带反馈的晶闸管晶闸管中用的较多。结论:单结晶体管触发电路简单，但是输出功率小，脉冲窄，故只在中小功率晶闸管晶闸管中得到广泛应用。在大功率晶闸管中，常用晶体管触发电路。三. 常用三相调压电路形式及特点 图2-4常用三相调压电路形式及特点第三章 晶闸管移相触发电路一晶闸管移相触发原理在触发信号和被控信号没有直接联系，即触发信号不能反应被控信号的状态，而直接触发晶闸管导通的过程。二晶闸管移相触发应用因为它的触发电路结构简单，电路便于实现，所以被广泛的应用于各种要求不是很高的各种交流直流调压设备中。如亮度可调式台灯，电机转速的控制，以及应用设计电压可变直流电源等。通过设计简单的触发电路或定时电路来控制晶闸管的导通时间。图3-1 简单的台灯亮度控制电路及波形r2是可调电阻，用来设计电容的充放电时间t=rc,当c1充电电压大于晶闸管得触发电压时晶闸管导通，r1起到保护作用，当电源上正下负时c1充电，到通后正向电压的一部分经负载形成回路；当电压为负时，c方向充电，然后反向电流的一部分流经负载形成回路，控制r2电阻可控制电容充放电时间，可以调节交流的平均电压。通过如图从而控制灯泡的亮度。三移相触发的优缺点电路设计简单可靠性高便于排除故障一般要求不高的场合被广泛应用。但电路产生许多高次分量对电网进行了污染，并以电磁波的方式向外发送能量，对敏感元件干扰较大，不能应用在精密设备中。第四章 晶闸管过零触发电路一晶闸管过零触发原理所谓过零触发即同步，是指把一个与主电路晶闸管所受电源电压保持合适相位关系的电压提供给触发电路，使得触发脉冲的相位出现在被触发晶闸管承受正向电压的区间，确保主电路各晶闸管在每一个周期中按相同的顺序和触发延迟角被触发导通。我们将提供给触发电路合适相位的电压称为同步信号电压，正确选择同步信号电压与晶闸管主电压的相位关系称为同步或定相。过零触发就是在电压为零的附近触发导通在设定的周期内改变晶闸管导通的周波数来实现交流调功率和调压 克服了移相触发产生的谐波干扰。适于电热负载（一）实现同步的方法1.由同一电网供电，保证电源频率一致 2.选择合适的触发电路 3.依据整流变压器的联结组标号、主电路 线路型式、负载性质确定触发电路的同步电压，并通过同步变压器的正确连接加以实现。二晶闸管过零触发应用图4-1为过零触发单相交流调功电路。交流电源电压u以及v1和v2的触发脉冲ug1、ug2的波形分别如图4-2所示。由于各晶闸管都是在电压u过零时加触发脉冲的，因此就有电压uo输出。如果不触发v1和v2，则输出电压uo0。由于是电阻性负载，因此当交流电源电压过零时，原来导通的晶闸管因其电流下降到维持电流以下而自行关断，这样使负载得到完整的正弦波电压和电流。由于晶闸管是在电源电压过零的瞬时被触发导通的，这就可以保证大大减小瞬态负载浪涌电流和触发导通时的电流变化率di/dt，从而使晶闸管由于di/dt过大而失效或换相失败的几率大大减少。 图 4-1 交流调功器(b) 三相交流调功器(a) 单相交流调功器 图 4-2 单相交流零触发开关电路的工作波形 如设定运行周期tc内的周波数为n，每个周波的频率为50 hz，周期为t（20 ms），则调功器的输出功率p2为 tc应大于电源电压一个周波的时间且远远小于负载的热时间常数，一般取1 s左右就可满足工业要求。 t电源的周期（ms）； n调功器运行周期内的导通周波数； pn额定输出容量（晶闸管在每个周波都导通时的输出容量）； u2n每相的额定电压（v）； i2n每相的额定电流（a）； kz导通比， , f为电源的频率。 由输出功率p的表达式可见，控制调功电路的导通比就可实现对被调对象(如电阻炉)的输出功率的调节控制。 零压强触发电路有如下特点：1）由于采用零压触发方式，所以负载上的电压是完整的正弦波，不会产生高次谐波造成危害。