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1、第十章第十章 电力电子学电力电子学-晶闸管及其基本电路晶闸管及其基本电路晶闸管的基本工作原理晶闸管的基本工作原理基本整流电路及其工作原理基本整流电路及其工作原理基本逆变电路及其工作原理基本逆变电路及其工作原理触发电路的基本工作原理触发电路的基本工作原理1机电传动控制10晶闸管课件别名：别名：可控硅（可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是是一种大功率半导体器件，出现于一种大功率半导体器件，出现于60年代。它的出年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。特点：特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量
2、轻、无噪声、寿命长、 容量大（正容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。晶闸管晶闸管（Thyristor）优点：优点：功率放大倍数大功率放大倍数大：用很小的触发脉冲就可以控制：用很小的触发脉冲就可以控制很大的功率很大的功率（电流：几十电流：几十A-A-几千几千A,A,电压几百电压几百VV几千几千V V），功率放大倍数达几十万倍。功率放大倍数达几十万倍。控制灵敏控制灵敏：导通和关断时间很短（微秒级）。：导通和关断时间很短（微秒级）。效率高效率高：晶闸管的管压降很小，所以发热损耗小，：晶闸管的管压降很小，所以发热损耗小，效率达效率达97.5%97.5%
3、。体积小，重量轻体积小，重量轻。2机电传动控制10晶闸管课件缺点：缺点：过载能力差。过载能力差。抗干扰能力差（就是因为放大倍数大引起的）。抗干扰能力差（就是因为放大倍数大引起的）。容易导致电网电压波形畸变。容易导致电网电压波形畸变。控制电路复杂。控制电路复杂。应用领域：应用领域： 整流（交流整流（交流 直流）直流） 逆变（直流逆变（直流 交流）交流） 变频（交流变频（交流 交流）交流） 斩波（直流斩波（直流 直流）直流）此外还可作无触点开关等。此外还可作无触点开关等。3机电传动控制10晶闸管课件10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件10.1.1 10.1.1 晶闸管晶闸管 晶闸管的外
4、形晶闸管的外形: :螺栓形和平板形两种螺栓形和平板形两种 螺栓形带有螺栓的那一端是阳极螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A A，它可与散热器固定，它可与散热器固定， 另一端的粗引线是阴极另一端的粗引线是阴极K K， 细线是控制极细线是控制极( (又称门极又称门极)G)G， 这种结构更换元件很方便，用于电流这种结构更换元件很方便，用于电流较小较小(100A(100A以下以下) )的元件。的元件。 平板形，中间的金属环是控制极平板形，中间的金属环是控制极G G，离控制极远的一面是，离控制极远的一面是阳极阳极A A，近的一面是阴极，近的一面是阴极K K，这种结构散热效果比较好，用于，这种结构散热效果比较好
5、，用于电流较大的元件电流较大的元件(200A(200A以上以上) )4机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的内部结构晶闸管的内部结构 5机电传动控制10晶闸管课件A（阳极）（阳极）P1P2N1三三 个个 PN结结N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制极）（控制极）晶闸管的结构是由四层半晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个导体材料叠成三个PNPN结，结，并在对应的半导体材料上并在对应的半导体材料上引出了三个电极。这三个引出了三个电极。这三个电极分别称为：电极分别称为：AA阳极，阳极，GG控制极，控制极，KK阴极。阴极。 符号符号AKG6机电传动控制10晶闸管课件晶闸管试验晶闸管
6、试验0-t10-t1: :开开关未合关未合上，控制极对上，控制极对阴极的电压为阴极的电压为0 0，尽管阳极，尽管阳极对阴极的电压对阴极的电压为正，晶闸管为正，晶闸管未导通未导通. . t2-t3:t2-t3:阳极对阴极的阳极对阴极的电压为负，尽管控电压为负，尽管控制极对阴极的电压制极对阴极的电压也为正，晶闸管关也为正，晶闸管关断断 t4-t5:t4-t5:由由于于这这时时晶晶闸闸管管处处于于导导通通状状态态，则则 维维 持持 导导 通通 ； 当当t=tt=t5 5时时，由由于于，晶晶闸闸管管关关断断，晶晶闸闸管管处处于阻断状态。于阻断状态。 t3-t4:t3-t4:晶闸管的阳极对阴极晶闸管的阳
