晶閘管及其基本課件

第10章電力電子技術(shù)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可控整流電路的工作原理及其在不同性質(zhì)負載下的工作特點;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.第10章電力電子技術(shù)掌握晶閘管的基本工作原理,特性和主要110.1電力半導(dǎo)體器件1.晶閘管(SCR)1)晶閘管的結(jié)構(gòu)和特號3個PN結(jié)的四層三端元件10.1電力半導(dǎo)體器件1.晶閘管(SCR)3個PN結(jié)的四22)晶閘管的工作原理將晶閘管等效地看成是兩只晶體管的組合:一只為PNP型晶體管,另一只為NPN型晶體管.中間的PN結(jié)為兩管共用.在A-K和G-K之間加上正向電壓,會形成強烈的正反饋,循環(huán)下去,晶閘管就導(dǎo)通了.思考題:什么是閘流特性?2)晶閘管的工作原理將晶閘管等效地看成是兩只晶體管的組合:一33)晶閘管的伏安特性(1)伏安特性:晶閘管陽極電壓與陽極電流的關(guān)系曲線.(2)伏安特性上幾個點:正向轉(zhuǎn)折電壓UBO(正向不重復(fù)峰值電壓UDSM);正向重復(fù)峰值電壓UDRM;UDRM約為UBO的80%.3)晶閘管的伏安特性(1)伏安特性:晶閘管陽極電壓與陽極電流44)晶閘管的主要參數(shù)

(1)額定電壓---正向或反向重復(fù)峰值電壓UDRM或URRM它的值是伏安特性中正反向轉(zhuǎn)折電壓的80%.一般選擇額定電壓為晶閘管在電路中承受的正常峰值電壓的2倍.(2)額定電流----通態(tài)平均電流IT晶閘管額定電流是指環(huán)境溫度40度,規(guī)定的冷卻條件下,電阻性負載,單相正弦半波電流的平均值.有效值引入波形系數(shù)K=Ie/IT;在這里K=1.57(3)維持電流IH----晶閘管流過的電流小于維持電流會自動關(guān)斷.4)晶閘管的主要參數(shù)

(1)額定電壓---正向或反向重復(fù)峰值5晶閘管導(dǎo)通條件1}陽極承受正向電壓;2}控制極加上適當(dāng)?shù)恼蚩刂茦O電壓;3}主電路電流大于維持電流.晶閘管導(dǎo)通條件1}陽極承受正向電壓;62)新型電力電子元件簡介(1)雙向晶閘管(TRIAC)(2)可關(guān)斷晶閘管(GTO)(3)功率晶體管GTR(4)絕緣柵雙極型晶體管IGBT2)新型電力電子元件簡介(1)雙向晶閘管(TRIAC)(2)710.2電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路及保護1.晶閘管的觸發(fā)電路

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路同步,脈沖前沿要陡,有一定的寬度,移相范圍寬.2.電力電子器件的保護與串并聯(lián)10.2電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路及保護1.晶閘管的觸發(fā)電路8晶閘管的觸發(fā)電路

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路同步,脈沖前沿要陡,有一定的寬度,移相范圍寬.1.單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路1)單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性一個PN結(jié);三個極:發(fā)射極,第一基極,第二基極(又稱雙基極管).(1)其結(jié)構(gòu)如圖

(a)所示,等效電路圖如圖

(c),圖中A點電壓為;

為分壓比,其值為0.3-0.9式中晶閘管的觸發(fā)電路

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路同步,脈沖前沿要陡,有一9晶閘管的觸發(fā)電路(2)單結(jié)晶體管特性曲線峰點電壓UP;谷點電壓UV;合上直流電源E,E經(jīng)RC支路對電容器C充電,當(dāng)電容兩端的電壓大于峰點電壓,單結(jié)晶體管導(dǎo)通;電容C經(jīng)電阻R1放電,C兩端電壓很快下降,當(dāng)?shù)陀诠赛c電壓,單結(jié)晶體管恢復(fù)阻斷;于是在電阻R1上形成脈沖電壓.弛張振蕩器的振蕩周期為晶閘管的觸發(fā)電路(2)單結(jié)晶體管特性曲線10(3)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