2)采用时基集成电路ne555控制，电路简单工作可靠，在固定的周期内，改变电压周波数目，使输出功率可以从零调到最大值3）利用小功率可控硅触发大功率可控硅，对参数不对称，或触发灵敏度低的大容量可控硅实行强触发，可以保证可靠触发，输出电压波形完整。本电路可以用于大功率单相负载，如电炉调温电机调速等场合，并且很容易加入反馈环节形成自动控制。 图4-3零压强触发电路电路如图4-3所示，时基集成电路ne555接成自激多谐震荡器，二极管d6,d7为定时电容c3提供独立的充放电回路。这种接法，改变rw的阻值，可以使3脚输出高.低电平的时间，当一个增加另一个减少时，可以保证本电路的占空比从0.1%到99.9%可调，但周期固定不变，振荡周期为0.7秒。3脚上（b点）电压波形如图2中vb所示。图4-4 波形图 三极管bg1组成过零检测电路并与555的输出端配合形成过零触发脉冲，原理如下：电源经全波整流以后，经二极管d5隔离，三端集成电路cw7812稳压，为电路提供12伏的直流电源。a点的波形如图4-4中va所示同时利用发光二极管led的正向稳压的特性，削波限幅后在d点得到约1.7伏的电压，作为过零检测电源，在这里，发光二极管兼作指示灯用。d点的波形如图2中vd所示。 当ne555的3脚输出低电位时，显然是不可能产生触发脉冲的，作为强触发的小功率可控硅scr3不导通，所以电路没有输出功率，而当脚输出高电位时，能否形成触发脉冲，这要看的状态。此时点的电位只高于.伏，bg1即进入饱和状态，点变为低电位只有在电源电压过零的各点上，截止，点才是高电位，也就是说只有在电源电压过零的各点上，才能形成同步触发脉冲，使scr3导通，点的电压波形如图4-4中c所示。scr1和scr2是主回路中两只大容量可控硅，当scr3被导通后，scr1和scr2在电源的正负半周期内分别被scr3强制触发，在负载r2上得到一完整的正弦波，过程如下：电源上正下负时，经r2d10scr3r7d12触发scr1，电源下正上负时，经d8scr3r7d11r2.由于采用电源电压强触发，触发电流大，故灵敏可靠，同时可以看到，只要scr1或scr2一经导通。scr3即自行关断，所以r7上的功耗并不大。 这样，只要调rw的阻值，就可以改变555上高电位的时间，从而在固定的周期内，改变rl上的周波数，达到调功率的目的。 器件选择：时基集成电路可以选用ne555，a555以及国产5g1555等，bg1可以选用3dk4，3dg12等管子，要求饱和压降vces小于0.3伏。70，发光二极管可以选用红色的，这类管子正向电压在1.4到1.8伏左右，最好选用不超过1.7伏的。调试时可以用示波器观察各点的波形，需符合图4-4中的形状。图中二极管可选用2cp类管子。双向可控硅由于其本身的导电性，与一般的可控硅一样，非常适合在交流电路内做无触点的开关，但与一般可控硅相比，其触发电路要简单的多，使用更方便，因此应用很广泛。双向可控硅的过零触发方式，时可控硅只在过零瞬间获得一个触发脉冲而导通，这时电路内的电流将由零而逐渐增大。对导通的双向可控硅，如果在交流电压过零时没有触发脉冲，则双向可控硅会自动关断。因此在过零触发方式工作下的双向可控硅电路内，电流的变化不会发生大起大落，从而有效地消除了 一般可控硅电路内电流急剧变化而产生的波形畸变及辐射干扰等弊端。在微处理机化的实时控制系统中，抗干扰实非常重要的，当使用双向可控硅作为电路控制器时，这种过零触发方式是非常适宜的。（一）.晶闸管调功控制炉温电路图4-5中，由两只晶闸管反并联组成交流开关，该电路是一个包括控制电路在内的单相过零调功电路。由图可见，负载是电炉，而过零触发电路由锯齿波发生器、信号综合、直流开关、同步电压与过零脉冲触发五个环节组成。 该电路的工作原理简述如下： （1） 锯齿波是由单结晶体管bt、r1、r2、r3、rw1和c1组成的张弛振荡器产生的，然后经射极跟随器（v1、r4）输出。 图 4-5单相晶闸管过零调功电路（2） 控制电压uc与锯齿波电压进行电流叠加后送到v2的基极，合成电压为us。