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1、晶阐管及单相相控整流电路1晶闸管晶闸管晶闸管就是硅晶体闸流管，简称SCR。目前晶闸管的容量水平已达到8KV/6KA.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的外形与符号：23晶闸管的结构和等效电路： 晶闸管的管芯由四层半导体（P1N1P2N2）组成，形成三个PN结（J1J2J3）。特性：单向导电特性 正向阻断特性 可控特性关断条件：IaIH 4晶闸管的工作原理： 当管子阳极加上正向电压后，要使管子正向导通的关键是使J2结反向失去阻挡作用，当Q打开时，V1管的集电极电流Ic1即为V2管的基极电流Ib2；V2管集电极电流Ic2又是V1的基极电流Ib1，当Q合上时有足够的门极电流IG流入
2、，通过两管的电流放大作用，立即形成强烈的正反馈，瞬时使两管饱和导通。也就是晶闸管导通。56（1）晶闸管导通需具备两个条件：1.应在晶闸管的阳极与阴极 之间加上正向电压。2.应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 （2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。 （3）为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。7单相相控整流电路单相相控整流电路q掌握整流电路的类型、性能指标q掌握常用的单相、三相相控整流电路的工作原理不控整流不控整流是基础（使用是基础（使用二极管二极管）相控整流相控整流是主要内容（使用是主要内容（使用晶闸管晶闸管）单相桥
3、式和三相桥式相控整流电路是重点单相桥式和三相桥式相控整流电路是重点三相半波整流电路是其他三相整流电路的基本单元三相半波整流电路是其他三相整流电路的基本单元相控有源逆变相控有源逆变是相控整流的自然延伸是相控整流的自然延伸了解相控整流及相控有源逆变的了解相控整流及相控有源逆变的谐波问题谐波问题高频PWM整流能够改善整流电路技术性能(全控器件)8重要概念重要概念（1）整流：）整流：利用半导体电力开关器件的通、断控利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流制，将交流电能变为直流电能称为整流。（2）整流器（）整流器（rectifier）：）：实现整流的电力半导实现整流的电力半导体
4、开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。（3）逆变（）逆变（invert）是指把直流电能转换成交流）是指把直流电能转换成交流电能的变换，它相对于整流是一种逆向过程，其电能的变换，它相对于整流是一种逆向过程，其平均功率（能量）是从直流侧平均功率（能量）是从直流侧 流向交流侧的。流向交流侧的。（4）有源逆变与无源逆变）有源逆变与无源逆变9整流器的类型及性能指标整流器的类型很多，可归纳分类如下：1.按交流电源电流的波形可分为：（1） 半波整流。（2）全波整流。2.按交流电源的相数的不同可分为：（1） 单相整流。（2）三相整流。3.按整流电路中所使用的开关
5、器件及控制能力的不同可分为： (1） 不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按控制原理的不同可分为：（1） 相控整流。（2）高频PWM整流。10不控整流电路（缺点：输出电压平均值不能调节）定义：在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流-直流电能变换的电路。分析法：二极管的单向导电性是分析二极管电路的基本原则。内容安排： 单相半波不控整流单相半波不控整流 两相半波不控整流（或双半波不控整流）两相半波不控整流（或双半波不控整流） 单相桥式不控整流单相桥式不控整流 三相半波不控整流三相半波不控整流 11单相半波不控整流12整流电压直流平均值整流电压直流平均值 V
6、VD D只与只与V VS S有关，不能被调控；有关，不能被调控；仅正半周有输出：在一个电源周期中仅仅正半周有输出：在一个电源周期中仅一个电压脉波（脉波数），称为一个电压脉波（脉波数），称为“半波半波”；输出电压脉动大，脉动频率低，难；输出电压脉动大，脉动频率低，难于滤波。于滤波。电源电流中的直流分量很大。电源电流中的直流分量很大。故很少实用。故很少实用。13单相桥式不控整流电路14相控整流电路单相桥式晶闸管相控整流电路单相桥式半控整流电路三相半波相控整流电路三相桥式相控整流电路15单相桥式全控整流电路v1vST1T2T3T4Rabidd( )ai1is主电路16T1、T4一一组组， T2、T3
