《電力電子技術》 電子教案

1、電力電子技術 電子教案課題一單相可控整流與調光燈【學習目標】： 完成本課題的學習后，能夠用萬用表測試晶閘管和單結晶體管的好壞。 掌握晶閘管工作原理。 分析單相半波整流電路的工作原理。 分析單結晶體管觸發(fā)電路的工作原理。 掌握觸發(fā)電路與主電路電壓同步的基本概念。 課題一單相可控整流與調光燈【課題描述】：調光燈在日常生活中的應用非常廣泛，其種類也很多。下圖為常見的調光臺燈 課題一單相可控整流與調光燈 調光臺燈電路原理圖 【相關知識點】一、晶閘管的工作原理1晶閘管的結構晶閘管引出三個極，陽極A、陰極K、門極（控制極）G小電流塑封式小電流塑封式小電流螺旋式陰極（K）陰極（K）陽極（A）陽極（A）門極（

2、G）門極（G） 1晶閘管的結構晶閘管的符號 1晶閘管的結構 晶閘管的內部結構 晶閘管等效電路 2工作原理 實驗電路 2工作原理 實驗步驟: 第一步：按圖（a）接線，陽極和陰極之間加反向電壓，門極和陰極之間不加電壓，指示燈不亮，晶閘管不導通。 第二步：按圖（b）接線，陽極和陰極之間加反向電壓，門極和陰極之間加反向電壓，指示燈不亮，晶閘管不導通。 第三步：按圖（c）接線，陽極和陰極之間加反向電壓，門極和陰極之間加正向電壓，指示燈不亮，晶閘管不導通。 第四步：按圖（d）接線，陽極和陰極之間加正向電壓，門極和陰極之間不加電壓，指示燈不亮，晶閘管不導通。 2工作原理 第五步：按圖（e）接線，陽極和陰極之

3、間加正向電壓，門極和陰極之間加反向電壓，指示燈不亮，晶閘管不導通。 第六步：按圖（f）接線，陽極和陰極之間加正向電壓，門極和陰極之間也加正向電壓，指示燈亮，晶閘管導通。 第七步：按圖（g）接線，去掉觸發(fā)電壓，指示燈亮，晶閘管仍導通。 第八步：按圖（h）接線，門極和陰極之間加反向電壓，指示燈亮，晶閘管仍導通。 第九步：按圖（i）接線，去掉觸發(fā)電壓，將電位器阻值加大，晶閘管陽極電流減小，當電流減小到一定值時，指示燈熄滅，晶閘管關斷。 2工作原理實驗現象與結論實驗順序實驗前燈的情況實驗時晶閘管條件實驗后燈的情況結論陽極電壓Ua門極電壓Ug導通實驗1暗反向反向暗晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何

4、電壓，它都處于關斷狀態(tài)2暗反向零暗3暗反向正向暗1暗正向反向暗晶閘管同時在正向陽極電壓與正向門極電壓作用下，才能導通2暗正向零暗3暗正向正向亮關斷實驗1亮正向正向亮已導通的晶閘管在正向陽極作用下，門極失去控制作用2亮正向零亮3亮正向反向亮4亮正向（逐漸減小到接近于零）任意暗晶閘管在導通狀態(tài)時，當陽極電壓減小到接近于零時，晶閘管關斷 2工作原理 晶閘管關斷實驗說明：（1）當晶閘管承受反向陽極電壓時，無論門極是否有正向觸發(fā)電壓或者承受反向電壓，晶閘管不導通，只有很小的的反向漏電流流過管子，這種狀態(tài)稱為反向阻斷狀態(tài)。說明晶閘管像整流二極管一樣，具有單向導電性。（2）當晶閘管承受正向陽極電壓時，門極加

5、上反向電壓或者不加電壓，晶閘管不導通，這種狀態(tài)稱為正向阻斷狀態(tài)。這是二極管所不具備的。（3）當晶閘管承受正向陽極電壓時，門極加上正向觸發(fā)電壓，晶閘管導通，這種狀態(tài)稱為正向導通狀態(tài)。這就是晶閘管閘流特性，即可控特性。（4）晶閘管一旦導通后維持陽極電壓不變，將觸發(fā)電壓撤除管子依然處于導通狀態(tài)。即門極對管子不再具有控制作用。 2工作原理 結論： 1.晶閘管導通條件：陽極加正向電壓、門極加適當正向電壓。 2.關斷條件：流過晶閘管的電流小于維持電流。 二、 晶閘管特性與主要參數1晶閘管的陽極伏安特性 晶閘管的陽極與陰極間電壓和陽極電流之間的關系，稱為陽極伏安特性。 晶閘管陽極伏安特性 2晶閘管的主要參數