当us0 时，v2导通; us0时, v2截止。 （3） 由v2、v3以及r8、r9、vdw1组成一个直流开关，当v2的基电压ube20（0.7 v）时，v2导通，v3的基极电压ube3接近零电位，v3截止，直流开关阻断。当ube20时，v2截止， 由r8、vdw1和r9组成的分压电路使v3导通，直流开关导通。 （4） 由同步变压器tc、整流桥vd1及r10、r11、vdw2组成一个削波同步电源，这个电源与直流开关的输出电压共同去控制v4与v5。只有在直流开关导通期间，v4、v5集电极和发射极之间才有工作电压，两个管子才能工作。在此期间， 同步电压每次过零时，v4截止，其集电极输出一个正电压， 使v5由截止转导通，经脉冲变压器输出触发脉冲，而此脉冲使晶闸管v6（v7）在需要导通的时刻导通。 在直流开关（v3）导通期间输出连续的正弦波，控制电压uc的大小决定了直流开关导通时间的长短，也就决定了在设定周期内电路输出的周波数，从而实现对输出功率的调节。 显然，控制电压uc越大，导通的周波数越多，输出的功率就越大，电阻炉的温度也就越高；反之，电阻炉的温度就越低。 利用这种系统就可实现对电阻炉炉温的控制。 图 4-6 单相过零调功电路的工作波形（二）.kc04、kc41c组成的三相集成触发电路如图4-7所示，由三块kc04与一块kc41c外加少量分立元器件，可以组成三相全控桥的集成触发电路，它比分立元器件电路要简单得多。1kc04移相触发器kc04与分立元器件的锯齿波触发电路相似，也是由同步、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成及放大输出等环节组成。该器件适用于单相、三相全控桥式装置中作晶闸管双路脉冲相控触发。2kc41c六路双脉冲形成器图4-7为kc41c内部电路及外部接线图。使用时，kc4lc与三块kc04可组成三相全控桥的双脉冲触发电路。图4-7 三相全控桥双窄脉冲集成触发电路（三）.数字触发电路图4-8为微机控制数字触发系统组成框图。图中触发延迟角设定值以数字形式通过 接口送给微机，微机以基准点作为计时起点开始计数，当计数值与触发延迟角对应的数值一 致时，微机就发出触发信号，该信号经输出脉冲放大，由隔离电路送至晶闸管。 图4-8 微机控制数字触发系统框图1、系统工作原理(1).介绍定时器计数器t0、t1的原理(2).由前面讲过的三相全控桥电路工作原理可知，该电路在一个工频周期内，6只晶闸管的组合触发顺序为：6、l；l、2；2、3；3、4；4、5；5、6。若系统采用双脉冲触发方式，则每工频周期要发出6对脉冲，为了使微机输出的脉冲与晶闸管承受的电源电压同步，必须设法在交流电源的每一周期产生一个同步基准信号，本系统采用线电压过零点作为同步参考点。 电路工作时，设1为触发延迟角，即第一对脉冲距离同步参考点的电角度，后面每隔60发一对脉冲，共发6对。各脉冲位置与时间关系如图3-16b所示，设 t1=t1 tn=t1+(n-1) t60 式中 t11对应的时间； n 触发脉冲序号， n =1、2、3、4、5、6 tn第n个脉冲对应的时间； t6060所对应的时间。这种用前一个脉冲为基准来确定后一个脉冲形成时刻的方法，称为相对触发方式。本系统采用每一工频周期取一次同步信号作为参考点，每一对触发脉冲调整一次触发延 迟角的方法，按输出脉冲工作顺序编写的程序流程图如图3-17所示。本系统共使用3个中断源，int0为外部同步信号中断，定时器t0、t1为计时中断。其中t0仅完成对第一对脉冲的计时，其他各对脉冲计时由t1完成。2、微机触发系统的硬件设置系统硬件配置框图如图4-9所示。图4-9 系统硬件配置框图三晶闸管过零触发优缺点同步电压为锯齿波的触发电路抗干扰能力强，不受电网电压波动与波 形畸变的直接影响，移相范围宽。缺点是整流装置的输出电压ud与控制电压uc之间不成线性关系，且电路较复杂。