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1、1 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 主要内容 10 1电力半导体器件10 2单相可控整流电路10 3三相可控整流电路10 4逆变器10 5晶闸管的触发电路10 6晶闸管的串并联和保护 2 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 学习要求 掌握晶闸管的基本工作原理 特性和主要参数的含义 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点 熟悉逆变器的基本工作原理 用途和控制 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理 3 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 重点 1 晶闸管的导通与关断条件 可控性 2 晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点 3 晶闸管额定通态平
2、均电流IT的含义及基本可控整流电路中IT的选择和额定电压的选择 4 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 难点 1 整流电路接电感性负载 电动势负载时的工作状况 2 晶闸管额定通态平均电流IT的选择 3 逆变器的工作原理 5 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 前 言 电力 强 电子学 电力半导体器件 微 弱 电子学 集成电路 半导体器件 电力电子学的任务 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制 电力半导体器件 弱电 强电 6 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 晶闸管 Thyristor 可控整流器 SiliconControlledRectifier 简称SCR 是60年代发展起来
3、的一新型电力半导体器件 晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用 7 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 优点 1 用很小的功率 电流约几十毫安 一百多毫安 电压约2 4V 可以控制较大的功率 电流自几十安 几千安 电压自几百伏 几千伏 功率放大倍数可以达到几十万倍 2 控制灵敏 反应快晶闸管的导通和截止时间都在微秒级 3 损耗小 效率高晶闸管本身的压降很小 仅1V左右 总效率可达97 5 而一般机组效率仅为85 左右 4 体积小 重量轻 8 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 缺点 1 过载能力弱在过电流 过电压情况下很容易损坏 要保证其可靠工作 在控制电路中要采取保护措施 在选用
4、时 其电压 电流应适当留有余量 2 抗干扰能力差易受冲击电压的影响 当外界干扰较强时 容易产生误动作 3 导致电网电压波形畸变高次谐波分量增加 干扰周围的电气设备 4 控制电路较复杂 对维修人员技术水平要求高 9 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 用途 1 可控整流电路 交流变固定或可调的直流电压直流电机调速 成套产品冶金 机械 造纸 纺织高压直流输电 2 交流调压电路 固定的交流电压变可调的交流电压灯光控制 温度控制 交流电机调速等 3 逆变电路 直流变固定或可调频率的交流不间断电源 UPS 高压直流输电终端 4 变频电路中 高频加热 交流电机变频调速 5 斩波电路 直流电压从固定变可调直
5、流电机控制 6 电子开关开关状态 无触点 代替继电器 接触器 10 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 10 1电力半导体器件 晶闸管1 晶闸管结构与符号2 晶闸管的工作原理3 晶闸管的伏安特性4 晶闸管的主要参数5 晶闸管的应用 11 1 晶闸管结构与符号 阳极 控制极 阴极 控制极 100A 200A 10 1电力半导体器件 晶闸管 12 10 1电力半导体器件 晶闸管 1 晶闸管结构与符号 13 10 1电力半导体器件 晶闸管 2 晶闸管的工作原理 实验电路 主电路交流电压 u2 控制极电路接入Eg 在t1瞬间合上开关S 在t4瞬间拉开开关S a 实验电路 14 10 1电力半导体器件
6、晶闸管 2 晶闸管的工作原理 波形图 u2 ug ud的波形关系 1 在0 t1之间 开关S未合上 ug 0 尽管uAK 0 但ud 0 即晶闸管未导通 2 在t1 t2之间 uAK 0 由于开关S合上 使ug 0 而 即晶闸管导通 3 在t2 t3之间 uAK0 但ud 0 即晶闸管关断 4 在t3 t4之间 uAK 0 这时ug 0 而 所以 晶闸管又导通 5 当t t4时 ug 0 但uAK 0 即晶闸管仍处于导通状态 6 当t t5时 uAK 0 ug 0 而ud 0 即晶闸管关断 晶闸管处于阻断状态 15 10 1电力半导体器件 晶闸管 2 晶闸管的工作原理 结论 1 SCR具有双向
7、阻断能力 2 SCR的A G两极正电压才导通 3 SCR导通后 G极失去作用 欲使SCR再次阻断 则须将阳极 A极 电压降低 断电或反向 16 10 1电力半导体器件 晶闸管 3 晶闸管的伏安特性 SCR的阳极电压与阳极电流的关系 触发电压 电流 A K间加直流6V时 G极最小电压 电流 17 18 19 20 21 22 在规定的环境温度和控制极断路时 维持元件继续导通的最小电流称维持电流 一般为几mA 一百多mA 23 24 25 10 1电力半导体器件 晶闸管 5 晶闸管的应用1 整流装置 交流电变成直流电 可变电压电源 恒压 恒流源 直流电机电源2 逆变装置 直流变成交流电源 频率精度
8、高 负荷变化时输岀稳定 恒频率电源 不间断电源 交流电机电源 3 变频装置 顺变和逆变的组合 用于同步机和异步机的调速 4 直流电动机的调速 可代替直流发电机 效率高 响应快 体积小 重量轻 26 10 1电力半导体器件 10 1 2其它电力半导体器件1 双向晶闸管 27 10 1电力半导体器件 10 1 2其他电力半导体器件2可关断晶闸管Gate Turn OffThyristor GTO 1 G极可控制元件导通与关断 不同极性脉冲信号 2 触发电流 20mA 比普通晶闸管大 30uA 3 动态特性好 关断1us 而晶闸管需 5 30us 4 用于直流调压和开关电路 28 10 1电力半导体