6、（1）晶閘管的電壓定額1）斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 規(guī)定，當門極斷開晶閘管處在額定結溫時，允許重復加在管子上的正向峰值電壓為晶閘管的斷態(tài)重復峰值電壓，用UDRM表示。2）反向重復峰值電壓URRM 規(guī)定當門極斷開，晶閘管處在額定結溫時，允許重復加在管子上的反向峰值電壓為反向重復峰值電壓，用URRM表示。 2晶閘管的主要參數3）額定電壓 將UDRM和URRM中的較小值按百位取整后作為該晶閘管的額定值。 通常標準電壓等級規(guī)定為：電壓在1000V以下，每100V為一級，1000V到3000V，每200V為一級，用百位數或千位和百位數表示級數。 選擇晶閘管的額定電壓是實際工作時可能承受的最大電壓的23倍

7、，即：（）（） （2 3 ） 2晶閘管的主要參數4）通態(tài)平均電壓UT（AV） 在規(guī)定環(huán)境溫度、標準散熱條件下，元件通以額定電流時，陽極和陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓（一般稱管壓降），約為1.5V。2晶閘管的主要參數 （2）、晶閘管的電流定額 1）額定電流:通態(tài)平均電流是指在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于170電阻性負載電路中，當不超過額定結溫且穩(wěn)定時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值，稱為晶閘管的額定電流。 晶閘管的電流的有效值與額定值的的關系為： 例如額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。2晶閘管的主要參數 選擇晶閘管額定電流的原則

8、：管子在額定電流時的電流有效值大于其所在電路中可能流過的最大電流的有效值，同時取倍的余量，即： 例題例1-1 一晶閘管接在220V交流電路中，通過晶閘管電流的有效值為50A，問如何選擇晶閘管的額定電壓和額定電流？ 例題解：晶閘管額定電壓 （23） =（23） 220V=622933V按晶閘管參數系列取800V，即8級。晶閘管的額定電流 =（1.52） =4864A按晶閘管參數系列取50A。 2晶閘管的主要參數2）維持電流IH 在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持導通的最小陽極電流稱為維持電流IH。3）擎住電流IL 在晶閘管加上觸發(fā)電壓，當元件從阻斷狀態(tài)剛轉為導通狀態(tài)就去除觸發(fā)

9、電壓，此時要保持元件持續(xù)導通所需要的最小陽極電流，稱擎住電流IL。4）斷態(tài)重復峰值電流IDRM和反向重復峰值電流IRRM IDRM和IRRM分別是對應于晶閘管承受斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM時的峰值電流。5）浪涌電流ITSM ITSM是一種由于電路異常情況（如故障）引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。 2晶閘管的主要參數 （3）門極參數 1）門極觸發(fā)電流 室溫下，在晶閘管的陽極陰極加上6V的正向陽極電壓，管子由斷態(tài)轉為通態(tài)所必需的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流。 2）門極觸發(fā)電壓 門極觸發(fā)電壓產生門極觸發(fā)電流所必需的最小門極電壓，稱為門極觸發(fā)電壓。 2晶

10、閘管的主要參數（4）動態(tài)參數 1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dtdu/dt是在額定結溫和門極開路的情況下，不導致從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大陽極電壓上升率。2）通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt是在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 2晶閘管的主要參數（5）晶閘管的型號根據國家的有關規(guī)定，普通晶閘管的型號及含義如下： 例題 例12：根據調節(jié)燈電路中的參數，確定本課題中晶閘管的型號? 例題解：第一步：單相半波可控整流調光電路晶閘管可能承受得的最大電壓第二步：考慮23倍的余量 （23） （23）第三步：確定所需晶閘管的額定電壓等級因為電路無儲能元器件，因此選擇電壓等級為7的晶閘

11、管就可以滿足正常工作的需要了。（）（第四步：根據白熾燈的額定值計算出其阻值的大小第五步：確定流過晶閘管電流的有效值為：流過晶閘管的平均電流為：由此可得，當時流過晶閘管電流的最大有效值為：第六步：考慮1.52倍的余量第七步：確定晶閘管的額定電流:因為電路無儲能元器件，所以選擇額定電流為1A的晶閘管可以需要。由以上分析確定晶閘管應選用的型號為：KP1-7 三、單相半波可控整流電路1電阻性負載 調光燈主電路 （1）工作原理名詞術語和概念：控制角：控制角也叫觸發(fā)角或觸發(fā)延遲角，是指晶閘管從承受正向電壓開始到觸發(fā)脈沖出現之間的電角度。導通角：是指晶閘管在一周期內處于導通的電角度。移相：移相是指改變觸發(fā)脈

