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1、5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路第五章第五章 交流开关与交流调压电路交流开关与交流调压电路 5.2 5.2 交流交流调压调压电路电路电力电子技术第五章第五章 交流开关与交流调压电路交流开关与交流调压电路 普通晶闸管可构成可控整流电路和有普通晶闸管可构成可控整流电路和有源逆变电路。两只源逆变电路。两只反并联反并联的普通的普通晶闸管晶闸管或一或一只只双向晶闸管双向晶闸管可组成可组成交流开关交流开关和实现和实现交流调交流调压压，广泛用于调光、调温、电机调速等。由，广泛用于调光、调温、电机调速等。由电力电子器件构成的交流开关可实现高电压、电力电子器件构成的交流开关可实现高电压、大电流电路的通断
2、控制，并且具有无触点、大电流电路的通断控制，并且具有无触点、动作速度快、噪声低、寿命长和几乎不用维动作速度快、噪声低、寿命长和几乎不用维护等优点。护等优点。电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 晶晶闸闸管管交交流流开开关关是是理理想想的的快快速速交交流流开开关关，接接通通与与断断开开负负载载电电路路时时不不会会有有电电弧弧产产生生，由由于于晶晶闸闸管管总总是是在在电电流流过过零零时时关关断断，因因而而关关断断时时不不会会因因负负载载或或线线路路中中电电感感储储能能而而造造成成暂暂态态过过电电压压和和电电磁磁干干扰扰现现象象。晶晶闸闸管管交交流流开开关关特特别别适适用用于于操操作
3、作频频繁繁、可可逆逆运运行行及及有有易易燃燃易易爆爆气体、多粉尘的场合。气体、多粉尘的场合。 电力电子技术一、简单交流开关电路及应用一、简单交流开关电路及应用 a) b) c)a) b) c) 图图5-1 5-1 晶闸管开关的基本形式晶闸管开关的基本形式 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术 图图a为普通晶闸管反并联的交流开关。当为普通晶闸管反并联的交流开关。当S合上合上时，靠管子本身的阳极电压作为触发电源，可使管时，靠管子本身的阳极电压作为触发电源，可使管子可靠触发。负载上可得到基本为正弦波的电压。子可靠触发。负载上可得到基本为正弦波的电压。 5.1 5.1 交流开关电路交
4、流开关电路 电力电子技术 图图b为采用双向晶闸管的交流开关为采用双向晶闸管的交流开关。 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术 图图c为只有一个普通晶闸管的电路，管子只能为只有一个普通晶闸管的电路，管子只能承受正压，但由于串联元器件多，其压降损耗承受正压，但由于串联元器件多，其压降损耗较大。较大。5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 图图5-2 5-2 采用光电耦合器的交流开关采用光电耦合器的交流开关电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 主电路：主电路：u RL VT1/VD1 VT2/VD21、2无信号
5、：无信号：B不通，不通，VT3导通，导通，VT1和和VT2关断，关断，RL未接电。未接电。1、2有信号：有信号：B导通，导通，VT3截至，截至，VT1和和VT2分别分别在其正半周导通，在其正半周导通，RL得电。得电。电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 图图5-3 自动控温电热炉电路自动控温电热炉电路 电力电子技术 电电路路采采用用双双向向晶晶闸闸管管为为交交流流开开关关，当当开开关关Q Q拨拨到到“自自动动”位位置置时时，若若炉炉温温低低于于给给定定温温度度，温温控控仪仪KTKT( (调调节节式式毫毫伏伏温温度度计计) )使使常常开开触触点点KTKT闭闭合合，VT4VT4(
6、(小小容容量量双双向向晶晶闸闸管管) )被被触触发发导导通通，使使继继电电器器KAKA线线圈圈带带电电，KAKA的的触触点点动动作作，使使VT1VT1、VT2VT2、VT3VT3触触发发导导通通，负负载载电电阻阻R RL L接接入入交交流流电电源源，电电炉炉升升温温。若若炉炉温温到到达达给给定定温温度度，温温控控仪仪的的KTKT触触点点断断开开，VT4VT4关关断断，继继电电器器KAKA失失电电，VT1VT1、VT2VT2、VT3VT3关关断断，电电阻阻R RL L与与电电源源断断开开，电电炉炉降降温温。这这样样使使炉炉温温被被控控制制在在给给定定范范围围内内波波动动，实实现现自自动动恒恒温控
7、制。温控制。5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电机软启动主电路电机软启动主电路启动时，启动时，6个晶闸管交个晶闸管交流开关电路工作，控制流开关电路工作，控制电机电压按设定比例上电机电压按设定比例上升；升；当电枢电压上升到额定当电枢电压上升到额定值时，自动切换使交流值时，自动切换使交流开关停止工作，而接触开关停止工作，而接触器器KM工作。工作。电力电子技术 二、过零触发开关电路及应用二、过零触发开关电路及应用 晶闸管交流开关和交流调压的控制方式：晶闸管交流开关和交流调压的控制方式： 相位控制相位控制和和过零控制过零控制 相相位位控控制