7、一一组组：两两组组间间、上上下下桥桥臂臂间间触触发发脉脉冲冲相相差差180电角度。电角度。17几个名词术语几个名词术语（1）控制角）控制角: 从从SCR承受正向电压时刻起到触发脉冲承受正向电压时刻起到触发脉冲 前沿时刻之间的时间所对应的电角度。前沿时刻之间的时间所对应的电角度。 把不控器件（二极管）的导通时刻后移的电角度。把不控器件（二极管）的导通时刻后移的电角度。（2）元件导通角）元件导通角（导电角）：（导电角）：元件在一周期内导通的时间所对应的电角度。本例元件在一周期内导通的时间所对应的电角度。本例=-（3）移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变控制角大小。）移相：改变触发脉冲出现时刻，即改变
8、控制角大小。 改变改变角的大小就可以控制输出电压的大小实现角的大小就可以控制输出电压的大小实现“移相移相控制控制”，被简称，被简称“相控相控”。（4）移相范围：控制角）移相范围：控制角能够变化的范围，本例能够变化的范围，本例0180（5）换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件）换相（换流）：电流从一个元件转移到另一个元件的过程。的过程。18基本量的计算19（2）输出直流电流平均值）输出直流电流平均值ID ：（3）晶闸管）晶闸管电流电流的的有效值有效值IT :20负载电流iD脉动很小，近似平行于横标；大小：晶闸管的电流iT为180单向矩形波 电源电流is为180正、负矩形波。 基波电流有效
9、值 电源基波功率因数角1 ； 越大，cos1越小。（结论适于所有相控整流电路）2122q原理及波形分析：q与两相半波电路相比：整流输出电压和交流电源电流波形性与两相半波不控整流相同。多用了两个二极管，但可不用有中心抽头的变压器。q中小容量的不控整流领域应用广泛。23单相桥式半控整流电路电路电路24波形25与单相全控桥相比（1）电路特点：晶闸管共阴接法；因少用2只晶闸管，触发装置较简单。（2）续流二极管D0：若没有D0,，在大电感负载时电路会失控。（3）的移相范围为180，（4）输出电压只能为正值，平均值26原理及波形：一周期中，A相D1、B相D3、C相D5依序各导电120。，整流电流为120脉
10、宽直流；整流电压由三个相同的脉波组成（脉波数m3）；直流平均值的数值较高：整流电压脉动较小，脉动频率为电源频率3倍；电源电流含有很大的直流分量较少实用。 27三相半波相控整流电路三相半波相控整流的特点： （1）两种接法：共阴接法、共阳接法）两种接法：共阴接法、共阳接法（2）它它是是组组成成其其他他各各种种三三相相整整流流电电路路的的基基础础，是分析理解后续各种三相整流电路的基础。是分析理解后续各种三相整流电路的基础。（3）交交流流侧侧电电流流中中直直流流分分量量很很大大，因因而而应应用用不多不多28三相桥式相控整流电路常用的三种三相桥式整流电路：不控整流（a）全控整流（b）：不控整流电路中的二
11、极管换成晶闸管半控整流（c）：不控整流电路中共阴接法的二极管换成晶闸管29三相桥式全控整流电路一、基本工作原理 1、全控桥中晶闸管的触发脉冲安排：（1）晶闸管触发次序:按1234561的顺序循环，各脉冲依次互差60（2）欲使电源接通到负载上，任何时刻都必须有两个晶闸管同时导通，因此每个触发脉冲的宽度要超过1/6Ts； 或是采用双脉冲触发方式:给一个晶闸管发一个窄触发脉冲后，间隔60再补发另一窄脉冲。 （3）T1T3T5 的触发脉冲间相位相差120 （T2T4T6亦如此）所以晶闸管最大导电角为12030阻性负载时不控整流及0的全控整流：6个自然换相点把一个周期分成6个相等的时段：三相电压瞬时值最
12、正的一相上管自然导通，换相点为1、3、5；瞬时值最负的一相下管自然导通，换相点为2、4、6。任何时刻上下各有一个二极管导通，把线电压最大的瞬时值接至负载。图(c)粗线 31三相半控桥式整流电路的特点 其性能比三相半波相控整流电路优越之处是：（1） 交流电源电流中无直流分量，交流电源或供电变压器不存在直流磁化问题。（2）输出电压不可能为负值，且大小高1倍。（3） 由于三个共阳极的二极管构成三相半波不控整流处于自然换相状态，电源基波电流与电源电压同相位，因此交流侧功率因数比三相半波相控整流要高些。32相控有源逆变电路工作原理相控有源逆变电路工作原理把直流变换成交流的变换称之为把直流变换成交流的变换
