機電傳動控制21電力電子技術(shù).ppt

1、第十章 電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路,學(xué)習(xí)要求: 掌握晶閘管的基本工作原理、特性和主要參數(shù)的含義； 掌握幾種單相和三相基本可控整流電路的工作原理及特點； 熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制； 了解晶閘管工作時對觸發(fā)電路的要求和觸發(fā)電路的基本工作原理。,前 言,電力電子學(xué)的任務(wù)：,利用電力半導(dǎo)體器件和線路來實現(xiàn)電功率的變換和控制。,電力半導(dǎo)體器件,弱電,強電,晶閘管（Silicon Controlled Rectifier 簡稱SCR）是在60年代發(fā)展起來的一種新型電力半導(dǎo)體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強電輸出之間的橋梁作用。,優(yōu)點 ：,(1) 用很小的功率(電流約幾十毫安一百多毫安，電

2、壓約24V)可以控制較大的功率(電流自幾十安幾千安，電壓自幾百伏幾千伏)，功率放大倍數(shù)可以達到幾十萬倍；,(2) 控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時間都在微秒級；,(3) 損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達97.5%，而一般機組效率僅為85%左右；,(4) 體積小、重量輕。,缺點：,(1) 過載能力弱，在過電流、過電壓情況下很容易損杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護措施，在選用時，其電壓、電流應(yīng)適當留有余量；,(2) 抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當外界干擾較強時，容易產(chǎn)生誤動作；,(3) 導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備

3、；,(4) 控制電路比較復(fù)雜，對維修人員的技術(shù)水平要求高。,在實踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。,10.1 晶閘管,晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一 種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。,一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號,晶閘管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示 ：,其中：A陽極，K陰極，G控制極。,結(jié)構(gòu)示意圖,表示符號,4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個PN結(jié),二、晶閘管的工作原理,實驗電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓u2，控制極電路接入Eg，

4、在t1 瞬間合上開關(guān)S，在t4 瞬間拉開開關(guān)S，則u2、ug和電阻上RL的電壓ud的波形關(guān)系如圖（b）所示。,（1）在0t1之間: 開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；,（2）在t1t2之間: uAK0 ，由于開關(guān)S合上，使ug0，而 ， 即晶閘管導(dǎo)通；,（3）在 t2t3 之間， uAK0，但 ud=0，即晶閘管關(guān)斷；,（4）在 t3t4 之間， uAK0，這時ug0 ,而 ，所以，晶閘管又導(dǎo)通；,（5）當 t=t4 時， ug=0 ，但uAK0 ， ，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；,（6）當 t=t5 時， uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘

5、管處于阻斷狀態(tài)。,綜上所述可得出以下結(jié)論：,（1）起始時若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力；,（2）晶閘管的陽極和控制極同時正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件；,（3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。,晶閘管的PN結(jié)可通過幾十安幾千安的電流，因此，它是一種大功率的半導(dǎo)體器件，由于晶閘管導(dǎo)通時，相當于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽極與陰極間的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負載電阻上。,三、晶閘管的伏安特性,晶閘

6、管陽極對陰極的電壓和流過晶閘管的電流之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。,正向( uAK 0 ),正向阻斷狀態(tài): 當ug=0， uAK UDSM ，元件中有很小的電流（正向漏電流）流過，處于截止狀態(tài)（稱為正向阻斷狀態(tài)），簡稱斷態(tài)。,正向擊穿：當ug=0， uAK =UDSM ，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀 態(tài)。 UDSM稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，或用UBO表示稱正向轉(zhuǎn)折電壓。,正向?qū)顟B(tài)： ug0， uAK 0，晶閘管導(dǎo)通，其電流的大小由負載決定，陽極和陰極間的管壓降很小。,反向( uAK 0 ),反向截止狀態(tài): 當 uAK URSM ，元件中有很小的反向電流（反向漏電流）流過，處于截止狀態(tài)。

7、,反向擊穿：當 uAK =URSM ，晶閘管突然由反向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀 態(tài)。 URSM稱為反向不重復(fù)峰值電壓，或用UBR表示稱反向擊穿電壓。,四、晶閘管的主要參數(shù),為了正確選用晶閘管元件，必須要了解它的主要參數(shù)，一般在產(chǎn)品目錄上給出了參數(shù)的平均值或極限值，產(chǎn)品合格證上標有元件的實測數(shù)據(jù)。,1. 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM,晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極兩端的正向峰值電壓 。,UDRM=UDSM -100,在選擇晶閘管時還要考慮留有足夠的余量，一般： 晶閘管的UDRM 應(yīng)等于所承受的正向電壓的（23）倍。,2. 反向重復(fù)峰值電壓URRM,晶閘管反向截止狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶

8、閘管陽極和陰極兩端的反向峰值電壓 。,URRM=URSM -100,3. 額定通態(tài)平均電流（額定電流）IT,在環(huán)境溫度不大于40度的標準散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內(nèi)）平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，簡稱為額定電流。,4. 維持電流 IH,在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA一百多mA,10.2 單相可控整流電路,整流將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；,整流電路將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐罚?整流,單相,三相,10.2.1 單相半波可控整流電路,u2輸入電壓 ；,ud輸出電壓 ；,控制角 ；晶閘管元件承受正向電壓起始

9、點到觸發(fā)脈沖的作用點之間的電角度。,導(dǎo)通角 ；是晶閘管在一周期時間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。,對單相半波可控整流電路：,一、帶電阻性負載的可控整流電路,輸入電壓：,負載電壓：,負載電流：,晶閘管承受的最大正反向電壓：,二、帶電感性負載的可控整流電路,單相半波可控整流電路用于大電感性負載時，如果不采取措施，負載上就得不到所需要的電壓和電流。,三、續(xù)流二極管的作用 T8-9.SWF,為了提高大電感負載時的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負載兩端并聯(lián)一只二極管措施，如圖所示。,10.2.2 單相半控橋式整流電路,晶閘管組成的半控橋式整流電路，如圖所示。,(a) 單相橋式整流電路,(b)電阻性負載時