8、制：调调节节控控制制角角a a，可可调调节节输输出出电电压压但会产生射频干扰。但会产生射频干扰。 过过零零控控制制：交交流流电电压压过过零零时时触触发发晶晶闸闸管管（a a=0=0），使使晶晶闸闸管管在在一一个个周周期期处处于于全全导导通通或全阻断状态。或全阻断状态。 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术 交流过零触发开关电路就是利用交流过零触发开关电路就是利用过零触发过零触发方式来控制方式来控制晶闸管导通与关断。在晶闸管导通与关断。在设定的周期设定的周期范围内，将电路范围内，将电路接通几接通几个周波个周波，然后，然后断开几个周波断开几个周波，通过，通过改变改变晶闸管在设定周
9、期晶闸管在设定周期内内通断时间的比例通断时间的比例，达到，达到调节调节负载两端交流电压即负载负载两端交流电压即负载功功率率的目的。因而这种装置也称的目的。因而这种装置也称调功器或周波调功器或周波( (波形个数波形个数) )控控制器。制器。 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 （a）全周波连续式）全周波连续式 （b）全周波断续式）全周波断续式 图图5-5 过零触发调节周波电压的波形过零触发调节周波电压的波形电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 调功器输出电压有效值调功器输出电压有效值 其中，其中，P Pn n、U Un
10、n为设定周期为设定周期T Tc c内全导通时装置的输内全导通时装置的输出功率与电压有效值。因此，出功率与电压有效值。因此，改变导通周波数改变导通周波数n n，即可改变输出电压或功率。即可改变输出电压或功率。 如在设定如在设定周期周期T Tc c内内导通的周波数导通的周波数为为n n，每个周，每个周波的周期为波的周期为T T, ,则则调功器的调功器的输出功率输出功率为为电力电子技术单片机控制系片机控制系统实现晶晶闸管管过零控制的零控制的调功器功器电路路5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术电路组成：电路组成： U1 U1电压跟随器，输入电压电压跟随器，输入电压UsrUsr=40V
11、,=40V,输出为方波。输出为方波。 U2A:U2A:施施密密特特触触发发器器（滞滞回回比比较较器器），输输出出为为矩矩形形波，经单稳态触发器给单片机的外中断输入端。波，经单稳态触发器给单片机的外中断输入端。 U2B/U2C:U2B/U2C:正正、负负过过零零比比较较器器，过过零零时时得得正正脉脉冲冲，经微分、单稳态得过零脉冲串（经微分、单稳态得过零脉冲串（100KHz100KHz） 80518051单片机的单片机的P1.0P1.0输出输出, ,控制电平信号，控制电平信号， 控控制制电电平平信信号号U3U3和和过过零零脉脉冲冲输输入入到到U3(U3(与与非非门门），U3U3输出控制晶闸管触发电
12、路。输出控制晶闸管触发电路。 演示：演示：5-6.EWB5-6.EWB 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 三、固态开关三、固态开关 固态开关（固态开关（SSS-Solid State Switch)是是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通断一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件，包括固态继电器（组件，包括固态继电器（SSR-Solid State Relay)、固态接触器（、固态接触器（SSC-Solid State Contactor)。 固态开关的控制一般采用光电耦合技术
13、固态开关的控制一般采用光电耦合技术。 光电耦合器有光电晶闸管耦合器、光电双光电耦合器有光电晶闸管耦合器、光电双向晶闸管耦合器和光电晶体管耦合器。向晶闸管耦合器和光电晶体管耦合器。电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 固态继电器固态继电器电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 光电耦合器光电耦合器（Photo electronic Photo electronic coupletorcoupletor）工作工作原理：输入端加电信号，发光器件原理：输入端加电信号，发光器件电电光光，受，受光器件光器件光光电电，输出电信号，实现了电到光、光再电，输出电信号，实现了电到光、
