機電傳動控制

1、第十章第十章 電力電子學電力電子學學習要求學習要求: 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、用途和控制熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制前前 言言 電力（強）電子學電力（強）電子學電力半導體器件電力半導體器件微（弱）電子學微（弱）電子學集成電路集成電路半導體器件半導體器件電力電子學的任務：利用電力半導體器件和線路來實現(xiàn)電功率的變換和控制。 電力半導體器件電力半導體器件弱電弱電強電強電大功率二極管絕緣柵雙極晶體管

2、門極可關(guān)斷晶閘管功率場效應管功率晶體管晶閘管電力半導體器件 晶閘管（晶閘管（Silicon Controlled Rectifier 簡稱簡稱SCR）是在）是在60年代發(fā)展起來的一種新型電力半導體器件，晶閘管的出年代發(fā)展起來的一種新型電力半導體器件，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?，F(xiàn)起到了弱電控制與強電輸出之間的橋梁作用。晶閘管的晶閘管的優(yōu)點優(yōu)點 ： (1) 用很小的功率用很小的功率(電流約幾十毫安一百多毫安，電電流約幾十毫安一百多毫安，電壓約壓約24V)可以控制較大的功率可以控制較大的功率(電流自幾十安幾千安，電流自幾十安幾千安，電壓自幾百伏幾千伏電壓自幾百伏幾千伏)，功

3、率放大倍數(shù)可以達到，功率放大倍數(shù)可以達到幾十萬幾十萬倍倍； (2) 控制靈敏、反應快，晶閘管的導通和截止時間都控制靈敏、反應快，晶閘管的導通和截止時間都在在微秒級微秒級； (3) 損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅僅1V左左右右)，總效率可達，總效率可達97.5%，而一般機組效率僅為，而一般機組效率僅為85%左右；左右； (4) 體積小、重量輕。體積小、重量輕。晶閘管晶閘管缺點：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、

4、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、電流應適當留有余量；電流應適當留有余量； (2) 抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當外界干擾較強時，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；容易產(chǎn)生誤動作； (3) 導致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的導致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設備；電氣設備； (4) 控制電路比較復雜，對維修人員的技術(shù)水平要求高?？刂齐娐繁容^復雜，對維修人員的技術(shù)水平要求高。 在實踐中，應該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時采取必要措在實踐中，應該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時采取必要措施消除其不利

5、的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的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用。晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來越廣泛的應用。10.1 晶閘管晶閘管 晶閘管是在半導體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種晶閘管是在半導體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導體器件，它是一種可控制的硅整流元新型的大功率半導體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。件，亦稱可控硅。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號 晶閘管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示晶閘管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示 ：其中：其中：A陽極，陽極，K陰極，陰極，G控制極?？刂茦O。結(jié)構(gòu)示意

6、圖結(jié)構(gòu)示意圖表示符號表示符號4層半導體層半導體(P1、N1、P2、N2)，3個個PN結(jié)結(jié)二、晶閘管的工作原理二、晶閘管的工作原理 實驗電路如圖（實驗電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓）所示，主電路加上交流電壓u2，控制極電路接入，控制極電路接入Eg，在，在t1 瞬間合瞬間合上開關(guān)上開關(guān)S，在，在t4 瞬間拉開開關(guān)瞬間拉開開關(guān)S，則，則u2、ug和電阻上和電阻上RL的電壓的電壓ud的波形關(guān)系如圖（的波形關(guān)系如圖（b）所示。）所示。 （1）在）在0t1之間之間: 開開關(guān)關(guān)S未合上，未合上，ug=0，盡管，盡管uAK0，但，但ud=0，即晶閘，即晶閘管未導通；管未導通； （2）在）在t1t2之間

7、之間 : uAK0 ，由于開關(guān)，由于開關(guān)S合上，合上，使使ug0，而，而 ， 即即晶閘管導通；晶閘管導通； （3）在）在 t2t3 之間，之間， uAK0，但，但 ud=0，即晶閘管關(guān)斷；，即晶閘管關(guān)斷； （4）在）在 t3t4 之間，之間， uAK0，這時，這時ug0 ,而而 ，所以，晶閘管又導通；，所以，晶閘管又導通；2uud （5）當）當 t=t4 時，時， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶閘管仍處于導通狀態(tài)；，即晶閘管仍處于導通狀態(tài)；2uud2uud （6）當）當 t=t5 時，時， uAK=0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。，即晶閘管關(guān)斷，晶