下圖是一個完整的可控整流電路.注意觸發(fā)電路是怎樣與主電路同步的;波形圖是不同控制角時的電壓和電流波形.(3)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

下圖是一個完整的可控整流電路.注意112.晶閘管的串并聯(lián)和保護1.晶閘管的串并聯(lián)電路1)串聯(lián)------均壓2)并聯(lián)------均流2.晶閘管的串并聯(lián)和保護1.晶閘管的串并聯(lián)電路2)并聯(lián)---122.晶閘管的保護

晶閘管的保護分為過電壓保護,過電流保護,電壓上升率保護,電流上升率保護.1)過電壓保護(1)阻容保護:可以分別裝在交流側(cè),直流側(cè),元件側(cè);也可以同時都裝設(shè).

電阻,電容的選擇按經(jīng)驗進行,或者查相關(guān)的表.(2)專門用于過電壓保護的壓敏電阻.(3)硒堆保護2.晶閘管的保護

晶閘管的保護分為過電壓保護,過電流保護,電132)過電流保護過電流保護的方式有:1.快速熔斷器;2.快速開關(guān);3.過流繼電器;4.脈沖迅速后移,

使晶閘管的導(dǎo)通角減小或停止觸發(fā).2)過電流保護1410.3可控整流電路

按交流電源的相數(shù),電路的結(jié)構(gòu),負載的性質(zhì)有不同的形式.1.單相半波可控整流電流

.1)電阻性負載(1)自然換向點:陽極電壓由負變正的過零點.在該點,二極管自然導(dǎo)通.(2)控制角(移相角,滯后角)觸發(fā)脈沖發(fā)出的時刻與自然換向點之間的夾角.(3)導(dǎo)通角(4)輸出電壓平均值U2為變壓器二次側(cè)電壓有效值(5)輸出電流Id=Ud/R10.3可控整流電路

按交流電源的相數(shù),電路的結(jié)構(gòu),負載的152)電感性負載(1)特點:電感具有阻礙電流變化的作用.當(dāng)陽極電壓(電源電壓)過零變負時,一段時間,電感電壓大于電源電壓,加在晶閘管上的電壓仍為正,繼續(xù)維持導(dǎo)通.輸出電壓就是電源電壓的包絡(luò)線.于是有:輸出電壓出現(xiàn)負值,使輸出平均電壓降低;晶閘管由正變負時不能關(guān)斷而失控.(2)解決方法:反向并聯(lián)續(xù)流二極管.2)電感性負載(1)特點:電感具有阻礙電流變化的作用.16而負載電流Id=Ud/R3)續(xù)流二極管的作用接續(xù)流二極管后,輸出電壓波形和計算式同電阻負載;而輸出電流波形有不同.流過晶閘管的電流平均值流過續(xù)流二極管的電流平均值:而負載電流Id=Ud/R3)續(xù)流二極管的作用流過續(xù)流二17例:單相半波可控整流電路帶電阻負載,已知:U2=220V,輸出直流電壓50V,輸出直流電流20A.求(1)晶閘管的控制角;(2)電流有效值;(3)選用晶閘管解;(1)

得(2)電流有效值K值查表得來(3)晶閘管允許的電流平均值額定電壓選KP-50/700例:單相半波可控整流電路帶電阻負載,已知:U2=220V,輸182.單相橋式可控整流電路1)單相半控橋(1)電阻性負載2.單相橋式可控整流電路1)單相半控橋19(2)電感性負載帶續(xù)流二極管流過晶閘管的平均電流:流過續(xù)流二極管的平均電流:(2)電感性負載帶續(xù)流二極管流過續(xù)流二極管的平均電流:20電感性負載單相半控橋帶電感性負載的另一種接線晶閘管既不是共陰極組接法,也不是共陽極組接法.這種接線可以省去續(xù)流二極管.電感性負載單相半控橋帶電感性負載的另一種接線21(3)反電勢負載如直流電動機的電樞;蓄電池.特點:只有輸出電壓大于反電勢時才有電流輸出.晶閘管導(dǎo)電時間短,電流大,一般要串電抗器來平滑電流的脈動.輸出平均電流(3)反電勢負載22

