新型電力穩壓器中幾個問題的討論

摘要：在新型無觸點補償式電力穩壓器中，采用雙向晶閘管作為開關器件。本文介紹該系統的基本工作原理，并分析存在的一些問題及其解決方法。

關鍵詞：穩壓器晶閘管變壓器

The problems of new type power supply

Abstract: Thyristor is used as swithing device in the non? contact power supply.This paper introduces the operation principles of this system,and analyzes in detail the existing problems and methods of solving the problems

Keywords: Voltage regulator, Thyristor, Transformer

中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)12－631－02

　　1引言

目前市場上的電力穩壓器大多是采用伺服電機帶動炭刷調整輸出電壓。它具有整機效率高、輸出波形好及電路簡單等優點，但由于有炭刷和機械傳動造成其工作壽命短、響應速度慢。用“無觸點”取代“炭刷”是目前大功率電力穩壓器的發展方向。這里所說的“無觸點”是指采用如雙向晶閘管之類的功率器件代替炭刷，利用微電腦實現邏輯控制通過補償變壓器進行調壓，從而達到延長使用壽命、加快響應速度、提高可靠性的目的。

圖1穩壓原理圖

2系統基本原理

穩壓器主要由主電路、單片機、檢測電路、控制電路、驅動及報警接口電路等單元構成。如圖1所示。

圖中各電壓有如下關系：由圖1可知，微電腦通過電壓采樣電路檢測并計算出需要補償的電壓△U，由驅動系統改變雙向晶閘管導通組合來補償輸入電壓（Ui），使穩壓器的輸出電壓（Uo）保持穩定，從而達到穩壓的目的（工作原理見參考文獻1）。為使操作簡單易行，充分利用微電腦的功能，設置了完善的自檢系統。

3幾個問題的討論

3.1變壓器的投入問題

與文獻2相比，變壓器投入造成合閘飽和所形成的浪涌電流較大。為減小鐵心體積，一般變壓器的工作磁感應強度Bm選在B－H曲線接近拐點處，合閘瞬間最壞情況是磁感應強度最大為2Bm＋Br（剩磁），顯然變壓器將出現飽和，造成晶閘管損壞和電壓波形的畸變。為防止合閘瞬間飽和，可選擇Bm≤Bs/3。

3.2觸發驅動問題

晶閘管作為電流控制器件，當觸發脈沖的持續時間較小時，脈沖幅度必須相應增加。同時，脈沖寬度也取決于陽極電流達到擎住電流的時間。在本系統中，由于感性負載的存在，陽極電流上升率較低，若不施加較強的寬脈沖觸發，則晶閘管往往不能維持導通狀態。考慮負載是感性的，本系統采用電平觸發，其缺點是晶閘管損耗較大。

3.3晶閘管阻斷問題

晶閘管是一種雪崩式器件，這種器件的導通是由于在中間集電結上載流子的成倍增加引起的，在應用過程中，影響關斷時間的因素有結溫、通態電流及其下降率、反向恢復電流下降率、反向電壓及正向dv/dt值等。其中以結溫及反向電壓影響最大。結溫愈高，關斷時間愈長；反壓越高，關斷時間愈短。

在系統中，由于感性負載的存在，在換流過程中，電感兩端會產生很高的反電動勢，這個異常電壓加在晶閘管兩端，容易引起晶閘管損壞。為防止這種情況，通常應采用浪涌電壓吸收電路。

3.4dv/dt、di/dt效應問題

晶閘管的斷態電壓上升率dv/dt較大的時候，有可能在比它的正向轉折電壓低得很多的電壓下導通。如果電路上的dv/dt超過器件允許的dv/dt值時，晶閘管就會誤導通而失去阻斷能力。在應用電路中，將晶閘管的門極通過電阻與陰極相連，從外部將位移電流旁路掉，以防止dv/dt引起的誤導通。

di/dt過大容易造成晶閘管擊穿，在電路中，采用前沿陡峻的強電平觸發以增大初始導通面積，進而改善di/dt容量。

由于dv/dt較大引起的誤觸發和di/dt過大引起的晶閘管擊穿現象，其后果是十分嚴重的。從圖1可以看出，這種情況的出現會導致直通現象，造成晶閘管的損壞甚至損壞變壓器。在電路設計中，采用可靠的晶閘管通斷檢測及限流措施，可以避免這種故障的發生。

3.5過電壓及過電流保護措施

過電壓的產生，主要有以下原因：

（1）變壓器投入時的浪涌電壓；

（2）變壓器抽頭轉換時產生的浪涌電壓；

（3）雷電侵入時的浪涌電壓；

（4）直流回路斷路時產生的浪涌電壓。

在電路中，加入浪涌吸收器可以吸收變壓器一次系統電磁轉移而侵入的浪涌電壓，同時還能吸收變壓器通斷時產生的變壓器磁能。為避免雷電侵入時產生的浪涌電壓，可采用半導體避雷器。

在系統中，為避免誤觸發引起的直通現象，可以采用如下技術措施：

（1）確保晶閘管的觸發信號可靠。利用軟件濾波程序使輸出觸發信號每組只有一個有效，再利用74LS273和防環流邏輯電路（PAL16V8），以確保即使在單片機失控的情況下也不會出現誤觸發。另外，觸發信號引線采用屏蔽線及其它抗干擾措施，以防止誤觸發現象的產生。

(2)確保換向可靠。在正常工作時，往往要改變補償電壓的大小，即調整晶閘管的導通組合。如果換向的時機或者組合不當就會形成直通而損壞晶閘管。在設計中采用過零點切換技術，最關鍵的是準確檢測晶閘管的工作狀態。為此，采取軟、硬件結合和互鎖技術，確保開關工作準確無誤。實際運行結果表明上述技術是可行的。

3.6感性負載的影響

由于感性負載的存在，應考慮加大觸發脈沖寬度，否則晶閘管在陽極電流達到擎住電流之前，觸發信號減弱，造成晶閘管不能正常導通。在關斷時，感性負載也會給晶閘管造成一些問題。

在實際系統中，采用電平觸發，以確保晶閘管可靠導通。

3.7過零開關技術

在調壓過程中，通過過零檢測而產生的信號來控制晶閘管門極觸發信號，保證其過零通斷，從而避免了在調壓過程中，由于晶閘管通斷對電網造成的污染。

由于采用了上述一系列措施，使這種電源在技術上是十分成熟的。

參考文獻

1張乃國.用“無觸點”取代“炭刷”——試論大功率交流穩壓電源的改革.電源技術應用，1999（3）40～42

2嚴振華，周銘等.一種新型電腦控制的電力穩壓電源.電力電子技術，1998（4）

3沈耀忠，任志純.半導體開關元件原理及應用.北京：電子工業出版社，1996

4陳治明主編.電力電子器件基礎.北京：機械工業出版社，1992