7、极对阴极又开始承受正向电压，这又开始承受正向电压，这时，控制极对阴极有正电时，控制极对阴极有正电压，所以，晶闸管又导通，压，所以，晶闸管又导通，电源电压再次加于上电源电压再次加于上t1-t2:t1-t2:阳极对阴极的电压为正，阳极对阴极的电压为正，由于开关合上，使得控制极由于开关合上，使得控制极对阴极的电压也为正，即晶对阴极的电压也为正，即晶闸管导通，晶闸管压降很小，闸管导通，晶闸管压降很小，电源电压加于电阻上电源电压加于电阻上 7机电传动控制10晶闸管课件GKP1P2N1N2APPNNNPAGK工作原理工作原理示意图示意图8机电传动控制10晶闸管课件APPNNNPGKigigigKAGT1T
8、2由二个三极管组由二个三极管组成的等效电路成的等效电路9机电传动控制10晶闸管课件G1.1.若只加若只加UAK正向电压，控制极不正向电压，控制极不加触发电压，两三极管均不能导通，加触发电压，两三极管均不能导通，即晶闸管不通。即晶闸管不通。导通过程导通过程2.2.当当UAK 0 0且且UGK0 时，晶闸时，晶闸管迅速导通。管迅速导通。 UGK开始加入时，开始加入时， T T1 1首先导通，首先导通， ib1 = ig、 iC1 = ib1 ； 然后然后T2导导通，通， ib2= iC1 = i ib1b1、ic2 = ib2 = ib1，此后，此后T T1进一步导通，进一步导通，形成正反馈形成正
9、反馈，A A、k k两极间迅速导通。两极间迅速导通。KAT1T2i b1ic2i c1i gi b210机电传动控制10晶闸管课件3.3.晶闸管导通后，去掉电压晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管仍维持导通状态；4.4.晶闸管截止的条件：晶闸管截止的条件：晶闸管的晶闸管的A、K两极间加反向电压，两极间加反向电压，或开始工作时就或开始工作时就不加触发信号（即令不加触发信号（即令UGK = 0 ），），晶闸管则不能导晶闸管则不能导通通；（1）（2）晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须减小减小UAK，或加大回路电阻，致使晶
10、闸管中的电流，或加大回路电阻，致使晶闸管中的电流减小到维持电流（减小到维持电流（I IH H）以下，正反馈失效，晶闸管）以下，正反馈失效，晶闸管截止。截止。11机电传动控制10晶闸管课件晶闸管特性晶闸管特性（1 1）若若控控制制极极不不加加正正向向电电压压，则则不不论论阳阳极极加加正正向向电电压压还还是是反反向向电电压压，晶晶闸闸管管均均不不导导通通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；（2 2）晶晶闸闸管管的的阳阳极极和和控控制制极极同同时时加加正正向向电电压压时时才才能能使使晶晶闸闸管管导导通通，这这是是晶晶闸闸管管导导通通必必须须同时具备的两个条件；同时具
11、备的两个条件；（3 3）在在晶晶闸闸管管导导通通之之后后，其其控控制制极极就就失失去去控控制制作作用用，欲欲使使晶晶闸闸管管恢恢复复阻阻断断状状态态，必必须须把把阳阳极极正正向向电电压压降降低低到到一一定定值值（或或断断开开，或或反反向）。向）。 （4 4）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降为阳极与阴极间的管压降为1V1V左右，而电源电左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。晶闸管的压几乎全部分配在负载电阻上。晶闸管的PNPN结可通过几十安结可通过几十安 几千安的电流。晶闸管触几千安的电流。晶闸管触发导通的时间为几微秒。发导通的时间为几
12、微秒。 AP1P2N1N2KG12机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性（1 1）正正向向阻阻断断状状态态：晶晶闸闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间加加上上正正向向电电压压，而而晶晶闸闸管管控控制制极极开开路路（I Ig g=0=0）情情况况下下，开开始始元元件件中中有有很很小小的的电电流流（称称为为正正向向漏漏电电流流）流流过过，晶晶闸闸管管阳阳极极与与阴阴极极间间表表现现出出很很大大的的电电阻阻，处处于于截截止止状状态态（称称为为正正向向阻阻断断状状态态），简简称称断断态态。图中第一象限红色段曲线。图中第一象限红色段曲线。（2 2）正正向向击击穿穿：在在控控制制极极开开
13、路路的的情情况况下下，当当阳阳极极电电压压上上升升到到某某一一数数值值时时，晶晶闸闸管管突突然然由由阻阻断断状状态态转转化化为为导导通通状状态态。阳阳极极这这时时的的电电压压称称为为断断态态不不重重复复峰峰值值电电压压（U UDSMDSM），或或称称正正向向转转折折电电压压（U UBOBO）。导导通通后后，元元件件中中流流过过较较大大的的电电流流，其其值值主主要要由由限限流流电电阻阻（使使用用时时由由负负载载）决决定定。图图中第一象限绿色段曲线。中第一象限绿色段曲线。AKG13机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性(5)(5) 反反向向击击穿穿：当当反反向向电电压压增增大大