9、器件 10 1 2其他电力半导体器件3绝缘栅双极晶体管IGBT IGBT InsulatedGateBipolarTransistor 复合全控型电压驱动式功率半导体器件兼有电力场效应晶体管MOSFET的通断控制功率小和电力晶体管GTR的低导通压降两方面的优点 驱动功率小而饱和压降低 非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机 变频器 开关电源 照明电路 牵引传动等领域 29 10 1电力半导体器件 10 1 2其他电力半导体器件3绝缘栅双极晶体管IGBT IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压 C E 形成沟道 给PNP晶体管提供基极电流 使IGBT导通 加反向门极电压消除沟
10、道 切断基极电流 使IGBT关断 选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流 特别是用作高频开关时 由于开关损耗增大 发热加剧 选用时应该降等使用 还应注意正确使用和保管 30 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 主要内容 10 1电力半导体器件10 2单相可控整流电路10 3三相可控整流电路10 4逆变器10 5晶闸管的触发电路10 6晶闸管的串并联和保护 31 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 10 2单相可控整流电路12 1单相半波可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路12 2单相桥式可控整流电路单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 32 10 2 1单相半
11、波可控整流电路 1 带电阻性负载的可控整流电路 u2 输入电压 ud 输出电压 33 1 带电阻性负载的可控整流电路 控制角 晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度 导通角 是晶闸管在一周期时间内导通的电角度 10 2 1单相半波可控整流电路 34 1 带电阻性负载的可控整流电路 输入电压 负载平均电压 输出电压平均值 负载平均电流 晶闸管承受的最大正反向电压 10 2 1单相半波可控整流电路 35 2 带电感性负载的可控整流电路 负载上得不到所需要的电压和电流 10 2 1单相半波可控整流电路 36 3 续流二极管的作用 10 2 1单相半波可控整流电路 如图所示半波可控
12、整流电路 在电感性负载时采用加接续流二极管的措施 37 38 第十章电力电子学 晶闸管及基本电路 10 2单相可控整流电路12 1单相半波可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路12 2单相桥式可控整流电路单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 39 1 单相半控桥式整流电路1 电阻性负载 整流电路电流 电压波形 10 2 2单相桥式可控整流电路 40 1 单相半控桥式整流电路1 电阻性负载 晶闸管承受的最大正反向电压值 负载平均电压 负载平均电流 10 2 2单相桥式可控整流电路 41 1 单相半控桥式整流电路2 电感性负载a 10 2 2单相桥式可控整流电路 42
13、 1 单相半控桥式整流电路2 电感性负载b 10 2 2单相桥式可控整流电路 10 15晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压 电流波形 43 1 单相半控桥式整流电路2 电感性负载c 单向脉动直流电 图10 16用一只晶闸管的单相桥式整流电路 10 2 2单相桥式可控整流电路 44 1 单相半控桥式整流电路3 反电势负载 10 2 2单相桥式可控整流电路 45 1 单相半控桥式整流电路3 反电势负载 图10 18有电感滤波时的电路及电流 电压波形 10 2 2单相桥式可控整流电路 46 2 单相全控桥式整流电路 10 2 2单相桥式可控整流电路 47 10 2单相可控整流电路 例10 2一台白炽
14、灯泡调光电路 需要可调的直流电源 U0 0 180V 电流I0 0 10A 采用半控桥式整流电路如图 试求最大交流电压和电流的有效值 并选用元件 解 设导通角 0U0 180V I0 10A有效值 U U0 0 9 180V 0 9 200V I U RL 220 180V 10A 12 2A平均电流Ivs Iv 10A 2 5AUFM URm 1 414U 1 414 220 310V 2 310 600V选用3cT10 600 2cz10 300 48 10 3三相可控整流电路 10 3 1三相半波可控整流电路1 电阻性负载 0 49 10 3三相可控整流电路 10 3 1三相半波可控整流
15、电路1 电阻性负载 0 6 50 10 3三相可控整流电路 10 3 1三相半波可控整流电路1 电阻性负载 0 5 6 51 10 3三相可控整流电路 10 3 1三相半波可控整流电路2 电感性负载 52 10 3三相可控整流电路 10 3 1三相半波可控整流电路2 电感性负载 53 10 3三相可控整流电路 10 3 1三相半波可控整流电路2 电感性负载 变压器利用率低 易产生变压器铁芯饱和 54 10 3三相可控整流电路 10 3 2三相桥式全控整流电路 三相桥式全控负载平均电压Ud Ud阴 Ud阳 55 10 3三相可控整流电路 10 3 2三相桥式全控整流电路 共阴Vs1 Vs3 Vs
16、5 共阳Vs2 Vs4 Vs6 56 57 可控整流电路小结 单相半波电路简单 指标差 只适用于小功率要求不高的场合 单相桥式电路性能指标好 电压脉动频率大 适用于小功率电路 晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路 接线简单 适用于小功率的反电势负载 三相半波可控整流电路 指标一般 较少采用 三相桥式可控电路 各项指标好 最适合大功率高压电路 三相全控桥可工作在整流状态 同时还能工作在逆变状态 58 10 4逆变器 10 4 1有源逆变电路1 整流状态 0 2 59 10 4逆变器 10 4 1有源逆变器2 逆变状态 2 60 10 4逆变器 10 4 2无源逆变器1 无源逆变器的简单工作原理 61 10 4逆变器 10 4 2无源逆变器2 单相晶闸管桥式逆变器 62 10 4逆变器 10 4 2无源逆变器2 单相无源逆变器的电压控制 1 控制输入直流电压 2 内部控制脉宽控制 63 10 4 2无源逆变器 2 单相无源逆变器的电压控制脉宽调制改变脉冲数改变脉冲宽度 频率 电压协调控制 U f保持不变 如f降低则保持脉冲数不变 间隔拉大使输岀电压U降低 64 10 4 2无源逆变器 2 单相