三相可控整流電路

整流變壓器一次側(cè)接成三角形,提供三次和三的倍數(shù)次諧波的通路.1.三相半波可控整流電路1)電阻性負載控制角小于或等于30度時的輸出電壓:式中U2為二次側(cè)相電壓晶閘管元件在電路中承受的最高電壓為線電壓峰值,即思考題;A相的自然換向點在哪兒?三相可控整流電路

整流變壓器一次側(cè)接成三角形,提供三次和23

2)電感性負載(1)輸出電壓出現(xiàn)負值;(2)如果電感足夠大,輸出電流脈動小,電流波形近似一條水平線.

24電感性負載帶續(xù)流二極管(1)輸出電壓波形,電壓平均值與控制角的關(guān)系同電阻性負載;(2)負載電流波形同電感性負載.電感性負載帶續(xù)流二極管252.三相橋式全控整流電路電阻性負載電流連續(xù)時的輸出電壓2.三相橋式全控整流電路電阻性負載電流連續(xù)時的輸出電壓2610.4逆變電路

交流---直流稱整流;直流---交流稱逆變既能整流,又能逆變的為變流器.

逆變后的交流返回電網(wǎng)的稱有源逆變;

供給負載的稱無源逆變.1.有源逆變電路1)整流狀態(tài)電路主要工作在交流電源的正半波,.電動機電樞電流由高電位流向低電位,是負載,電動機吸收電能工作于電動狀態(tài).10.4逆變電路

272)逆變狀態(tài)電路主要工作在交流電源的負半波,電動機電樞電流由低電位流向高電位,是電源,電動機輸出能量工作于發(fā)電狀態(tài).3)實現(xiàn)有源逆變的條件有對晶閘管元件施加正向電壓的直流電源;控制角大于90度.4)逆變角為了計算方便,引入逆變角.逆變角的變化范圍:5)有源逆變的工業(yè)應(yīng)用:高壓直流輸電;向家壩-上海2000KM正負800KV直流;輸電示范工程2010年投產(chǎn)(自然功率600萬KW)三相線繞式異步電動機串級調(diào)速.2)逆變狀態(tài)電路主要工作在交流電源的負半波,電動機電樞電流由28整流狀態(tài)逆變狀態(tài)整流狀態(tài)292.無源逆變電路1)無源逆變電路的工作原理單相晶閘管橋式逆變器電路如右圖.

若1,4導(dǎo)通,輸出為正;

則2,3導(dǎo)通,輸出為負.輸出電壓為交流.改變晶閘管開關(guān)的速率,就可以得到不同頻率的交流電壓.思考題:在圖中,晶閘管始終承受正向電壓,滿足導(dǎo)通的第一個條件;只要觸發(fā)了它,它就會一直導(dǎo)通.怎樣關(guān)斷晶閘管?2.無源逆變電路1)無源逆變電路的工作原理30無源逆變電路2)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壓的大小,而是改變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的方法.不足之處:當(dāng)輸出電壓減小時,諧波幾乎和基波相等.無源逆變電路2)逆變器內(nèi)部的電壓控制31(2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)(2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)32(3)無源逆變器的換相(換流)

換相即如何關(guān)斷導(dǎo)通的晶閘管.有負載換流和強迫換流等方法.

下圖為負載換流的工作過程.(3)無源逆變器的換相(換流)

換相即如何關(guān)斷導(dǎo)通的晶閘管.33例:一臺車床主軸調(diào)速系統(tǒng),由SCR-M供電.直流電動機的額定參數(shù)為:UN=220V,IN=40A,PN=7.5kW,nN=1500r/min.采用三相半控橋式可

控整流電路.380V交流電經(jīng)三角形/星形變壓器降壓供電.