8、閘管處于阻斷狀態(tài)。 綜上所述可得出以下結(jié)論：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）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，晶閘管均不導通，這說明晶閘管具有電壓還是反向電壓，晶閘管均不導通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力；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）晶閘管的陽極和控制極同時正向電壓時晶閘管才能導通，這是晶閘管導通必須同時具備的兩個條件；才能導通，這是晶閘管導通必須同時具備的兩個條件； （3）在晶閘管導通之后，其控制極就失去控制作用，）在晶閘管導通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復阻斷狀態(tài)，必

9、須把陽極正向電壓降低到一欲使晶閘管恢復阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。定值（或斷開，或反向）。 晶閘管的晶閘管的PN結(jié)可通過幾十安結(jié)可通過幾十安幾千安的電流，因此，幾千安的電流，因此，它是一種大功率的半導體器件，由于晶閘管導通時，相當它是一種大功率的半導體器件，由于晶閘管導通時，相當于兩只三極管飽和導通，因此，陽極與陰極間的管壓降為于兩只三極管飽和導通，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。左右，而電源電壓幾乎全部分配在負載電阻上。三、晶閘管的伏安特性三、晶閘管的伏安特性 晶閘管陽極對陰極的電壓和流過晶閘管的電流之間的晶閘管陽極對

10、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。關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。 正向正向( uAK 0 ) 正向阻斷狀態(tài)正向阻斷狀態(tài): 當當ug=0， uAK 0， uAK 0，晶閘管導通，其電流的大小由負載，晶閘管導通，其電流的大小由負載決定，陽極和陰極間的管壓降很小。決定，陽極和陰極間的管壓降很小。反向反向( uAK 0 ) 反向截止狀態(tài)反向截止狀態(tài): 當當 uAK URSM ，元件中有很小的反向電流（反向，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)。漏電流）流過，處于截止狀態(tài)。 反向擊穿反向擊穿：當：當 uAK =URSM ，晶閘管突然由反向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導通，晶閘管

11、突然由反向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導通狀狀 態(tài)。態(tài)。 URSM稱為稱為反向不重復峰值電壓反向不重復峰值電壓，或用，或用UBR表示稱表示稱反向擊穿電壓反向擊穿電壓。四、晶閘管的主要參數(shù)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)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)。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)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復加在晶閘管陽極和陰極兩端的正向峰值電壓晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復加在晶閘管

12、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：在選擇晶閘管時還要考慮留有足夠的余量，一般： 晶閘管的晶閘管的UDRM 應等于所承受的正應等于所承受的正向電壓的（向電壓的（23）倍。）倍。 2. 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 晶閘管反向截止狀態(tài)下，可以重復加在晶閘管陽極和陰極兩端的反向峰值電壓晶閘管反向截止狀態(tài)下，可以重復加在晶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）額定通態(tài)平均電流（額定電流）IT 在環(huán)境溫度不大于在環(huán)境溫度不大于40度的標準散熱及全導通的條件下，

13、晶閘管元件可以連續(xù)通過的工度的標準散熱及全導通的條件下，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。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)導通的最小電流稱維持電流。一在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導通的最小電流稱維持電流。一般為幾般為幾mA一百多一百多mA 10.2 單相可控整流電路單相可控整流電路 整流將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；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?；整流電路將交流電?/p>

14、為直流電的電路；整流整流單相單相 三三相相 不可控不可控可控可控 不可控不可控可控可控10.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 u2輸入電壓輸入電壓 ；ud輸出電壓輸出電壓 ； 控制角控制角 ；晶閘管元件承晶閘管元件承受正向電壓起始點到觸發(fā)受正向電壓起始點到觸發(fā)脈沖的作用點之間的電角脈沖的作用點之間的電角度。度。 導通角導通角 ；是晶閘管在一是晶閘管在一周期時間內(nèi)導通的電角度。周期時間內(nèi)導通的電角度。 對單相半波可控整流電路：對單相半波可控整流電路： 的的范范圍圍 00 一、帶電阻性負載的可控整流電路一、帶電阻性負載的可控整流電路 214502 cosRU.RUIdd 21450

15、22122cosU.)t(tdsinUUdtsinUu 222 輸入電壓輸入電壓：負載電壓負載電壓：負載電流負載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓晶閘管承受的最大正反向電壓：22U二、帶電感性負載的可控整流電路二、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。得不到所需要的電壓和電流。三、續(xù)流二極管的作用三、續(xù)流二極管的作用 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