第五章晶闸管电路的保护一、晶闸管保护的必要性整流电路以及其他大功率电路，在工作时都不可避免地会因各种原因在电路中产生电压，电流的瞬变过程。这些瞬变过程将在电路的有关部分产生过电压，过电流，或者过电压上升率，过电流上升率。而晶闸管作为一种半导体器件即和其他器件相比，由于其运行电压接近于允许电压，而且元件的热时间常数小，所以耐受过电压，过电压的能力是极弱的。当电路中发生瞬变过程中所产生的过电压，过电流，过大的电压上升率和电流上升率作用到晶闸管上时。若超出允许值就可能损坏元件或者严重影响其工作。当加于晶闸管上的反向电压值超过其反向电压不重复峰值电压，而又没有限流措施时，即使时间很短，也会使元件反向击穿，造成永久性破坏，若是正向电压超过其断态不重复峰值电压，则将使晶闸管发生转折而导通，这是一种不正常的导通，在没有限流措施情况下，大电流就会使晶闸管的结片局部过热，使正向阻断性能变坏。如果在晶闸管两端突加一个正向电压，尽管这个电压大小并未超过元件的转折电压，但是电压上升率很大也会使晶闸管导通。这是因为硅片的pn结面在未导通时，相当于两个靠的很近的极板形成一个电容。如果所加电压的上升率很大，则通过pn结的电容电压将使晶闸管误导通。和上述晶闸管正向转折引起误导通的情况一样，会产生不需要的电流，从而造成对供电负载及晶闸管本身包括晶闸管自己的损害。与一般半导体元件相同，晶闸管元件的主要弱点是过电压、 过电流的承受能力差。当施加在元件两端的电压超过其正向转折或反向击穿电压时，即使时间很短也会导致元件损坏或使元件发生不应有的转折导通，造成事故或使元件性能降低，留下隐患。 过电压保护的目的是使元件在任何情况下不致受到超过元件所能承受的电压的侵害, 因此必须采取有效措施消除和抑制可能产生的各种过电压。二、产生过电压的原因及其抑制措施（一） 产生过电压的原因1、 静电感应过电压（1） 变压器接通时的过电压晶闸管的变压器是，但电源接通时的瞬间初级绕组的高电压经过绕组之间的分布电容耦合之次级绕组，对原来是低压侧的次级来说就是一种过电压。而且电压上升率也很大 ，这种过电压及其值很大的电压上升率就可能危及接在变压器次级的晶闸管。当过电压为正向时，可能使晶闸管发生正向转折或因为电压上升率过大而误导通。因为变压器绕组之间的分布电容不大，所以在变压器次级绕组上并接适当的电容就能显著减小这种过电压。此外也可以在变压器中加一个屏蔽绕组，使之接地来削弱这种静电感应。（2） 雷击过电压三相交流架空明线有可能遭受雷击，通常这种情况发生的雷击过电压也是一种静电感应过电压。这种过电压虽然机会很少，但由于其能量很大，一旦发生，则硅或晶闸管就极易被击穿损坏。尤其是后者更易损坏。因此，在可能有雷击的地区应该在变压器初级到进线处装设一个避雷器。但由于经避雷器后的剩余能量一般还比较大，而晶闸管的耐压能力有限，所以常常在初级侧接瞬间高电压吸收电路。2、 电感回路电流切断时产生的过电压（1）变压器初级断开时的过电压变压器是一种电杆元件，当晶闸管空载时变压器初级绕组中的电流就是其激磁电流。断开空载变压器就是切断其激磁电流，此时绕组中将感应出一个很高的电势企图维持这个初切断的电流，从而在断开点处产生电弧。与此同时产生电势，造成过电压。它和开关断开的速度有关。一般可达到电源电压的34倍。当电源电压过零的瞬间，激磁电流达到峰值，这时断开初级过电压情况更严重。（2）并联负载切断时形成过电压在供电给晶闸管的三相交流馈电线上，往往接有其他负载。而电源回路总有一些电感，例如电力室进线主变压器的漏感，馈电母线的电感等。当并联负载切断时，将造成电源回路电感中电流的突然变化，因而在馈电线上产生过电压加到与三相连着的晶闸管上。这种过电压的大小，显然与电源回路的电感大小和切断并联负载的电流值有关。对于这种过电压也可以采用rc吸收回路并联在晶闸管进线侧加以抑制。(3)直流回路切断时产生的过电压图5-1在晶闸管晶闸管整流电路的后面总接有lc滤波电路，滤波电路 的容量很大，常常达几万微法，一般情况下，在切断直流负载不大的回路时，不会产生过电压。