求:(1)變壓器二次側(cè)相電壓,相電流,容量;(2)選擇晶閘管元件.解:(1)由式考慮控制角為0時,輸出電壓取最大值,因此,以控制角為0代入得:U2=220/2.34=94V考慮變壓器,電抗器和晶閘管的內(nèi)壓降等因素,取普通勞動者二次側(cè)相電壓有效值為:U2=1.1(94)=103V變壓器二次側(cè)電流有效值變壓器容量S=3U2I2=103(32.8)=10.1kVA例:一臺車床主軸調(diào)速系統(tǒng),由SCR-M供電.直流電動機的額定34(2)每只晶閘管的導(dǎo)通角為120度,電路形式為三相,允許的電流平均值:

取600V.因此,晶閘管選KP-30/600考慮安全系數(shù),額定電壓為:晶閘管承受的最大反向電壓取30A.考慮安全系數(shù),晶閘管額定電流為:(2)每只晶閘管的導(dǎo)通角為120度,電路形式為三相,允許的電35第10章電力電子技術(shù)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可控整流電路的工作原理及其在不同性質(zhì)負載下的工作特點;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.第10章電力電子技術(shù)掌握晶閘管的基本工作原理,特性和主要3610.1電力半導(dǎo)體器件1.晶閘管(SCR)1)晶閘管的結(jié)構(gòu)和特號3個PN結(jié)的四層三端元件10.1電力半導(dǎo)體器件1.晶閘管(SCR)3個PN結(jié)的四372)晶閘管的工作原理將晶閘管等效地看成是兩只晶體管的組合:一只為PNP型晶體管,另一只為NPN型晶體管.中間的PN結(jié)為兩管共用.在A-K和G-K之間加上正向電壓,會形成強烈的正反饋,循環(huán)下去,晶閘管就導(dǎo)通了.思考題:什么是閘流特性?2)晶閘管的工作原理將晶閘管等效地看成是兩只晶體管的組合:一383)晶閘管的伏安特性(1)伏安特性:晶閘管陽極電壓與陽極電流的關(guān)系曲線.(2)伏安特性上幾個點:正向轉(zhuǎn)折電壓UBO(正向不重復(fù)峰值電壓UDSM);正向重復(fù)峰值電壓UDRM;UDRM約為UBO的80%.3)晶閘管的伏安特性(1)伏安特性:晶閘管陽極電壓與陽極電流394)晶閘管的主要參數(shù)

(1)額定電壓---正向或反向重復(fù)峰值電壓UDRM或URRM它的值是伏安特性中正反向轉(zhuǎn)折電壓的80%.一般選擇額定電壓為晶閘管在電路中承受的正常峰值電壓的2倍.(2)額定電流----通態(tài)平均電流IT晶閘管額定電流是指環(huán)境溫度40度,規(guī)定的冷卻條件下,電阻性負載,單相正弦半波電流的平均值.有效值引入波形系數(shù)K=Ie/IT;在這里K=1.57(3)維持電流IH----晶閘管流過的電流小于維持電流會自動關(guān)斷.4)晶閘管的主要參數(shù)

(1)額定電壓---正向或反向重復(fù)峰值40晶閘管導(dǎo)通條件1}陽極承受正向電壓;2}控制極加上適當(dāng)?shù)恼蚩刂茦O電壓;3}主電路電流大于維持電流.晶閘管導(dǎo)通條件1}陽極承受正向電壓;412)新型電力電子元件簡介(1)雙向晶閘管(TRIAC)(2)可關(guān)斷晶閘管(GTO)(3)功率晶體管GTR(4)絕緣柵雙極型晶體管IGBT2)新型電力電子元件簡介(1)雙向晶閘管(TRIAC)(2)4210.2電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路及保護1.晶閘管的觸發(fā)電路