16、端并聯(lián)一只二極管措施。負載兩端并聯(lián)一只二極管措施。10.2.2 單相半控橋式整流電路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。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)電阻性負載時的電壓電流波形1. 電阻性負載電阻性負載 21902122 cosU.)t(tdsinUUd21902 cosRU.RUIdd負載電壓負載電壓：負載電流負載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓晶閘管承受的最大正反向電壓：22UddVSII 2ddvII 22 晶閘管電流平均值：晶閘管電流平均值： 續(xù)流二極管的電流平均續(xù)流二極管的電流平均值：值： 2. 電感性負載電感性負

17、載 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。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。 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。因電流為零而關(guān)斷，不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 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。 這是因為在電源電壓過零時，電感中的電流通過這是因為在電源電壓過零時，電感中的電流通過V1和和V2形成續(xù)流，確保形成續(xù)流，確保VS1或或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)

18、象?？煽筷P(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：流過每只晶閘管平均電流：dI 2 流過續(xù)流二極管的平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流： dI 流過每只晶閘管平均電流：流過每只晶閘管平均電流：dI 2 流過續(xù)流二極管的平均電流流過續(xù)流二極管的平均電流 ：ddvII 22 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。變

19、晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。 3.反電勢負載反電勢負載 當整流電路輸出接有電勢負載時當整流電路輸出接有電勢負載時,只有當只有當電源電壓的瞬時值大于反電勢電源電壓的瞬時值大于反電勢，同，同時又有觸發(fā)脈沖時，晶閘管才能導通，整流電路才有電流輸出，在時又有觸發(fā)脈沖時，晶閘管才能導通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的晶閘管關(guān)斷的時間內(nèi)，負載上保留原有的反電勢。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負載電流平均值比電阻性負載時低 REUIdd 因為導通角小，導電時間短，回路電阻小，

20、所以，電流的幅值與平均值之比因為導通角小，導電時間短，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，晶閘管必須降低電流定額使用。另外，對于值相當大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須降低電流定額使用。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，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，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以平滑電流的脈動，如圖所示。，如圖所示。 10.2.3 單相全控橋式整

21、流電路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。替即構(gòu)成全控橋。 例例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?，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。電壓和電流有效值，并選擇整流元件。 解解: 設在晶閘管導通角設在晶閘管導通角為為(控制角為控制角為0 )

22、時輸出電壓值為最大（時輸出電壓值為最大（180V），）， 則對則對應的應的輸入交流電壓有效值輸入交流電壓有效值為最大。為最大。V.UU20090180900 實際上還要考慮實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動電網(wǎng)電壓波動、管壓降管壓降以及以及導通角導通角常常到不了常常到不了1800 ，交流電壓，交流電壓要比上述計算而得到的值適當加大要比上述計算而得到的值適當加大10%左右，即大約為左右，即大約為220V。因此，在本例中。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。的交流電源上。 交流電流有效值交流電流有效值 ：A.AVVRUIL21210180220 晶閘

23、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：相等，即：VV.UUURMFM3102204112流過晶閘管和二極管的平均電流流過晶閘管和二極管的平均電流 ：AAIIIVVS521021010.3 三相可控整流電路三相可控整流電路 10.3.1 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 三相半波可控整流電路圖如圖所示。三相半波可控整流電路圖如圖所示。 自然換相點：自然換相點：0 時時：當當01 .觸發(fā)相序：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：觸發(fā)脈沖的相位：1200PPdU.)t(tdsinUU26562

24、1712321 設輸入電壓為：設輸入電壓為：tsinUuPA 22 cosU.)t(tdsinUUP)()(Pd265621712321時時：當當602 .時時當當6563 .330117123210262 cosU.)t(tdsinUUP)(Pd 可能承受的最大反向電壓為可能承受的最大反向電壓為：PU22PPUU22632 當晶閘管沒有觸發(fā)信號時，晶閘管承受的最大正向電壓為當晶閘管沒有觸發(fā)信號時，晶閘管承受的最大正向電壓為:10.4 逆變器逆變器 利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對應于整流的利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對應于整流的逆向過程逆向過程，稱之，稱之為逆變，把直流電變

25、成交流電的裝置，叫做為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器逆變器。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。率或可變頻率的交流電供給負載。 逆變逆變無源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)樽兞髌鞯慕涣鱾?cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去。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。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無源逆變器的簡單工作原理 2.單相晶閘管橋式逆變器單相晶閘管橋式逆變器 二、單相無源逆變器的電壓控制二、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)部的電壓控制在逆變器內(nèi)部的電壓控制 （1）脈寬控制）脈寬控制 不改變