14、到到某某一一数数值值时时，反反向向漏漏电电流流急急剧剧增增大大，这这时时，所所对对应应的的电电压压称称为为反反向向不不重重复复峰峰值值电电压压（U URSMRSM），或或称称反反向向转转折折（击击穿穿）电电压压（U URRRR）。图图中中第三象限绿色段曲线。第三象限绿色段曲线。 （3 3）正正向向导导通通状状态态：晶晶闸闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间加加上上正正向向电电压压，晶晶闸闸管管控控制制极极加加上上正正向向电电压压的的情情况况下下，晶晶闸闸管管导导通通，阳阳极极电电流流的的大大小小由由负负载载决决定定，阳阳极极和和阴阴极极间间的的管管压压降降很很小小。图图中中第一象限蓝色段曲线。第
15、一象限蓝色段曲线。（4 4）反反向向截截止止状状态态：在在晶晶闸闸管管阳阳极极与与阴阴极极间间加加上上反反向向电电压压时时，开开始始晶晶闸闸管管处处于于反反向向阻阻断断状状态态，只只有有很很小小的的反反向向漏漏电电流流流流过过。图图中中第三象限黄色段曲线。第三象限黄色段曲线。 14机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1. 1.断态重复峰值电压断态重复峰值电压UIIHUDSM正向转折正向转折电压电压URSMUDRM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折在晶闸管两
16、端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折电压小电压小100V100V。15机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2 2）反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在在控控制制极极断断路路时时，可可以以重重复复加加在在晶晶闸闸管管元元件件上上的的反反向向峰值电压，此电压数值规定比实测反向击穿电压小峰值电压，此电压数值规定比实测反向击穿电压小100V100V。UIIHUDSMURSM反向击穿电压反向击穿电压URRMUDRM16机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.3.额定通态平均电流（额定正向平均电流）额定通态平均电流（额定正向平均电流） I
17、 IT T在在环环境境温温度度不不大大于于4040度度和和标标准准散散热热及及全全导导通通的的条条件件下下，晶晶闸闸管管元元件件可可以以连连续续通通过过的的工工频频正正弦弦半半波波电电流流（在在一一个个周周期期内内）的的平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。即：平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。即：通常，在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的通常，在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的多少安的晶闸管，就是指这个。多少安的晶闸管，就是指这个。 itIT含义含义 2 IT17机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.3.额定通态平均电流（额定正向平均电流
18、）额定通态平均电流（额定正向平均电流） I IT T18机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.3.额定通态平均电流（额定正向平均电流）额定通态平均电流（额定正向平均电流） I IT T19机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数20机电传动控制10晶闸管课件晶闸管的型号及其含义晶闸管的型号及其含义3 C T / 3极极N型硅型硅材料材料晶闸管晶闸管断态重复断态重复峰值电压峰值电压额定通态额定通态平均电流平均电流21机电传动控制10晶闸管课件晶闸管好坏的判断方法晶闸管好坏的判断方法测试点表内电池极性表测量范围测量结果A-K顺向或逆向均可1K档高阻抗（电阻
19、无穷大）A-G顺向或逆向均可1K档高阻抗（电阻无穷大）K-G顺向电压：“”接G “”接K逆向电压：“”接G “+”接K1档10-10050-500AP1P2N1N2KG22机电传动控制10晶闸管课件10.1.210.1.2其它功率器件其它功率器件1.1.双向晶闸管双向晶闸管NPNPNNPNPN特点：特点：控制极对于电源的两个半周控制极对于电源的两个半周都有触发控制作用，即双方向均可都有触发控制作用，即双方向均可由控制极触发导通，相当于两只普由控制极触发导通，相当于两只普通的通的晶闸管反并联晶闸管反并联23机电传动控制10晶闸管课件2.2.可关断晶闸管可关断晶闸管（GTOGTO）PNPNPNPN