14、光再电的传输。的传输。特点：实现输入和输出两端电气特点：实现输入和输出两端电气绝缘和隔离绝缘和隔离；信号；信号单向传输单向传输；抗扰能力强、响应速度快、工作稳定可靠抗扰能力强、响应速度快、工作稳定可靠。分类：光电晶体管（分类：光电晶体管（a a）、）、光电晶闸管耦合器（光电晶闸管耦合器（b b）、）、光电双向晶闸管耦合器（光电双向晶闸管耦合器（c)c)。（a）（b）（c）电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 光电双向晶闸管耦合非零电压开关光电双向晶闸管耦合非零电压开关 1 1、2 2端输入信号，耦合器端输入信号，耦合器B B导通，触发双向晶导通，触发双向晶闸管。只要闸管。只要1
15、 1、2 2端有信号，在交流电压任意相位端有信号，在交流电压任意相位均可触发导通。均可触发导通。电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 光电晶闸管耦合零电压开关光电晶闸管耦合零电压开关 VT2 VT2被触发导通条件：被触发导通条件：光电晶闸管光电晶闸管B导通，与导通，与VD1VD4构成通路。而光电晶闸管构成通路。而光电晶闸管B导通条件：导通条件：1 1、2 2端有端有信号，信号，门极、阴极间不短接。只有电源电压过零时，门极、阴极间不短接。只有电源电压过零时，VT1截止，门极阴极间才开路。总之只有当截止，门极阴极间才开路。总之只有当1、2端有输入信号端有输入信号，且且电源电压过零时
16、电源电压过零时，光电晶闸管光电晶闸管耦合器耦合器B B导通，触发双向晶导通，触发双向晶闸管。闸管。电源电压过零时电源电压过零时电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 光电晶体管耦合零电压接通、零电流断开光电晶体管耦合零电压接通、零电流断开 1 1、2 2端有输入信号，光电晶体管端有输入信号，光电晶体管B B导通，在交流电导通，在交流电压接近压接近0 0时，时，VT3VT3截止，晶闸管截止，晶闸管VT1VT1导通，与导通，与VD1VD4VD1VD4构成构成通路，触发双向晶闸管。无控制信号时，流过双向晶闸通路，触发双向晶闸管。无控制信号时，流过双向晶闸管的电流过零时关断。管的电流过零
17、时关断。 电力电子技术 特点：特点：“过零触发过零触发”，半周波通，半周波通/ 断。断。 可直接挂上单片机，直接驱动电气设备智能运行可直接挂上单片机，直接驱动电气设备智能运行;可可调功调压、变流、多管轮流导通等多功能、变功能运行，调功调压、变流、多管轮流导通等多功能、变功能运行，由单片机软件设定。它可取代由单片机软件设定。它可取代“固态继电器固态继电器+中间继电中间继电器接触器器接触器”，彻底淘汰有触点电器、可频繁通，彻底淘汰有触点电器、可频繁通/断电、断电、通通/断电时刻精确、全过程正弦波、无火花电弧、无故断电时刻精确、全过程正弦波、无火花电弧、无故障免维修。障免维修。5.1 5.1 交流开
18、关电路交流开关电路 电力电子技术KJ008KJ008双向晶闸管过零触发器双向晶闸管过零触发器集成电路及应用集成电路及应用 KJ008KJ008双向晶闸管过零触发器双向晶闸管过零触发器能使能使双向晶闸管双向晶闸管在在电电源电压为零或电流为零的瞬间进行触发源电压为零或电流为零的瞬间进行触发。这样，负。这样，负载的瞬态浪涌和射频干扰最小，载的瞬态浪涌和射频干扰最小，晶闸管晶闸管的使用寿命的使用寿命也可提高。也可提高。 该电路可用于恒温箱温度控制、单相或三相交该电路可用于恒温箱温度控制、单相或三相交流电机和电器的无触点开关、交流灯光闪烁器等设流电机和电器的无触点开关、交流灯光闪烁器等设备中作为零触发用
19、。电路内部有自生直流稳压源，备中作为零触发用。电路内部有自生直流稳压源，可以直接接交流电网电压使用。该电路具有可以直接接交流电网电压使用。该电路具有零电压零电压触发、零电流触发、输出电流大等功能特点触发、零电流触发、输出电流大等功能特点。 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 1. 1. 端子排列、内部结构和设计特点端子排列、内部结构和设计特点电力电子技术2. 电参数：电参数： 电源电压：自生直流电源电压电源电压：自生直流电源电压12-14V、外接直流电源电压外接直流电源电压1216V。 电源电流：电源电流：12mA。 零检测输入端最大
20、峰值电流：零检测输入端最大峰值电流：8mA。 输出脉冲：输出脉冲： 最大输出能力：最大输出能力：50mA（脉冲宽度（脉冲宽度400S以内），可扩展。以内），可扩展。 输出脉冲幅度：输出脉冲幅度：13V。 5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 3. KJ008应用应用(1) 零电压触发电路典型应用零电压触发电路典型应用电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 （2）零电流触发电路典型应用）零电流触发电路典型应用电力电子技术5.1 5.1 交流开关电路交流开关电路 （3） 功率扩展和正常工作波形功率扩展和正常工作波形电力电子技术