12、沖出現的時刻，即改變控制角的大小。移相范圍：移相范圍是指一個周期內觸發(fā)脈沖的移動范圍，它決定了輸出電壓的變化范圍。 1） 時的波形分析（a）輸出電壓波形（b）晶閘管兩端電壓波形分析:在電源電壓正半周區(qū)間內，觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管VT導通，負載上得到輸出電壓的波形是與電源電壓相同形狀的波形；當電源電壓過零時，晶閘管也同時關斷，負載上得到的輸出電壓為零；在電源電壓負半周內，晶閘管承受反向電壓不能導通，直到第二周期觸發(fā)電路再次施加觸發(fā)脈沖時，晶閘管再次導通。晶閘管兩端電壓分析：在晶閘管導通期間，忽略晶閘管的管壓降， 在晶閘管截止期間，管子將承受全部反向電壓。 2） 時的波形分析（a）輸出電壓波形（b）晶

13、閘管兩端電壓波形分析：在 時，晶閘管承受正向電壓，此時加入觸發(fā)脈沖晶閘管導通，負載上得到輸出電壓的波形是與電源電壓相同形狀的波形；同樣當電源電壓過零時，晶閘管也同時關斷，負載上得到的輸出電壓為零；在電源電壓過零點到之間的區(qū)間上，雖然晶閘管已經承受正向電壓，但由于沒有觸發(fā)脈沖，晶閘管依然處于截止狀態(tài)。 時輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實測波形（a）輸出電壓波形 （b）晶閘管兩端電壓波形觸發(fā)導通時刻過零關斷時刻3）其他角度時的波形分析（a）輸出電壓波形（b）晶閘管兩端電壓波形 時的波形分析 時輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實測波形（a）輸出電壓波形 （b）晶閘管兩端電壓波形3）其他角度時的波形分析（a）輸

14、出電壓波形（b）晶閘管兩端電壓波形 時的波形分析 時輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實測波形（a）輸出電壓波形 （b）晶閘管兩端電壓波形3）其他角度時的波形分析（a）輸出電壓波形（b）晶閘管兩端電壓波形 時的波形分析 時輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實測波形（a）輸出電壓波形 （b）晶閘管兩端電壓波形（2）單相半波可控整流帶電阻性負載電路參數的計算1）輸出電壓平均值與平均電流的計算：2）負載上電壓有效值U與電流有效值的計算：有效值U的計算：負載電流有效值的計算：（2）單相半波可控整流帶電阻性負載電路參數的計算3）晶閘管電流有效值與管子兩端可能承受的最大電壓為：流過晶閘管電流的有效值：晶閘管可能承受的正反

15、向峰值電壓為：4）功率因數 例題例13 單相半波可控整流電路，阻性負載，電源電壓U2為220V，要求的直流輸出電壓為50V，直流輸出平均電流為20A，試計算：晶閘管的控制角。輸出電流有效值。電路功率因數。晶閘管的額定電壓和額定電流，并選擇晶閘管的型號。解：1由計算輸出電壓 電壓為50V時的晶閘管控制角求得 90 2當 90時， 3 4根據額定電流有效值IT大于等于實際電流有效值I相等的原則ITI，則 IT(AV)(1.52) 取2倍安全裕量，晶閘管的額定電流為IT(AV)42.456.6A。按電流等級可取額定電流50A。晶閘管的額定電壓為UTn=(23)UTM=(23) =622933V.按電

16、壓等級可取額定電壓700V即7級。選擇晶閘管型號為：KP507。 2電感性負載討論：電感線圈對電流變化的阻礙作用 （1）無續(xù)流二極管時1）在0a期間：晶閘管陽極電壓大于零，此時晶閘管門極沒有觸發(fā)信號，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，輸出電壓和電流都等于零。2）在a時刻：門極加上觸發(fā)信號，晶閘管被觸發(fā)導通，電源電壓u2施加在負載上，輸出電壓ud=u2。3）在時刻：交流電壓過零，由于電感的存在，流過晶閘管的陽極電流仍大于零，晶閘管會繼續(xù)導通，此時電感儲存的能量一部分釋放變成電阻的熱能，同時另一部分送回電網，電感的能量全部釋放完后，晶閘管在電源電壓u2的反壓作用下而截止。 （1）無續(xù)流二極管時結論：由于電感