20、特点：特点：1.GTO的控制极可以控制元件的导的控制极可以控制元件的导通和关断（通过改变控制极性），通和关断（通过改变控制极性），而而晶闸管只能控制元件的导通，但晶闸管只能控制元件的导通，但GTO控制电流比晶闸管大。控制电流比晶闸管大。2.2.GTOGTO的动态特性较晶闸管好：的动态特性较晶闸管好：两者导通时间相差不多两者导通时间相差不多但断开时间：但断开时间：GTO: 1usGTO: 1us 晶闸管晶闸管:(5-30)us :(5-30)us AP1P2N1N2KG符号符号AKG24机电传动控制10晶闸管课件3.3.功率晶体管功率晶体管特点：特点：功率晶体管功率晶体管可在高电压和可在高电压和
21、强电流下使用，最大定额强电流下使用，最大定额为：为：1400V和和400A。但不能达到但不能达到晶闸管那样高晶闸管那样高的电压和电流额定值。的电压和电流额定值。4.4.大功率二极管大功率二极管加正向电压，导通；加正向电压，导通；加反向电压，截止。加反向电压，截止。25机电传动控制10晶闸管课件10.2 10.2 单相可控硅整流电路单相可控硅整流电路26机电传动控制10晶闸管课件10.2.110.2.1单相半波可控硅整流电路单相半波可控硅整流电路1.1.电阻负载电阻负载为导通角：为导通角：晶闸管在一个晶闸管在一个周期时间内导周期时间内导通的电角度通的电角度范围：范围： , 0为控制角为控制角：晶
22、闸：晶闸管从承受正向电管从承受正向电压起始点到触发压起始点到触发脉冲的作用点之脉冲的作用点之间的电角度间的电角度范围：范围：0, + = + = 27机电传动控制10晶闸管课件晶闸管承受的最高正向和反向电压晶闸管承受的最高正向和反向电压:28机电传动控制10晶闸管课件输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值29机电传动控制10晶闸管课件2.2.电感性负载电感性负载电感具有阻电感具有阻碍电流变化碍电流变化的作用的作用30机电传动控制10晶闸管课件当电源电压下降以及过零变当电源电压下降以及过零变负时，电感产生的自感电势负时，电感产生的自感电势e eL L阻碍电流减小。阻碍电流减小。只要只要e
23、eL L大于电源的负电压，大于电源的负电压，负载上电流将继续流通，晶负载上电流将继续流通，晶闸管继续导通，这时，电感闸管继续导通，这时，电感中储存的能量放出来，一部中储存的能量放出来，一部分消耗在电阻上，一部分回分消耗在电阻上，一部分回送到电源去，因此，负载上送到电源去，因此，负载上电压瞬时值出现负值。电压瞬时值出现负值。当电流上升时，电感两端的自感电势当电流上升时，电感两端的自感电势e eL L阻碍电流的上升，所以，晶闸管触阻碍电流的上升，所以，晶闸管触发导通时，电流要从零逐渐上升。电发导通时，电流要从零逐渐上升。电感储存能量。感储存能量。到某一时刻，当流过晶到某一时刻，当流过晶闸管的电流小
24、于维持电闸管的电流小于维持电流时，晶闸管关断，并流时，晶闸管关断，并且立即承受反向电压。且立即承受反向电压。31机电传动控制10晶闸管课件加续流二极管加续流二极管D D，用于消除反电动势的用于消除反电动势的影响，使晶闸管在影响，使晶闸管在u u2 2过零后过零后关断。关断。输出电压输出电压u ud d与与的关系也与电阻性的关系也与电阻性负载一样。负载一样。负载电流的波形与电阻性负载时有负载电流的波形与电阻性负载时有很大不同：在晶闸管导通期间负载很大不同：在晶闸管导通期间负载电流电流i id d由电源提供，而当晶闸管关由电源提供，而当晶闸管关断时，则由电感通过续流二极管来断时，则由电感通过续流二
25、极管来提供。提供。流过二极管平均电流：流过晶闸管平均电流：32机电传动控制10晶闸管课件10.2.2 10.2.2 单相桥式可控硅整流电路单相桥式可控硅整流电路VS1VS1和和VS2VS2是是晶闸管晶闸管，V1V1和和V2V2是不可控的二极是不可控的二极管管1.1.单相半控整流桥单相半控整流桥-电阻性负载电阻性负载U2 U2 在正半周时的电流：在正半周时的电流：VS1-R-V2VS1-R-V2U2 U2 在负半周时的电流：在负半周时的电流：VS2-R-V1VS2-R-V133机电传动控制10晶闸管课件输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值元件承受的最高正反元件承受的最高正反向电压为电源电
26、压的向电压为电源电压的最大值最大值: :工作波形工作波形34机电传动控制10晶闸管课件2.2.单相半控整流桥单相半控整流桥-电感性负载电感性负载V1V1、V2V2形成形成续流续流VS1VS1、VS2VS2阴阴极没有公共极没有公共点，因此，点，因此，如果用一套如果用一套触发电路时，触发电路时，必须采用具必须采用具有两个线圈有两个线圈的脉冲变压的脉冲变压器供电器供电比较比较V1V1和和V2V2电流大小？电流大小？35机电传动控制10晶闸管课件四四只只整整流流二二极极管管组组成成单单相相桥桥式式电电路路，将交流电整流成脉动的直流电；将交流电整流成脉动的直流电；用用一一只只晶晶闸闸管管进进行行控控制制
