光耦隔离晶闸管交流调压电路过触发现象研究

光耦隔离晶闸管交流调压电路过触发现象研究

吕平一 于勇 要林伟 陈亚东 陈思瑶(大连东软信息学院 辽宁大连 116023)

摘 要:该文分析了晶闸管三相交流调压光耦隔离驱动电路中的过触发现象,即以自然换相点为起点,当触发脉冲大于120时,输出电压有效值可能骤然增加的现象。过触发现象可能造成异步电机失控,从而带来破坏性影响。该文通过理论分析、仿真及实验,分析了过触发现象的原因,并给出了避免过触发现象的控制方法。关键词:晶闸管 光耦隔离 过触发中图分类号:G71文献标识码:A文章编号:1672-3791(2014)11(c)-0090-03

Research on Over Trigger for Opto-IsolatedThyristor

AC-Voltage Regulator

Dalian Neusoft University of Information,Dalian 116023,China

Abstract:This paper analyzes over trigger phenomenonfor opto-isolated thyristor AC-voltage regulator,which meansfrom the starting

point(natural phase change point), when trigger pulseis greater than 120?, the output voltage RMS may suddenly increase. Overtrigger may cause out of control on asynchronous motors, leading to devastating effects.By theoretical analysis, simulationandexperiments,this article analyzes the causes of the over trigger phenomenon, and gives control methods to avoid it.Keywords:Thyristor;Opto-Isolated; Over trigger

Foundation Project:Supported byDalian Science and Technology Fund,2013J21DW005

晶闸管三相交流调压电路主要应用于电机软启动、调压节能等领域,其隔离驱动

电路主要分为变压器隔离和光耦隔离两种。与变压器隔离驱动电路相比,光耦隔离

驱动电路具有体积小、成本低、可靠性高等优点,因此应用非常广泛。对晶闸管三相交流调压电路的触发及工作原理,目前已有很多研究及论述,但目前的研究仅限于触发角在限定范围内,电路处于正常工作状态的情况下。如文献1对晶闸管交流调压电路的触发方案进行了详细的研究,但对于触发角大于等于150°(相电压过零点为起点)的情况,认为此时因电流流入相的相电压已高于流出相的相电压,三相绕组不能通电,电机不会运转[1]的结论则不适用于光耦隔离晶闸管三相交流调压电路。此时,光耦隔离驱动电路仍会触发晶闸管导通,并可能引起输出电压有效值的骤然增大,这就是过触发现象。

该文将针对光耦隔离晶闸管三相交流调压电路的过触发现象进行研究,通过理论分析、仿真及实验,分析过触发的原因,

.com.cn. All Rights Reserved.图1 光耦隔离晶闸管三相交流调压电路

Fig. 1 Opto-isolated thyristor AC-voltage regulator

并给出避免过触发现象的控制方法。

1 原理与设计

图1为常用光耦隔离晶闸管三相交流调压电路,其中A、B、C为三相电源,X1～X6为六只晶闸管,P1、P2、P3为3路触发脉冲。电动机采用星形接法,其中0、1、2分别接三相调压后电源,4为中性线。此驱动电路利用3组触发信号就可以达到控制6只晶闸管导通角的作用[2]。1.1过触发现象仿真

该文采用PSPICE对图1中电路进行了仿真,其中异步电动机采用文献3中的异步电机电气模型,其功率因数角为27°,其他参数如图1所示,触发角以自然换相点

图2触发角为60°时波形图

Fig. 2Simulation waveformwhen trigger angle equals 60°

为起点,触发脉冲宽度为30°,采用双脉冲

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动力与电气工程

2014 NO.33SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯1.2过触发原因分析及控制策略

导致过触发的原因与光耦隔离驱动电路的工作原理关系密切。为说明方便,举例如图4所示,P1、P2、P3为三路触发脉冲,触发角为100°,脉宽为30°。A、B、C为三相电源,V为A相调压后输出波形,I为A相电流。

如图4所示,P1、P3同时发出有效触发脉冲时刻,电流正从A相流入电动机,即晶闸管X1导通,X4截止。当电流I到达零点时,X1、X4均处于截止状态。当AC两相的自然换相点到来时,过自然换相点时刻,则C相电压高于A相电压,此时由于P1、P3仍然有效,导致晶闸管X1截止,X4导通,电流此时从电动机流入A相,发生过触发现象。如果P1、P3触发脉冲在AC两相自然换相点之后无效,则X1、X4仍将维持截止状态,A相电流继续保持零,A相不输出功率,也就不会

图3触发角为100°时波形图

Fig. 3Simulation waveformwhen trigger angle equals 100°

发生过触发。

由以上分析可知,发生过触发的条件为有效触发脉冲对结束前必须出现对应的两相自然换相点和相电流零点,二者缺一不可。那么防止过触发最简单的方式,就是有效脉冲对不要超过对应的两相自然换相点位置。设触发角为

(以自然换相点为起

,

当点),触发脉冲宽度为 。足:

时,如要防止过触发,则应满

.com.cn. All Rights Reserved.需要说明的是,过触发时相电流零点位置取与负载有关,因此过触发时输出功率并不一定是最大输出功率。

2 实验

实验采用ABB公司QA100L4B三相异步

图4 过触发仿真波形图

Fig. 4 Simulation waveformfor over trigger

电机(星形接法),模拟游梁式抽油机系统,负载为重100kg铁块,如图5所示。三相电源经图1所示光耦隔离晶闸管三相交流调压电路接入异步电机。

实验系统中触发角以自然换相点为起点,触发脉冲宽度为30°,采用双脉冲触发。图6为模拟的游梁式抽油机上升阶段,实验测得的异步电机A相接入端与中性线电压波形(降压采样值),其中(a)触发角为60°,(b)触发角为100°。从实验测得的波形可以看出,60°时实验波形符合正常触发结果,100°时则发生了过触发现象。

图5实验平台

Fig. 5Experimental platform

3 结论

过触发现象可能造成电机瞬间功率骤增,影响工控系统运行的稳定性,对于节能控制系统则会影响节能效果。该文通过仿真、实验分析了常用光耦隔离晶闸管三相交流调压电路中存在的过触发现象,总结

(下转94页)

触发[4]。

图2和图3中(a)为A相电压波形;(b)为电动机接口0与接口4之间的电压波形,即A相调压后输出波形;(c)为A相调压后输出电流波形;(d)为A相电压与A相电流乘积的平均值,即A相输出功率。

通过上述仿真结果,可以得出A相输出功率与触发角的关系。

当触发角在0°～90°之间变化时,A相输出功率与触发角的关系与理论一致。但当触发角等于100°时,A相输出功率迅速增大到最大值,此种现象即为过触发。

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止ESD从信号端口进入芯片,又要防止ESD从源或地线上窜入设备内部[5]。如图7所示,当ESD发生在地线上时,会使地线电压提高,影响芯片正常工作。在源地之间并联一个TVS和一个电容,既能为源端的ESD提供泄流路径,也能保证源和地的电位差不发生突变。

根据前面的描述,本文给出一种PCB布线中的ESD问题设计和整改方案,通过两个低结电容的二极管将I/O端的ESD引到源或地上,TVS可以为源到地之间提供低阻抗泄放通道,用电容稳定源和地之间电位差,防止ESD通过地弹窜入芯片中。同时应尽量减少分流路径的长度,以减少寄生电感的影响。如图8所示。

为产品设计和整改提供借鉴。

运用矢量网络分析仪测得的1uf电容1GHZ内S21参数(传输系数)如图6(a)所示。(a)中10MHz处是谐振频率造成的转折点。灰色区域是大于10dB的衰减,对应频谱图中的100MHz低频段。3.2基于频域的TVS保护电路

选用的TVS在1GHz内S21参数测量如图6(b)所示。图中100MHz处是谐振频率造成的转折点。灰色区域是大于10dB的衰减。3.3对比分析

100MHz低频段是ESD电流频谱的主要成分。而1uf电容和TVS在100MHz内都有大于10dB的电压衰减。由图7的对比分析,1uf电容和TVS都能对ESD电流的全频段起到滤波作用。TVS的频谱图从16dB处开始衰减,而电容的频谱图从8dB处开始衰减,与1uf电容相比,TVS在前50MHz的滤波特性不如电容,但在50MHz以后衰减的比电容略快。由于TVS在工作状态下呈低阻抗,ESD的直流分量可以通过TVS泄放,而1uf电容的时间常数ζ很大,电容也可以泄放ESD的直流分量。

参考文献

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5 结论

本文通过典型的1uf电容和TVS保护电路的对比,从频域和时域两个方面分析其各自的优劣性,通过仿真及实验可以看出TVS和电容对ESD传导电流都有着明显的抑制能力,但却有不同的抑制效果。两者在频域内对高次谐波的抑制有着微弱的差别,这意味着两者仍然会泄露不同频段的干扰成分进入芯片内部。该文最后提出一种简单的芯片级ESD保护电路,利用TVS泄放大电流的特点和电容稳定电压的作用,

4 TVS与电容在电路中进行ESD保护的方

案

对于某一芯片来说,ESD可能发生在I/O,Vss和Vdd上,在ESD电路设计中,既要防

.com.cn. All Rights Reserved.(上接91页)

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(a) (b)

图6 实验波形

Fig. 6 Experimental waveforms

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表1 触发角与A相输出功率的关系

Table 1 The relationship between trigger angleand output power of A phase

触发角

A相输出功率 0°

6.0 KW 30° 4.6 KW 60° 2.4 KW 90° 1.1 KW 100° 6.0KW

出了过触发的发生条件,并给出了防止过触发的控制策略。

虽然该文仅在光耦隔离晶闸管三相交流调压电路中描述了过触发现象,但对于3脉波的变压器隔离晶闸管三相交流调压电路也存在此种现象。

参考文献

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Research on Trigger Methods for

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