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文檔簡介
1、第19章 電力電子技術,19.1 電力電子器件,20.2 可控整流電路,19.3 逆變電路,19.4 交流調壓電路,19.5 直流斬波電路,本章要求,1.了解晶閘管的基本結構、工作原理、特 性和主要參數(shù)。 2. 理解可控整流電路的工作原理、掌握電 壓平均值與控制角的關系。 3. 了解單結晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。,第19章 電力電子技術,19.1.1 電力電子器件的分類,19.1 電力電子器件,根據(jù)不同的開關特性,電力電子器件可分為如下三類:,(1)不控器件:這種器件的導通和關斷無可控的功能,如整流二極管等。,(2)半控器件:這種器件通過控制信號只能控制其導通,而不能控制其關斷,如普通晶
2、閘管等。,(3)全控器件:這種器件通過控制信號既能控制其導通,又能控制其關斷,如可關斷晶閘管,功率晶體管、功率場效晶體管等。,(Silicon Controlled Rectifier) 晶閘管是在晶體管基礎上發(fā)展起來的一種大功 率半導體器件。它的出現(xiàn)使半導體器件由弱電領域 擴展到強電領域。 晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向導電性,但它的導通時間是可控的,主要用于整流、逆變、 調壓及開關等方面。,體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、 容量大(正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏)。,19.1.2 晶閘管,1. 基本結構,G,晶閘管是具有三個PN結的四層結構, 其外形
3、、結構及符號如圖。,(c) 結構,(a) 外形,晶閘管的外形、結構及符號,晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合,2 工作原理,A,在極短時間內使兩個三極管均飽和導通,此過程稱觸發(fā)導通。,形成正反饋過程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶閘管導通后,去掉EG , 依靠正反饋,仍可維持導通狀態(tài)。,2. 工作原理,G,EA 0、EG 0,K,晶閘管導通的條件:,1. 晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。 2. 晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。,晶閘管導通后,控制極便失去作用。 依靠正反饋,晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。,晶閘管關斷的條件:,1.
4、必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應不能維持。 2. 將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向轉折電壓,反向轉折電壓,正向平均電流,維持電流,3 . 伏安特性,4. 主要參數(shù),UFRM:,正向重復峰值電壓(晶閘管耐壓值) 晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。 一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶閘管 UFRM 為100V 3000V,如果正弦半波電流的最大值為Im, 則,普通晶閘管IF為1A 1000A。,UF: 通態(tài)平均電壓(管壓降) 在規(guī)定的條件下,通過正弦半波平均電流時, 晶閘
5、管陽、陰極間的電壓平均值。 一般為1V左右。,IH: 維持電流 在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時,晶閘管維持導 通狀態(tài)所必須的最小電流。 一般IH為幾十 一百多毫安。,UG、IG:控制極觸發(fā)電壓和電流 室溫下,陽極電壓為直流6V時,使晶閘管完 全導通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。 一般UG為1到5V,IG為幾十到幾百毫安。,晶閘管型號及其含義,導通時平均電壓組別 共九級, 用字母AI表示0.41.2V,額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者,額定正向平均電流(IF),如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。,2. 雙向晶閘管,特點:,相當于兩個晶閘管反向并聯(lián)
6、,兩者共用一個控制極。,符號:,通過控制電壓的控制可實現(xiàn)雙向導通。,UA1UA2時,控制極相對于A2加正脈沖, 晶閘管正向導通,電流從A1流向A2。,UA2UA1時,控制極相對于A2加負脈沖, 晶閘管反向導通,電流從A2流向A1。,交流調壓電路,雙向二極管: 只要在其兩端加上一定數(shù)值的正或負電壓即可使其導通。,雙向二極管,19.2.1 可控整流電路,1. 單相半波可控整流 電阻性負載,(1) 電路,u 0 時: 若ug = 0,晶閘管不導通,,u 0 時: 晶閘管承受反向電壓不導通, uo = 0, uT = u ,故稱可控整流。,控制極加觸發(fā)信號,晶閘管承受正向電壓導 通,,(2) 工作原理
7、,t1,u 0 時: 可控硅承受反向電壓不導通,即:晶閘管反向阻斷,加觸發(fā)信號,晶閘管承受正向電壓導通,u 0時:,O,接電阻負載時 單相半波可控整流電路電壓、電流波形,動畫,控制角,t1,O,t2,2,導通角,(3)工作波形,(4)整流輸出電壓及電流的平均值,由公式可知:,改變控制角,可改變輸出電壓Uo。,2. 電感性負載與續(xù)流二極管,(1)電路,當電壓u過零后,由于電感反電動勢的存在,晶閘管在一段時間內仍 維持導通,失去單向導電作用。,在電感性負載中 ,當晶閘管剛觸發(fā)導通時,電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應電勢(極性如圖),電流不能躍變,將由零逐漸上升(見波形)。,O,t1,t2,2,2)
8、 工作波形(未加續(xù)流二極管),u 0時: D反向截止,不影響整流電路工作。,3.電感性負載(加續(xù)流二極管),+,(1) 電路,(3)工作波形(加續(xù)流二極管),iL,2,2. 單相半控橋式整流電路,電路,(1). 工作原理,T1和D2承受正向 電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1和D2導 通,電流的通路為,a,(a)電壓u 為正半周時,此時,T2和D1均承受反向電壓而截止。,T2和D1承受正向 電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導 通,電流的通路為,(b)電壓u 為負半周時,b,此時,T1和D2均承受反向電壓而截止。,3. 工作波形,2,動畫,4. 輸出電壓及電流的平均值,兩種常用可