27、，改改变变晶晶闸闸管管的控制角，即可改变其输出电压。的控制角，即可改变其输出电压。本本电电路路带带电电阻阻性性负负载载时时，其其输输出出电电压压平均值的计算公式与半控桥一样；平均值的计算公式与半控桥一样；带带电电感感性性负负载载时时，为为了了避避免免晶晶闸闸管管失失控控，必必须须在在负负载载两两端端并并接接续续流流二二极极管管，否否则则，电电感感性性电电流流会会在在电电源源电电压压为为零零时时维维持持晶晶闸闸管管导导通通，而而使使晶晶闸闸管管无无法法关断，造成失控。关断，造成失控。36机电传动控制10晶闸管课件3.3.单相半控整流桥单相半控整流桥-反电势负载反电势负载晶闸管截止时，负载上的电压
28、等于反电动势晶闸管截止时，负载上的电压等于反电动势反电势负载上的平均电压可能高于纯电阻负载反电势负载上的平均电压可能高于纯电阻负载平均输出电流平均输出电流: :I Id d=(U=(Ud d-E)/R-E)/R电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用差，晶闸管必须降低电流定额使用电源电压高于反电势，有触发脉冲，晶闸管才导通电源电压高于反电势，有触发脉冲，晶闸管才导通37机电传动控制10晶闸管课件4.4.单相半控整流桥单相半控整流桥-反电势反电势+ +电抗负载电抗负载串联电抗器，用串联电抗器，用以平滑电流的
29、脉以平滑电流的脉动动38机电传动控制10晶闸管课件5.5.单相全控整流桥单相全控整流桥电阻性负载和半控整流电阻性负载和半控整流相同，控制角范围为：相同，控制角范围为：0, 电感性负载时，如果有电感性负载时，如果有续流二接管也和半控整续流二接管也和半控整流一样流一样无续流二极管时，可以无续流二极管时，可以逆变，即电压为负。逆变，即电压为负。主要用于需要正反主要用于需要正反转的逆变电路中；转的逆变电路中；一般采用半控桥电一般采用半控桥电路。路。39机电传动控制10晶闸管课件例：例：桥式可控整流电路中，桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3 ,可控硅可控硅控制角控制角 =15180 ，求输，求
30、输出电压平均值出电压平均值Ud的调节范的调节范围，以及可控硅（包括二围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电大值和承受的最大反向电压。压。T1T2D1D2RLuLu2AB+-=191V， =15 =0V， =180 =191/3=64A承受的最高反向电压承受的最高反向电压:40机电传动控制10晶闸管课件如图所示，如图所示，R=5欧，电源电压欧，电源电压U2=220V,晶闸管控制角晶闸管控制角为为60度，试求：度，试求：1）输出直流电压和负载电流）输出直流电压和负载电流2）晶闸管和二极管）晶闸管和二极管V1、V2的导通角、的导通角、电流平均值和有效
31、值、电流平均值和有效值、 V3的导通角？的导通角？3）晶闸管的最大正反向电压）晶闸管的最大正反向电压解：解：1）输出直流电压输出直流电压 2）负载电流负载电流Id=Ud/R30A晶闸管与二极管晶闸管与二极管V1、V2导通角导通角=180-=120续流二极管续流二极管V3导通角导通角V3=2-2 =360- 240=120晶闸管与二极管晶闸管与二极管V1、V2电流平均值电流平均值IdVS=( / 2 )* Id =10A晶闸管与二极管晶闸管与二极管V1、V2电流有效值电流有效值 3）晶闸管的最大正反向电压为晶闸管的最大正反向电压为41机电传动控制10晶闸管课件10.3 10.3 三相可控整流电路
32、三相可控整流电路10.3.110.3.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路1.1.电阻性负载电阻性负载整流变压器副边整流变压器副边接成星形，有个接成星形，有个公共零点公共零点“0”“0”，所以也叫三相零所以也叫三相零式电路式电路U UA A、U UB B、U UC C分别表示三相对分别表示三相对“0”“0”点的点的相电压，有效值为相电压，有效值为U U2P2P触发顺序：触发顺序：VS1VS1、VS2VS2、VS3,VS3,触发脉冲的间隔为触发脉冲的间隔为2 2 /3/3（120120度）度）晶闸管承受的最大正晶闸管承受的最大正 向电压为向电压为:相电压最大值相电压最大值晶闸管承受的最大反
33、向电压为：线电压最大值晶闸管承受的最大反向电压为：线电压最大值42机电传动控制10晶闸管课件三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路-电阻性负载电阻性负载 =0=0的情况的情况43机电传动控制10晶闸管课件三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路-电阻性负载电阻性负载00 = /6/6的情况的情况44机电传动控制10晶闸管课件三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路-电阻性负载电阻性负载 /6/6 =5=5 /6/6的情的情况况结论：三相半波可控整流电路带电阻性负载结论：三相半波可控整流电路带电阻性负载 范围：范围：0,5/645机电传动控制10晶闸管课件三相半波可控整流电路三相半波可控整流电