但是在直流负载很大的输出回路中，若接有熔断器，当熔断器熔断时，相当于切断大负载电流电路，如图5-1示，这时电感l中电流 i就向电容c充电，使其电压升高，若电容容量不足时就会产生过电压加到晶闸管上来。因此滤波电容的大小除了满足滤波要求外，还应满足吸收电感l中的能量而不致形成过电压。此外，某桥臂中的硅元件在导通状态下突然开断的或串联熔断器熔断时，因电感中电流不能突变，从而产生很高的电压。此过电压正向施加于其余晶闸管上，可能使其正向转折，这时，若有续流二极管并联与直流侧，则电感中的电流可通过续流二极管构成回路。3、换向过电压晶闸管整流电路在工作时，各晶闸管是轮流导通的，整流电流不断的从一只晶闸管转到另一只晶闸管仲去，这就是所谓的换向。在理想情况下，某晶闸管换向终了，通过它的电流降到零时，该晶闸管，立即闭锁以防止电流反向。实际上对于原来导通的晶闸管，突然加反向电压时，他并不能立即封锁，晶闸管管段有个过程，因为结区还积存着大量载流子，在一段时间内仍是导通状态，使晶闸管在反向电压作用下流过反向电流，这个电流成为反向恢复电流，反向恢复电流以一定的速率朝反向增加，这个速度取决于加反向电压和电路电感量的大小。图5-2图5-3换向过电压的大小和反向电流在回路电感中集聚的能量与这个能量的释放速度有关，前者取决于晶闸管的工作状态和电路参数。因这些因素已经确定了，所以总是采用降低这个能量释放速度的方法来降低换向过电压。这个方法最常用的就是在晶闸管两端并联rc吸收回路。（二） 控制过电压的措施1、 阻容吸收保护阻容rc吸收保护电路是利用两端电压不能突变的原理，在电力切断时，把电感中的电磁能量转变为电容器中的电场能量。适当的选择r、c的大小就可以抑制过电压数值在允许范围内。晶闸管交流侧的rc吸收电路，它既可以抑制空载变压器拉闸时切断激磁电流所产生的过电压，又能抑制变电压合闸时的过电压，以及相临负载拉闸时形成的过电压。而且由于电容上的电压不能突变，所以能有效的抑制电压上升率。电阻r是防止产生lc震荡的阻尼电阻，原则上是小一些好，但过小可能产生震荡。交流侧rc吸收电路可以接在变压器的初级侧或者接在次级侧，其作用是一样的。由于次级电压一般较低，可减小对电容耐压的要求，所以，经常是接在变压器次级侧。对于特大量晶闸管有时最好在初级侧也接入rc吸收电路。对于硅元件换相电压的保护，最常用的也是rc吸收电路。将rc支路直接并联在被保护的元件两端即可。2、 输入滤波器如前所述，供电给晶闸管的交流电网因各种原因产生的瞬间过程所引起的过电压及电压上升率会串入晶闸管，对晶闸管造成危害，由于设置了相应的rc吸收电路后，电网上产生的过电压尖峰及电压上升率一般就不会到达晶闸管。但是，在没有变压器的整流电路中情况就不一样了，这时应该在电源输入端串入电感l4如图，用来抑制从电网来的过电压尖峰及过大的电压上升率。但是接入电感l后，在操作晶闸管时又会产生各种过电压，因此也要接入相应的rc吸收电路，这样就构成了图示滤波器。这种滤波器对改善晶闸管工作时对电网电压波形的畸变有好处。3、 硒堆保护电路rc吸收电路既然能抑制过电压而又有抑制电压上升率的作用，但是其吸收能力有限当供电电网上发生意外情况，对于出现能量很大的过电压时，一般的rc电路往往不能将这种过电压吸收掉。这时，可采用硒堆保护电路硒堆有两组反向串联的硒片组成，利用其反向击穿特性吸收过电压而达到保护目的。硒片保护也可接到变压器初级侧，但由于初级电压一般都比次级电压高，这时所需串联的片数就要相应增加，其面积适当减小。4、压敏电阻保护电路压敏电阻是近年来出现的一种金属氧化物，具有于“稳压管特性”相类似的非线形伏安特性，是一种良好的过电压保护元件，它具有体积小，过电压的抑制性好，耐受冲击能量大，响应速度快，正常耗电量小，可靠性高等一系列优点，而且它的正反向伏安特性对称交直流电路中都适用。