機(jī)電傳動(dòng)控制第10章

機(jī)電傳動(dòng)控制王斌主講Email:e.4@163.com-----第十章晶閘管及其基本電路

1編輯課件本章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可控整流電路的工作原理及其在不同性質(zhì)負(fù)載下的工作特點(diǎn);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(shí)對(duì)觸發(fā)電路的要求.2編輯課件10.1電力電子元件1.晶閘管(SCR)

1)晶閘管的結(jié)構(gòu)和特號(hào)3個(gè)PN結(jié)的四層三端元件3編輯課件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(huì)形成強(qiáng)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?4編輯課件3)晶閘管的伏安特性(1)伏安特性:晶閘管陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系曲線.(2)伏安特性上幾個(gè)點(diǎn):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%.5編輯課件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(fù)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(guò)的電流小于維持電流會(huì)自動(dòng)關(guān)斷.

6編輯課件晶閘管導(dǎo)通條件1}陽(yáng)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.7編輯課件2)新型電力電子元件簡(jiǎn)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IGBT8編輯課件10.2單相可控整流電路

按交流電源的相數(shù),電路的結(jié)構(gòu),負(fù)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(fù)載(1)自然換向點(diǎn):陽(yáng)極電壓由負(fù)變正的過(guò)零點(diǎn).在該點(diǎn),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(shí)刻與自然換向點(diǎn)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/R9編輯課件2)電感性負(fù)載(1)特點(diǎn):電感具有阻礙電流變化的作用.當(dāng)陽(yáng)極電壓(電源電壓)過(guò)零變負(fù)時(shí),一段時(shí)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(fù)值,使輸出平均電壓降低;晶閘管由正變負(fù)時(shí)不能關(guān)斷而失控.(2)解決方法:反向并聯(lián)續(xù)流二極管.10編輯課件

而負(fù)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(jì)算式同電阻負(fù)載;而輸出電流波形有不同.流過(guò)晶閘管的電流平均值流過(guò)續(xù)流二極管的電流平均值:11編輯課件例:單相半波可控整流電路帶電阻負(fù)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(lái)(3)晶閘管允許的電流平均值額定電壓選KP-50/70012編輯課件2.單相橋式可控整流電路1)單相半控橋(1)電阻性負(fù)載13編輯課件(2)電感性負(fù)載帶續(xù)流二極管流過(guò)晶閘管的平均電流:流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流:14編輯課件電感性負(fù)載單相半控橋帶電感性負(fù)載的另一種接線晶閘管既不是共陰極組接法,也不是共陽(yáng)極組接法.這種接線可以省去續(xù)流二極管.15編輯課件(3)反電勢(shì)負(fù)載

如直流電動(dòng)機(jī)的電樞;蓄電池.特點(diǎn):只有輸出電壓大于反電勢(shì)時(shí)才有電流輸出.晶閘管導(dǎo)電時(shí)間短,電流大,一般要串電抗器來(lái)平滑電流的脈動(dòng).輸出平均電流16編輯課件10.3三相可控整流電路

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(fù)載控制角小于或等于30度時(shí)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(diǎn)在哪兒?17編輯課件

2)電感性負(fù)載(1)輸出電壓出現(xiàn)負(fù)值;(2)如果電感足夠大,輸出電流脈動(dòng)小,電流波形近似一條水平線.18編輯課件電感性負(fù)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(fù)載;(2)負(fù)載電流波形同電感性負(fù)載.19編輯課件2.三相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓20編輯課件10.4逆變器

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(fù)載的稱無(wú)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(dòng)機(jī)電樞電流由高電位流向低電位,是負(fù)載,電動(dòng)機(jī)吸收電能工作于電動(dòng)狀態(tài).

21編輯課件2)逆變狀態(tài)電路主要工作在交流電源的負(fù)半波,電動(dòng)機(jī)電樞電流由低電位流向高電位,是電源,電動(dòng)機(jī)輸出能量工作于發(fā)電狀態(tài).

3)實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件有對(duì)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(jì)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;三相線繞式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速.22編輯課件整流狀態(tài)逆變狀態(tài)23編輯課件2.無(wú)源逆變電路1)無(wú)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(fù).輸出電壓為交流.改變晶閘管開(kāi)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(gè)條件;只要觸發(fā)了它,它就會(huì)一直導(dǎo)通.怎樣關(guān)斷晶閘管?24編輯課件無(wú)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(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來(lái)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(shí),諧波幾乎和基波相等.25編輯課件(2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)26編輯課件(3)無(wú)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(fù)載換流和強(qiáng)迫換流等方法.

下圖為負(fù)載換流的工作過(guò)程.27編輯課件10.5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(gè)PN結(jié);三個(gè)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(diǎn)電壓為;

為分壓比,其值為0.3-0.9式中28編輯課件晶閘管的觸發(fā)電路(2)單結(jié)晶體管特性曲線

峰點(diǎn)電壓UP;

谷點(diǎn)電壓UV;

合上直流電源E,E經(jīng)RC支路對(duì)電容器C充電,當(dāng)電容兩端的電壓大于峰點(diǎn)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(diǎn)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29編輯課件(3)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

下圖是一個(gè)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(shí)的電壓和電流波形.30編輯課件10.6

晶閘管的串并聯(lián)和保護(hù)1.晶閘管的串并聯(lián)電路1)串聯(lián)------均壓2)并聯(lián)------均流31編輯課件2.晶閘管的保護(hù)

晶閘管的保護(hù)分為過(guò)電壓保護(hù),過(guò)電流保護(hù),電壓上升率保護(hù),電流上升率保護(hù).1)過(guò)電壓保護(hù)(1)阻容保護(hù):可以分別裝在交流側(cè),直流側(cè),元件側(cè);也可以同時(shí)都裝設(shè).電阻,電容的選擇按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,或者查相關(guān)的表.(2)專門(mén)用于過(guò)電壓保護(hù)的壓敏電阻.(3)硒堆保護(hù)32編輯課件2)過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)的方式有:

1.快速熔斷器;2.快速開(kāi)關(guān);3.過(guò)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).33編輯課件例:一臺(tái)車(chē)床主軸調(diào)速系統(tǒng),由SCR-M供電.直流電動(dòng)機(jī)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(shí),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(dòng)者二次側(cè)相電壓有效值為:U2=1