34、路2.2.电感性负载电感性负载46机电传动控制10晶闸管课件三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.2.电感性负载电感性负载结论：三相半波可控整流电路带结论：三相半波可控整流电路带电感性负载，电感性负载， 范围：范围：0,/247机电传动控制10晶闸管课件三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路由于续流二极管的作由于续流二极管的作用，负载上的电压波用，负载上的电压波形同电阻性负载，电形同电阻性负载，电流波形同电感性负载流波形同电感性负载导通角同电阻性负载导通角同电阻性负载三相半波可控整流电路优缺点三相半波可控整流电路优缺点比较容易实现比较容易实现220V220V直流只需三只晶闸管直流只需三
35、只晶闸管晶闸管承受反向电压高晶闸管承受反向电压高变压器每相绕组只有变压器每相绕组只有1/31/3时间通电，利用效率低时间通电，利用效率低变压器通过单方向电流，产生直流磁势，造成铁芯饱和，变压器通过单方向电流，产生直流磁势，造成铁芯饱和，附加损耗和发热附加损耗和发热电感性负载电感性负载, ,有续流二极管有续流二极管48机电传动控制10晶闸管课件共阴、共阳串联的三相桥式整流电路共阴、共阳串联的三相桥式整流电路作共阳极组整流电路作共阳极组整流电路 49机电传动控制10晶闸管课件三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路50机电传动控制10晶闸管课件各种整流方式比较电路名称电路名称特点特点适应范围适应范
36、围单相半波电单相半波电路路电路最简单，各项电路最简单，各项指标都较差指标都较差只适用于小功率和只适用于小功率和输出电压波形要求输出电压波形要求不高的场合不高的场合单相桥式电单相桥式电路路各项性能较好，电各项性能较好，电压脉动频率较大压脉动频率较大最适合于小功率的最适合于小功率的电路电路直流负载侧直流负载侧的单相桥式的单相桥式电路电路只用一只晶闸管，只用一只晶闸管，接线简单，各项性接线简单，各项性能较好能较好一般用于小功率的一般用于小功率的反电势负载反电势负载三相半波可三相半波可控整流电路控整流电路各项指标都一般各项指标都一般用得不多用得不多三相桥式可三相桥式可控整流电路控整流电路各项指标都好，
37、元各项指标都好，元件承受的峰值电压件承受的峰值电压最低最低最适合于大功率高最适合于大功率高压电路压电路51机电传动控制10晶闸管课件10.4 10.4 逆变器逆变器整流：把交流电变成直流电整流：把交流电变成直流电逆变：把直流电变成交流电逆变：把直流电变成交流电变流器：一套装置可以实现整流和逆变双向过变流器：一套装置可以实现整流和逆变双向过程，叫变流器程，叫变流器有源逆变：变流器的交流侧接到电源，把直流有源逆变：变流器的交流侧接到电源，把直流电变成同频率的交流电反馈到电网中。电变成同频率的交流电反馈到电网中。无源逆变：交流侧接负载，把直流电变成频率无源逆变：交流侧接负载，把直流电变成频率可变的交
38、流电驱动负载。可变的交流电驱动负载。52机电传动控制10晶闸管课件10.4.1 有源逆变电路有源逆变电路1.整流状态整流状态(0/2)(0/2)常用的变流器，一边连着交流源，另一边连着直流源。常用的变流器，一边连着交流源，另一边连着直流源。整流：电能由交流侧传送到直流侧；整流：电能由交流侧传送到直流侧；逆变：电能由直流侧传送到交流侧。逆变：电能由直流侧传送到交流侧。53机电传动控制10晶闸管课件交流电源输出能量：交流电源输出能量：整流状态整流状态54机电传动控制10晶闸管课件2.逆变状态逆变状态(/2 )(/2 )55机电传动控制10晶闸管课件交流电源吸收能量：逆变状态交流电源吸收能量：逆变状
39、态56机电传动控制10晶闸管课件结论：结论：整流和逆变，交流和直流，在整流和逆变，交流和直流，在晶闸管变流器中晶闸管变流器中互相联系着，并在一定的条件下互相转化。当互相联系着，并在一定的条件下互相转化。当变流器工作在整流状态，就是整流电路；当变变流器工作在整流状态，就是整流电路；当变流器工作在逆变状态，就是逆变电路。流器工作在逆变状态，就是逆变电路。57机电传动控制10晶闸管课件10.4.2 10.4.2 无源逆变电路无源逆变电路基本原理基本原理S1S1、S4S4闭合，闭合，S2S2、S3S3断开断开S2S2、S3 S3 闭合，闭合， S1 S1、S4S4断开断开交流电的频率取决于两组开关每秒
40、内闭合与断开的次数交流电的频率取决于两组开关每秒内闭合与断开的次数要得到高频率交流电，用触点开关是不能实现的。要得到高频率交流电，用触点开关是不能实现的。58机电传动控制10晶闸管课件单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器VS2VS2、VS3VS3通通VS1VS1、VS4VS4断断VS1VS1、VS4VS4通通VS2VS2、VS3VS3断断二极管的作用：1、将无功能量反馈回电网2、续流保护和限压作用59机电传动控制10晶闸管课件单相无源逆变器的电压控制单相无源逆变器的电压控制通过控制输入直流电压（外部）通过控制输入直流电压（外部）通过控制脉冲宽度通过控制脉冲宽度缺点：谐波分量大缺点：谐波分量