9、控整流電路,電路 特點,該電路只用一只晶閘管,且其上 無反向電壓。,2. 晶閘管和負載上的電流相同。,(1),電路 特點,1. 該電路接入電感性負載時,D1、D2 便起 續(xù)流二極管作用。,(2),20.2.3 三相半波可控整流電路,動畫,2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連,兩管控 制極必須加獨立的觸發(fā)信號。,三相橋式半控整流電路,2.工作原理,1. 電路,動畫,19.2.2 晶閘管的保護,晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差,這是它的主要缺點。 晶閘管的熱容量很小,一旦發(fā)生過電流時,溫度急劇上升,可能將PN結燒壞,造成元件內部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時,僅允許持續(xù)0
10、.02秒,否則將因過熱而損壞; 晶閘管耐受過電壓的能力極差,電壓超過其反向擊穿電壓時,即使時間極短,也容易損壞。若正向電壓超過轉折電壓時,則晶閘管誤導通,導通后的電流較大,使器件受損。,1. 晶閘管的過流保護,(1) 快速熔斷器保護,電路中加快速熔斷器。當電路發(fā)生過流故障時,它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷,切斷電流通路,以保證晶閘管的安全。,與晶閘 管串聯(lián),接在輸入端,接在輸出端,快速熔斷器接入方式有三種,如下圖所示。,(2) 過流繼電器保護,(3) 過流截止保護,在輸出端(直流側)或輸入端(交流側)接入過電流繼電器,當電路發(fā)生過流故障時,繼電器動作,使電路自動切斷。,在交流側設置電流檢測電路,
11、利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當電路發(fā)生過流故障時,檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,從而使晶閘管導通角減小或立即關斷。,2. 硒堆保護,2. 晶閘管的過壓保護,(1) 阻容保護,利用電容吸收過壓。其實質就是將造成過電壓 的能量變成電場能量儲存到電容中,然后釋放到電 阻中消耗掉。,硒堆保護 (硒整流片),晶閘管元件 的阻容保護,19.2.3 單結晶體管觸發(fā)電路,1. 單結晶體管結構及工作原理 (1)結構,PN結,N型硅片,(a) 示意圖,單結晶體管結構示意圖及其表示符號,(2) 工作原理, UE UBB+UD = UP 時,PN結反偏,IE很?。?PN結正向導通, IE迅速增加。,
12、 分壓比(0.5 0.9),測量單結晶體管的實驗電路,由圖可求得,(3)單結晶體管的伏安特性,Ip,IV,負阻區(qū):UEUP后, 大量空穴注入基區(qū), 致使IE增加、UE反 而下降,出現(xiàn)負阻。,1. UE UP時單結管截止;,UE UP時單結管導通, UE UV時恢復截止。,單結晶體管的特點,2.單結晶體管的峰點電壓UP與 外加固定電壓UBB及分壓比 有關,外加電壓UBB或分壓比不同,則峰點電 壓UP不同。,3. 不同單結晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都 不一樣。谷點電壓大約在2 5V之間。常選用 稍大一些, UV稍小的單結晶體管,以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。,2. 單結晶體管觸發(fā)電路,(
13、1). 振蕩電路,單結晶體管弛張振蕩電路,單結晶體管弛張 振蕩電路利用單結管 的負阻特性及RC電路 的充放電特性組成頻 率可調的振蕩電路。,(2) 振蕩過程分析,設通電前uC=0。,接通電源U, 電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。,當uC UP時,單結管導通,電 容C放電,R1上得到一脈沖電壓。,電容放電至 uC Uv時,單結管重新關斷,使ug0。,(a),(b),注意:R值不能選的太小,否則單結管不能關斷,電路亦不能振蕩。,(c) 電壓波形,3. 單結管觸發(fā)的半控橋式整流電路,(1) 電路,2. 工作原理,(1)整流削波,削 波,整流,(2) 觸發(fā)電路,t,(3) 輸出電壓uL,O,
14、O,問 題 討 論,1. 單結管觸發(fā)的可控整流電路中,主電路和觸發(fā) 電路為什么接在同一個變壓器上?,目的:保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時過零(即兩者同步),使電容在每半個周期均從零開始充電,從而保證每半個周期的第一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。,2. 觸發(fā)電路中,整流后為什么加穩(wěn)壓管?,穩(wěn)壓管的作用:是將整流后的電壓變成梯形(即削波),使單結管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上,從而保證單結管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生 第一脈沖的時間,不受交流電源電壓變化的影響。,3. 一系列觸發(fā)脈沖中,為什么只有第一個起作用? 如何改變控制角?,根據(jù)晶閘管的特性,它一旦觸發(fā)導
15、通,在陽極電壓足夠大的條件下,即使去掉觸發(fā)信號,仍能維持導通狀態(tài)。因此,每半個周期中只有第一個觸發(fā)脈沖起作用。,改變充電時間常數(shù)即可改變控制角。 控制角變化的范圍稱為移相范圍。,4. 電壓的調節(jié),單結晶體管觸發(fā)電路,輸出脈沖可以直接從電阻R1引出(如前圖),也可 通過脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間 允許的反向電壓很小,為了防止反向擊穿,在脈沖 變壓器副邊串聯(lián)二極管D1, 可將反向電壓隔開,而 并聯(lián)D2,可將反向電壓短路。,使用脈沖變壓器的觸發(fā)電器,20.5 應用舉例,1. 電瓶充電機電路,該電瓶充電機電路使用元件較少,線路簡單, 具有過充電保護、短路保護和電瓶短接保護。,工作原理,R2 、RP、 C 、T1 、 R3 、 R4 構成了單結晶體管觸發(fā)電路。,當待充電電瓶接入電路后
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