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路同步,脈沖前沿要陡,有一定的寬度,移相范圍寬.2.電力電子器件的保護與串并聯(lián)10.2電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路及保護1.晶閘管的觸發(fā)電路43晶閘管的觸發(fā)電路

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路同步,脈沖前沿要陡,有一定的寬度,移相范圍寬.1.單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路1)單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性一個PN結(jié);三個極:發(fā)射極,第一基極,第二基極(又稱雙基極管).(1)其結(jié)構(gòu)如圖

(a)所示,等效電路圖如圖

(c),圖中A點電壓為;

為分壓比,其值為0.3-0.9式中晶閘管的觸發(fā)電路

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路同步,脈沖前沿要陡,有一44晶閘管的觸發(fā)電路(2)單結(jié)晶體管特性曲線峰點電壓UP;谷點電壓UV;合上直流電源E,E經(jīng)RC支路對電容器C充電,當(dāng)電容兩端的電壓大于峰點電壓,單結(jié)晶體管導(dǎo)通;電容C經(jīng)電阻R1放電,C兩端電壓很快下降,當(dāng)?shù)陀诠赛c電壓,單結(jié)晶體管恢復(fù)阻斷;于是在電阻R1上形成脈沖電壓.弛張振蕩器的振蕩周期為晶閘管的觸發(fā)電路(2)單結(jié)晶體管特性曲線45(3)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

下圖是一個完整的可控整流電路.注意觸發(fā)電路是怎樣與主電路同步的;波形圖是不同控制角時的電壓和電流波形.(3)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

下圖是一個完整的可控整流電路.注意462.晶閘管的串并聯(lián)和保護1.晶閘管的串并聯(lián)電路1)串聯(lián)------均壓2)并聯(lián)------均流2.晶閘管的串并聯(lián)和保護1.晶閘管的串并聯(lián)電路2)并聯(lián)---472.晶閘管的保護

晶閘管的保護分為過電壓保護,過電流保護,電壓上升率保護,電流上升率保護.1)過電壓保護(1)阻容保護:可以分別裝在交流側(cè),直流側(cè),元件側(cè);也可以同時都裝設(shè).

電阻,電容的選擇按經(jīng)驗進行,或者查相關(guān)的表.(2)專門用于過電壓保護的壓敏電阻.(3)硒堆保護2.晶閘管的保護

晶閘管的保護分為過電壓保護,過電流保護,電482)過電流保護過電流保護的方式有:1.快速熔斷器;2.快速開關(guān);3.過流繼電器;4.脈沖迅速后移,

使晶閘管的導(dǎo)通角減小或停止觸發(fā).2)過電流保護4910.3可控整流電路

按交流電源的相數(shù),電路的結(jié)構(gòu),負載的性質(zhì)有不同的形式.1.單相半波可控整流電流

.1)電阻性負載(1)自然換向點:陽極電壓由負變正的過零點.在該點,二極管自然導(dǎo)通.(2)控制角(移相角,滯后角)觸發(fā)脈沖發(fā)出的時刻與自然換向點之間的夾角.(3)導(dǎo)通角(4)輸出電壓平均值U2為變壓器二次側(cè)電壓有效值(5)輸出電流Id=Ud/R10.3可控整流電路

按交流電源的相數(shù),電路的結(jié)構(gòu),負載的502)電感性負載(1)特點:電感具有阻礙電流變化的作用.當(dāng)陽極電壓(電源電壓)過零變負時,一段時間,電感電壓大于電源電壓,加在晶閘管上的電壓仍為正,繼續(xù)維持導(dǎo)通.輸出電壓就是電源電壓的包絡(luò)線.于是有:輸出電壓出現(xiàn)負值,使輸出平均電壓降低;晶閘管由正變負時不能關(guān)斷而失控.(2)解決方法:反向并聯(lián)續(xù)流二極管.2)電感性負載(1)特點:電感具有阻礙電流變化的作用.51而負載電流Id=Ud/R3)續(xù)流二極管的作用接續(xù)流二極管后,輸出電壓波形和計算式同電阻負載;而輸出電流波形有不同.流過晶閘管的電流平均值流過續(xù)流二極管的電流平均值:而負載電流Id=Ud/R3)續(xù)流二極管的作用流過續(xù)流二52例:單相半波可控整流電路帶電阻負載,已知:U2=220V,輸出直流電壓50V,輸出直流電流20A.求(1)晶閘管的控制角;(2)電流有效值;(3)選用晶閘管解;(1)