41、大60机电传动控制10晶闸管课件脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）VS1VS1、VS4VS4与与VS2VS2、VS3VS3通通过高频调制控制过高频调制控制可以实现频率和电压协调控制；可以实现频率和电压协调控制；谐波分量没有得到抑制谐波分量没有得到抑制改进措施：使半个周期内多改进措施：使半个周期内多个脉宽以接近正弦规律变化个脉宽以接近正弦规律变化大大减小高次谐波成分大大减小高次谐波成分61机电传动控制10晶闸管课件无源逆变器的换相（换流）无源逆变器的换相（换流）在在t1t1时刻，时刻， VS1VS1、VS4VS4已导通，已导通，u ua a为正，为正，触发触发VS2VS2、VS3VS3由
42、于由于VS2VS2、VS3VS3导通，导通，a a点的电势为点的电势为b b点的电点的电势加势加u ua a高于高于M M点，所以点，所以VS1VS1截止。截止。所以必须保证所以必须保证UaUa为正时为正时从从VS1/VS4VS1/VS4切换到切换到VS2/VS3, VS2/VS3, UaUa为负时为负时从从VS2/VS3VS2/VS3切换到切换到VS1/VS4VS1/VS4，要求开关频率和要求开关频率和LCLC振荡器频率同振荡器频率同步。步。62机电传动控制10晶闸管课件10.5 10.5 闸管触发电路闸管触发电路提供足够大的触发电压和电流，提供足够大的触发电压和电流，4-10V4-10V要
43、求：要求：足够的触发脉冲宽度（足够的触发脉冲宽度（10us10us以上）以上）不触发时，电压要足够低不触发时，电压要足够低触发脉冲的前沿要低触发脉冲的前沿要低触发脉冲要和主电路同步触发脉冲要和主电路同步63机电传动控制10晶闸管课件单结晶体管单结晶体管 单单结结晶晶体体管管是是一一种种特特殊殊的的半半导导体体器器件件，它它有有三三个个电电极极，其其中中一一个个发发射射极极和和两两个个基基极极，故故又又叫叫双双基基极极二二极极管管。它它的的外外形形与与普普通通三三相相管管相相似，但特性与晶体三极管不同，其结构如图。似，但特性与晶体三极管不同，其结构如图。结构结构等效电路等效电路图形符号图形符号
44、：分压比（与管子结：分压比（与管子结构有关构有关 (0.3 - 0.9) (0.3 - 0.9)）64机电传动控制10晶闸管课件单结晶体管工作原理单结晶体管工作原理2.当当ue UA+UD = UP 时时PN结反偏，结反偏，ie很小；很小；3.当当 ue UP 时时PN结正向导通结正向导通, Rb1减小，减小， ie迅速增加，迅速增加， u ue e减小减小1.当当ue UA时，时，PN结反偏，结反偏，Rb2呈高阻呈高阻4.当当 ue 下降到下降到V点点 时时Rb1不再变化，不再变化， u ue e不再下不再下降，随降，随ie按线性增加。按线性增加。单结晶体管处于截止区单结晶体管处于截止区单结
45、晶体管处于截止区单结晶体管处于截止区单结晶体管处于负阻区单结晶体管处于负阻区单结晶体管处于饱和区单结晶体管处于饱和区65机电传动控制10晶闸管课件单结晶体管的自振荡电路单结晶体管的自振荡电路 在接通电源前，电容在接通电源前，电容C C上的电压为零。上的电压为零。合上电源开关合上电源开关S S时：时：电源电源E E 一方面通过一方面通过R1R1和和R2R2加于单结晶体管的加于单结晶体管的b1b1和和b2b2上，上，电电源源E E又又通通过过充充电电电电阻阻R R向向电电容容C C充充电电，电电压压便便按按指指数数曲曲线线逐逐渐升高。渐升高。U UC C在在较较小小时时，发发射射极极电电流流极极小
46、小，单单结结晶晶体体管管的的发发射射极极e e和和第第一基极之间处于截止状态；一基极之间处于截止状态；66机电传动控制10晶闸管课件单结晶体管的自振荡电路单结晶体管的自振荡电路 U UC C充充电电到到单单结结晶晶体体管管的的峰峰点点电电压压时时，e e和和b1b1间间由由截截止止变变为为导导通通，电电容容C C通过发射极通过发射极e e与第一基极迅速向电阻放电与第一基极迅速向电阻放电; ;由由于于R1R1阻阻值值较较小小，而而导导通通后后e e与与b1b1之之间间的的电电阻阻更更小小，因因此此，电电容容C C的放电速度很快，于是在的放电速度很快，于是在R1R1上得到一个尖峰脉冲输出电压。上得
47、到一个尖峰脉冲输出电压。由由于于R R的的阻阻值值较较大大，当当电电容容上上的的电电压压降降到到谷谷点点电电压压时时，经经R R供供给给的的电电流流便便小小于于谷谷点点电电流流，不不能能满满足足导导通通的的要要求求，于于是是e e与与b1b1之之间间电电阻阻迅速增大，单结晶体管便恢复截止。迅速增大，单结晶体管便恢复截止。此此后后电电源源E E又又对对电电容容C C充充电电，这这样样电电容容C C反反复复进进行行充充电电放放电电，结结果果在在电容电容C C上形成锯齿波电压，在上形成锯齿波电压，在R1R1上则形成脉冲电压，上则形成脉冲电压，67机电传动控制10晶闸管课件振荡电路参数振荡电路参数1.