17、的存在，不管如何調節(jié)控制角，Ud值總是很小，電流平均值Id也很小，沒有實用價值。實際的單相半波可控整流電路在帶有電感性負載時，都在負載兩端并聯有續(xù)流二極管。 （2）接續(xù)流二極管時 電感性負載接續(xù)流二極管時的電路 在晶閘管關斷時，該管能為負載提供續(xù)流回路，故稱續(xù)流二極管作用：使負載不出現負電壓 （2）接續(xù)流二極管時 從波形圖分析：在電源電壓正半周（0區(qū)間），晶閘管承受正向電壓，觸發(fā)脈沖在時刻觸發(fā)晶閘管導通，負載上有輸出電壓和電流。間續(xù)流二極管VD承受反向電壓而關斷。在電源電壓負半波（2區(qū)間），電感的感應電壓使續(xù)流二極管VD承受正向電壓導通續(xù)流，此時電源電壓u20，u2通過續(xù)流二極管使晶閘管承受反

18、向電壓而關斷，負載兩端的輸出電壓僅為續(xù)流二極管的管壓降。如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導通到下一周期晶閘管導通，使電流id連續(xù)，且id波形近似為一條直線。 （2）接續(xù)流二極管時 結論：電阻負載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負載波形相同，流過晶閘管和續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。 （2）接續(xù)流二極管時3）電路參數計算輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id。 （2）接續(xù)流二極管時流過晶閘管電流的平均值IdT和有效值IT流過晶閘管電流的平均值IdT：流過晶閘管電流的有效值IT： （2）接續(xù)流二極管時流過續(xù)流二極管電流的平均值IdD和有效值ID流過續(xù)流二極管電流的平均值IdD:流過續(xù)流二極管電流

19、的有效值ID： （2）接續(xù)流二極管時晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓。晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓都為電源電壓的峰值，即：四、單結晶體管觸發(fā)電路單結晶體管 單結晶體管觸發(fā)電路單結晶體管1單結晶體管（1）單結晶體管的結構（a）結構 （b）等效電路 （c）圖形符號 （d）外形管腳排列 （1）單結晶體管的結構觸發(fā)電路常用的國產單結晶體管的型號主要有BT31，BT35，BT35，其外形與管腳排列。發(fā)射極e第一基極b1第二基極b21）單結晶體管的伏安特性單結晶體管的伏安特性：當兩基極b1和b2間加某一固定直流電壓時，發(fā)射極電流與發(fā)射極正向電壓Ue之間的關系曲線稱為單結晶體管的伏安特性f（

20、Ue）。（a）單結晶體管實驗電路 （b）單結晶體管伏安特性 （c）特性曲線族 1）單結晶體管的伏安特性截止區(qū)aP段當開關Q閉合，電壓Ubb通過單結晶體管等效電路中的rbl和rb2分壓，得A點電位UA，可表示為式中 分壓比，是單結晶體管的主要參數，一般為0309。負阻區(qū)PV段飽和區(qū)VN段（2）單結晶體管的主要參數單結晶體管的主要參數有： 基極間電阻rbb 分壓比 峰點電流IP 谷點電壓UV 谷點電流IV 耗散功率等。2單結晶體管張馳振蕩電路（a）單結晶體管張馳振蕩電路的電路圖（b）單結晶體管張馳振蕩電路波形圖 3單結晶體管觸發(fā)電路1）單結晶體管觸發(fā)電路，是由同步電路和脈沖移相與形成兩部分組成的。

21、2）同步電路觸發(fā)信號和電源電壓在頻率和相位上相互協調的關系叫同步。同步電路由同步變壓器、橋式整流電路VD1VD4、電阻R1及穩(wěn)壓管組成。 3單結晶體管觸發(fā)電路3）波形分析單結晶體管觸發(fā)電路的調試以及在今后的使用過程中的檢修主要是通過幾個點的典型波形來判斷個元器件是否正常。橋式整流后脈動電壓的波形將探頭的測試端接于“A”點，接地端接于“E”點，測得波形。 （a）實測波形 （b）理論波形 3單結晶體管觸發(fā)電路、削波后梯形波電壓波形將探頭的測試端接于“B”點，測得B點的波形（a）實測波形 （b）理論波形 （2）脈沖移相與形成 1）電路組成 脈沖移相由電阻RE和電容C組成，脈沖形成由單結晶體管、溫補電阻R3、輸出電阻R4組成。 改變張馳振蕩電路中電容C的充電電阻的阻值，就可以改變充電的時間常數，圖中用電位器RP來實現這一變化，例如：RPC出現第一個脈沖的時間后移Ud （2）脈沖移相與形成2）波形分析、電容電壓的波形將探頭的測試端接于“C”點（a）實測波形 （b）理論波形半個周期 （2）脈沖移相與形成調節(jié)電位器RP的旋鈕，觀察C點的波形的變化范圍。、輸出脈沖的波形將探頭的測試端接于“D”點（a）實測波形 （b）理論波形調節(jié)電位器RP的旋鈕，觀察D點的波形