21、5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 需对交流电源平稳调压的场合：需对交流电源平稳调压的场合： 调温调温电热炉、调光电热炉、调光舞台灯、舞台灯、 调速调速交流电机、调压交流电机、调压交流稳压电源、交流稳压电源、 其它其它脉冲焊接、无触点开关。脉冲焊接、无触点开关。方案：方案： 用晶闸管作为交流开关，调节其交流输出电用晶闸管作为交流开关，调节其交流输出电压和功率。压和功率。 晶闸管调压装置特点：晶闸管调压装置特点： 体积小、控制方便、维护容易。体积小、控制方便、维护容易。电力电子技术 一、一、 单相交流调压电路单相交流调压电路 可可由由一一只只双双向向晶晶闸闸管管组组成成，也也可可以以用用两
22、两只只普普通通晶晶闸闸管管或或GTRGTR等其他全控器件反并联组成。等其他全控器件反并联组成。（一）（一）RCRC移相触发的调压电路移相触发的调压电路5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 单相交流调压电阻负载电路及波形单相交流调压电阻负载电路及波形 双向晶闸管调压电路双向晶闸管调压电路电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 （二）单结晶体管触发的交流调压电路（二）单结晶体管触发的交流调压电路电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 （三）（三）KC06触发器组成的晶闸管移相交流调压电路触发器组成的晶闸管移相交流调压电路电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调
23、压电路 三、三相交流调压电路三、三相交流调压电路 带中线的三带中线的三相交流调压电路，相交流调压电路，是三个单相交流是三个单相交流调压电路的组合。调压电路的组合。 中线会有较大中线会有较大的谐波电流，导的谐波电流，导致变压器发热和致变压器发热和产生噪声，故使产生噪声，故使用受限用受限。电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 星形接星形接法三相三法三相三线交流调线交流调压电路压电路电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 三角形接三角形接法三相三法三相三线交流调线交流调压电路压电路电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 三相交流调压电路中，改变相位控制角三
24、相交流调压电路中，改变相位控制角a a，便，便可控制加在负载上电压的大小。可控制加在负载上电压的大小。 星形接法三相三线交流调压电路星形接法三相三线交流调压电路对触发电路的对触发电路的要求：要求： 三相正（或负）触发脉冲依次相隔三相正（或负）触发脉冲依次相隔120120，每一，每一相正负触发脉冲间隔相正负触发脉冲间隔180180； 为保证两相能同时导通，触发脉冲为双窄脉冲为保证两相能同时导通，触发脉冲为双窄脉冲或宽脉冲（大于或宽脉冲（大于60 60 ）；）； 触发脉冲应与电源电压同步。触发脉冲应与电源电压同步。电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 电路以单片机为核心，检测主电路
25、的信号，电路以单片机为核心，检测主电路的信号，经整理后产生脉冲，调节电机的端电压。经整理后产生脉冲，调节电机的端电压。电力电子技术 5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 单相同步电路单相同步电路电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 同步信号隔离放大同步信号隔离放大电力电子技术5.2 5.2 交流调压电路交流调压电路 采样电路采样电路 交流互感器检测、三项桥式整交流互感器检测、三项桥式整流、电容滤波、电阻分压，得到流、电容滤波、电阻分压，得到0 05V 5V 的直流的直流电压信号。电压信号。电力电子技术 组组成成交交流流开开关关的的电电力力电电子子器器件件可可以以是是普普通通
26、晶晶闸闸管管、双双向向晶晶闸闸管管及及自自关关断断器器件件。其其中中，普普通通晶晶闸闸管管的的造造价价较较全全控控型型器器件件低低廉廉，已已得得到广泛的应用。到广泛的应用。 交交流流调调压压控控制制方方式式一一般般有有两两种种：一一种种是是常常用用的的相相位位控控制制，它它类类似似于于单单相相可可控控整整流流电电路路那那样样调调整整输输出出电电压压。另另一一种种是是通通断断比比控控制制方方式式，控控制制负负载载所所得得电电压压的的周周波波个个数数，达达到到调调节节负负载载功功率率的的目目的的，而而它它们们的的触触发发控控制制角角一般是一般是 =0=0。本章小结本章小结电力电子技术本章本章小结小结 交交流流调调压压，使使用用晶晶闸闸管管可可以以借借负负载载过过零零自自然然关关断断，不不需需另另加加换换流流电电路路，所所以以电电路路简简单单，调调整整方方便便。但但其其含含有有较较严严重重的的谐谐波波分分量量，不不过过对对于于加加热热炉炉、电电光光源源、小小容容量量的的电电动动机机等等惯惯性性较较大大的的负负载载，谐谐波波对对工工作作的的影影响响较较小小。因因此此，交交流流调调压压多多用用于于加加热热或或者者机机械械惯惯性性较较大的负载功率调整。大的负载功率调整。 电力电子技术