因此，在晶闸管晶闸管与逆变装置中已开始采用这种压敏电阻作为过电压保护元件。三.产生过电流的原因及其抑制措施（一） 产生过电流的原因使晶闸管过流的原因有三种：一是过负载，二是输出侧电路。晶闸管供给的负载用电量过大，超过晶闸管的额定输出值就造成过负载，使可控硅中的电流超过规定值。电流过大会造成晶闸管的结部温度过高，甚至超过允许值。这就使晶闸管的正反向特性都变坏，漏电流急剧增大，其结果又会使元件结温更加上升，如此恶性循环，就可能完全损坏晶闸管，导致发生短路故障，因晶闸管的过电流能力是很有限的， 所以在电路中要采取过载保护措施。输出侧的短路，将造成很大的短路电流。因为一般通用晶闸管总是带有较大的滤波电感。这个滤波电感可减小短路电流上升的速度，当采用快速继电器保护时，可以在短路电流尚未上升至最大值前切断电路。此外，在直流回路中可接入快速熔断器，在电流上升至一定值时熔断，切断电路。（二）、抑制过电流的措施1、限流法所谓限流法就是将晶闸管的最大输出限制在某一规定的数值，这是电源设备中常用的过载保护手段之一。在晶闸管电路中，可以利用控制电路设法使晶闸管具有限流性能。例如当输出电流增达到某一数值时，控制电路发生转换信号使晶闸管转入限流工作，这是控制电路调节晶闸管的控制角，降低晶闸管的输出电压，使输出电流限制在规定的范围内。这种保护方式再过电流消除后，自动恢复原来的工作状态，保证了供电不中断。2、控制闭锁方法当晶闸管过载或发生直流输出侧短路故障时，为了更快的限制输出电流，可以采用闭锁晶闸管控制极的方法。也就是说在发生短路故障时，通过控制电路切断晶闸管的触发脉冲，这样除了已经在导电的晶闸管外，其余的元件不再轮流导电。已导电晶闸管中的电流减小到零时，该元件也停止导电，这样电路就完全切断了。需要特别指出，在三相半控桥式电路中采用闭琐控制极的保护方法时，主电路中必须有续流二极管，否则就不能切断故障电流。3、快速熔断法普通熔断器因为熔断速度太慢，若用它保护晶闸管，很可能在晶闸管烧坏后还未熔断，因此一般不能用来保护晶闸管，快速熔断器采用特殊结构的银质熔丝作熔体，且在熔断管内填充石英沙。使快速熔断器具有很好的熔断特性。与普通熔断器相比在同样的 过载倍数下，它的熔断时间要短的多。因此它可以作为晶闸管的短路保护手段。整流器中产生过电压的原因有外因和内因两种。前者主要来自系统中的通断过程和雷击，后者是指由晶闸管元件的周期通断(换相)过程(即晶闸管载流子积蓄效应)引起的过电压。 正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压um， 超过此峰值的电压即为过电压。在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压udm，而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压urm。这两种过电压都是经常发生和不可避免的，因此在变流电路中，必须采用各种有效保护措施，以抑制各种暂态过电压，保护晶闸管元件不受损坏。 抑制暂态过电压的方法一般有三种： 用电阻消耗过电压的能量； 用非线性元件限制过电压的幅值； 用储能元件吸收过电压的能量。 若以过电压保护装置的部位来分， 还有交流侧保护和直流侧保护两种抑制暂态电压的方法。 (1) 交流侧过电压保护有三种方法：采用避雷器、rc过电压抑制电路和非线性元件。 避雷器用以保护由大气雷击所产生的过电压，主要用于保护变压器。因这种过电压能量较大，持续时间也较长，一般采用阀型避雷器。 rc过电压抑制电路通常并联在变压器次级（元件侧）， 以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并且抑制rc回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，rc电路也可接在变压器的电源侧。 图