10、的電壓電流波形,1. 電阻性負載,負載電壓：,負載電流：,晶閘管承受的最大正反向電壓：,晶閘管電流平均值：,續(xù)流二極管的電流平均值：,2. 電感性負載,如圖所示半控橋式整流電路在電感性負載時采用加接續(xù)流二極管的措施。T8-11.SWF,有了續(xù)流二極管，當電源電壓降到零時，負載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。,如圖所示半控橋式整流電路在電感性負載時，可以不加續(xù)流二極管。T8-12.SWF,這是因為在電源電壓過零時，電感中的電流通過V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。,流過每只晶閘管平均電流：,流過續(xù)流二極管的平均電流：,流過每只

11、晶閘管平均電流：,流過續(xù)流二極管的平均電流 ：,為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用如圖所示的接線，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動的直流電，然后用一只晶閘管進行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。,3.反電勢負載,當整流電路輸出接有電勢負載時,只有當電源電源的瞬時值大于反電勢，同時又有觸發(fā)脈沖時，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時間內(nèi)，負載上保留原有的反電勢。,a. 負載兩端的電壓平均值比電阻性負載時高,b. 負載電流平均值比電阻性負載時低,因為導(dǎo)通角小，導(dǎo)電時間短，回路電阻小，所以，電流的幅值與平均值之比值相當大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須

12、降低電流定額使用。另外，對于直流電動機來說整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對于大容量電動機或蓄電池負載，常常串聯(lián)電抗器，用以平滑電流的脈動，如圖所示。,10.2.3 單相全控橋式整流電路,單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。,例10.1 欲裝一臺白熾燈泡調(diào)光電路，需要可調(diào)的直流電源，調(diào)節(jié)范圍：電壓U0=0V180V,電流I0=010A?，F(xiàn)采用單相半控橋式整流電路，試求最大輸入交流電壓和電流有效值，并選擇整流元件。,解: 設(shè)在晶閘管導(dǎo)通角為(控制角為0 )時輸出電壓值為最大（180V）， 則對應(yīng)的輸入交流

13、電壓有效值為最大。,實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了1800 ，交流電壓要比上述計算而得到的值適當加大10%左右，即大約為220V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。,交流電流有效值 ：,晶閘管所承受的最大正向電壓、最大反向電壓和二極管所承受的最大反向電壓相等，即：,流過晶閘管和二極管的平均電流 ：,10.3 三相可控整流電路,10.3.1 三相半波可控整流電路,三相半波可控整流電路圖如圖所示。,自然換相點：,觸發(fā)相序：,A,B,C,觸發(fā)脈沖的相位：,1200,設(shè)輸入電壓為：,可能承受的最大反向電壓為：,當晶閘管沒有觸發(fā)信號時，晶閘管承受的最

14、大正向電壓為:,10.4 逆變器,利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對應(yīng)于整流的逆向過程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。,變流器交流側(cè)接到負載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載，則稱為。,有源逆變,逆變,無源逆變,變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)?同頻率的交流電反饋到電網(wǎng)去,一、無源逆變電路的工作原理,無源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開關(guān)電路來說明。,1. 無源逆變器的簡單工作原理,2.單相晶閘管橋式逆變器,二、單相無源逆變器的電壓控制,1. 控制逆變器的輸入直流電壓,2. 在逆變器內(nèi)部的電壓控制,（1）脈寬控制,不改變逆變器輸入直流電

15、壓的大小，而是通過改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時間以控制輸出脈沖的寬度來改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。,若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。,（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）,如果使VS1與VS4，VS2與VS3通過高頻調(diào)制控制，能在半個周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時N=5）。,逆變器輸出電壓的幅值是通過改變脈沖總的導(dǎo)通時間與總的關(guān)斷時間的比率來控制的，這有兩種基本的方法：,第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；,第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。,

16、三、無源逆變器的換相（換流）,兩組晶閘管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，就是電流轉(zhuǎn)換的過程，簡稱換流。,但由于電流是直流電，沒有像交流電那樣電壓有過零變負的時候，所以，如不采取措施，則晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后就關(guān)斷不了。,負載是由電感L和補償電容C組成的并聯(lián)諧振回路，Ld為限流電抗器。,換流過程如下：T8-30.SWF,10.5 晶閘管的觸發(fā)電路,向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。,（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,（2）小容量晶閘管觸發(fā)電路,（3）晶體管觸發(fā)電路,10.5.1 晶閘管對觸發(fā)電路的要求,實質(zhì)：晶閘管的可靠觸發(fā),（1）觸發(fā)電路應(yīng)能供給足夠大的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，一般要求觸發(fā)電壓應(yīng)該在4V以上，10V以下，如圖所示；,（2）觸發(fā)脈沖的寬度必須在10微秒以上，如果負載是大電感，電流 上升比較慢，那么，觸發(fā)脈沖的寬度還應(yīng)該增大。,（3）不觸發(fā)時，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)該小于0.15V0.20V，為了提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時可在控制極上加上一個1V2V的負偏壓；,（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，保證晶閘管的觸發(fā)時間前后一致。,（5）在晶閘管整流等移相控制的觸發(fā)電路中，觸發(fā)脈沖應(yīng)該和主電路同步，脈沖發(fā)出的時間應(yīng)該能夠平穩(wěn)地前后移動（移相），移