48、1.Uc=Up Uc=Up 时，为保证晶体管导通，通过时，为保证晶体管导通，通过R R流入晶体管的流入晶体管的电流必须大于峰点电流电流必须大于峰点电流IpIp2.2.Uc=Uv Uc=Uv 时，为保证晶体管截止，通过时，为保证晶体管截止，通过R R流入晶体管的流入晶体管的电流必须小于谷点电流电流必须小于谷点电流IvIvR R必须满足必须满足UoUo的振荡周期主要决定于的振荡周期主要决定于C C的充电时间常数的充电时间常数RCRCUoUo的脉冲宽度主要决定于的脉冲宽度主要决定于C C的放电时间常数的放电时间常数R1CR1C68机电传动控制10晶闸管课件单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路实实际际
49、应应用用的的晶晶闸闸管管触触发发电电路路，要要求求在在晶晶闸闸管管承承受受正正向向电电压压的的半半周周内，控制极获得第一个正向触发脉冲的时刻内，控制极获得第一个正向触发脉冲的时刻( () )都相同。都相同。在在电电源源电电压压正正半半周周经经过过零零点点时时，触触发发电电路路的的电电容容C C 必必须须把把电电全全部部放掉，在下一个正半周再重新从零开始充电，放掉，在下一个正半周再重新从零开始充电，前面的单结晶体管振荡电路，不能直接用来作晶闸管的触发电路，前面的单结晶体管振荡电路，不能直接用来作晶闸管的触发电路，因为，晶闸管的主电路是接在交流电源上的，二者不能同步。因为，晶闸管的主电路是接在交流
50、电源上的，二者不能同步。69机电传动控制10晶闸管课件电电源源UsUs供供电电给给单单结结晶晶体体管管触触发发电电路路，则则每每当当电电源源电电压压过过零零时时，b1b2b1b2之之间间电电压压也也降降到到零零。eb1eb1之之间间导导通通，电电容容C C上上的的电电压压通通过过eb1eb1及及R1R1回回路路很很快快地地放放掉掉，使使电电容容每每次次均均能能从从零开始充电，从而获得与主电路的同步。零开始充电，从而获得与主电路的同步。触触发发电电路路每每周周期期工工作作两两个个循循环环，每每次次发发出出的的第第一一个个脉脉冲冲同同时时送送到到两两只只晶晶闸闸管管的的控控制制极极，但但只只能能使
51、使其其中中承承受受正正向向电电压压的的晶晶闸闸管导通。管导通。70机电传动控制10晶闸管课件第第一一个个脉脉冲冲发发出出后后，振振荡荡电电路路仍仍在在工工作作，电电容容继继续续充充电电和和放放电电，可可能能发发出出第第二二个个或或第第三三个个或或更更多多的的脉脉冲冲，但但由由于于晶晶闸闸管管已已因因第第一一个个脉脉冲冲触触发发而而导导通通，所所以以，后后面面的的脉脉冲冲就就不不起起作用了。作用了。当当电电压压过过零零反反向向时时，晶晶闸闸管管将将自自行行关关断断。移移相相控控制制时时只只要要改改变变R R，就就可可以以改改变变电电容容电电压压上上升升到到峰峰值值电电压压的的时时间间，亦亦即即改改变变电电容容开开始始放放电电产产生生脉脉冲冲使使晶晶闸闸管管触触发发导导通通的的时时刻刻，从从而达到移相的目的。而达到移相的目的。71机电传动控制10晶闸管课件