得(2)電流有效值K值查表得來(3)晶閘管允許的電流平均值額定電壓選KP-50/700例:單相半波可控整流電路帶電阻負載,已知:U2=220V,輸532.單相橋式可控整流電路1)單相半控橋(1)電阻性負載2.單相橋式可控整流電路1)單相半控橋54(2)電感性負載帶續(xù)流二極管流過晶閘管的平均電流:流過續(xù)流二極管的平均電流:(2)電感性負載帶續(xù)流二極管流過續(xù)流二極管的平均電流:55電感性負載單相半控橋帶電感性負載的另一種接線晶閘管既不是共陰極組接法,也不是共陽極組接法.這種接線可以省去續(xù)流二極管.電感性負載單相半控橋帶電感性負載的另一種接線56(3)反電勢負載如直流電動機的電樞;蓄電池.特點:只有輸出電壓大于反電勢時才有電流輸出.晶閘管導(dǎo)電時間短,電流大,一般要串電抗器來平滑電流的脈動.輸出平均電流(3)反電勢負載57

三相可控整流電路

整流變壓器一次側(cè)接成三角形,提供三次和三的倍數(shù)次諧波的通路.1.三相半波可控整流電路1)電阻性負載控制角小于或等于30度時的輸出電壓:式中U2為二次側(cè)相電壓晶閘管元件在電路中承受的最高電壓為線電壓峰值,即思考題;A相的自然換向點在哪兒?三相可控整流電路

整流變壓器一次側(cè)接成三角形,提供三次和58

2)電感性負載(1)輸出電壓出現(xiàn)負值;(2)如果電感足夠大,輸出電流脈動小,電流波形近似一條水平線.

59電感性負載帶續(xù)流二極管(1)輸出電壓波形,電壓平均值與控制角的關(guān)系同電阻性負載;(2)負載電流波形同電感性負載.電感性負載帶續(xù)流二極管602.三相橋式全控整流電路電阻性負載電流連續(xù)時的輸出電壓2.三相橋式全控整流電路電阻性負載電流連續(xù)時的輸出電壓6110.4逆變電路

交流---直流稱整流;直流---交流稱逆變既能整流,又能逆變的為變流器.

逆變后的交流返回電網(wǎng)的稱有源逆變;

供給負載的稱無源逆變.1.有源逆變電路1)整流狀態(tài)電路主要工作在交流電源的正半波,.電動機電樞電流由高電位流向低電位,是負載,電動機吸收電能工作于電動狀態(tài).10.4逆變電路

622)逆變狀態(tài)電路主要工作在交流電源的負半波,電動機電樞電流由低電位流向高電位,是電源,電動機輸出能量工作于發(fā)電狀態(tài).3)實現(xiàn)有源逆變的條件有對晶閘管元件施加正向電壓的直流電源;控制角大于90度.4)逆變角為了計算方便,引入逆變角.逆變角的變化范圍:5)有源逆變的工業(yè)應(yīng)用:高壓直流輸電;向家壩-上海2000KM正負800KV直流;輸電示范工程2010年投產(chǎn)(自然功率600萬KW)三相線繞式異步電動機串級調(diào)速.2)逆變狀態(tài)電路主要工作在交流電源的負半波,電動機電樞電流由63整流狀態(tài)逆變狀態(tài)整流狀態(tài)