13、称之为逆变逆变实现逆変的电路及装置称逆変电路、逆实现逆変的电路及装置称逆変电路、逆変器変器有源逆变有源逆变是把直流电能所转换的交流电是把直流电能所转换的交流电能输送给交流电网能输送给交流电网33逆变：逆变：对应于整流的逆过程，将直流电转变为交流电。逆变电路：逆变电路：能够实现直流电逆变为交流电的电路。变流电路（变流器）：变流电路（变流器）：整流和逆变两种工作状态可依照不同的工作条件相互转化的同一晶闸管电路。逆变电路的分类逆变电路的分类有源逆变：有源逆变：将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。无源逆变：无源逆变：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接接到负载，
14、即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载34以三相全控桥式电路为例，这时电流Id仍保持与整流运行状态相同的流动方向，但Ud改变了极性，功率由直流侧流向可控整流电路的交流侧电网。三相可控整流电路的这种逆变模式的工作状态，只有如图所示在直流侧存在一个稳定的能源时才是有可能的。这个稳定的能源可以是一个光电或风电发电系统所转换出来的电能，经过逆变电路变换成三相交流电再连接到统一的电网中去。逆变可以节能、提高系统性能的作用。如：有轨电车的制动、吊车的下放货物、电气可逆调速系统等。注意，两个电源的不能形成顺向串联35有源逆变的条件：有源逆变的条件：（1 1）外部条件：）外部条件：要有一个能提供逆
15、变能量的直流电源，且极性必须与直流电流方向一致，其电压值要稍大于 。（2 2）内部条件：）内部条件：变流电路必须工作在 区域，使直流端电压 的极性与整流状态时相反，才能把直流功率逆变为交流功率返送电网。 为了保证电流连续，逆变电路中一定要串接大电感。36晶闸管相控有源逆变也有广泛的应用领域1、直流电机四象限传动系统直流电机的转矩直流电机的转矩 正比于电枢电流正比于电枢电流 ，转速，转速N正比于电枢电正比于电枢电压压，改变，改变 、 的大小和方向即可使电机四象限运行（分别的大小和方向即可使电机四象限运行（分别对应正、反方向旋转时的电动机、发电机工作情况）。对应正、反方向旋转时的电动机、发电机工作
16、情况）。 控制控制一个三相全控桥型晶闸管相控整流电路一个三相全控桥型晶闸管相控整流电路，改变控制，改变控制角可以输出单方向电流和可正、可负的直流电压。角可以输出单方向电流和可正、可负的直流电压。 再用再用另一个同样的三相全控桥型晶闸管相控整流电路另一个同样的三相全控桥型晶闸管相控整流电路，改变其控制角又可输出一个反方向的电流和输出电压为可改变其控制角又可输出一个反方向的电流和输出电压为可正、可负的直流电压。正、可负的直流电压。 将两个三相桥电路反并联将两个三相桥电路反并联对直流电机提供四象限电源，对直流电机提供四象限电源，实现直流电机的四象限运行（或可逆传动）实现直流电机的四象限运行（或可逆传
17、动）。 37全控型电力电子器件全控型电力电子器件电力电子器件概述电力电子器件概述（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。38电力电子器件的分类电力电子器件的分类（一）按器件的开关控制特性分（一）按器件的开关控制特性分1.1.不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）；2.2.半控型器件：半
18、控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；3.3.全控型器件：全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET） 绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 39（二）按控制信号的性质不同分（二）按控制信号的性质不同分 电流控制型器件：电流控制型器件： 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。 如：晶闸管、门
19、极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； 40 电压控制半导体器件：电压控制半导体器件： 这类器件采用电压（场控原理）控制它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为 MOSFET和IGBT。41（三）根据内部载流子参与导电（三）根据内部载流子参与导电的种类分的种类分1.1.单极型：单极型：器件内只有一种载流子参与导电。 如：功率MOSFET（功率场效应晶体管） SIT（静电感应晶体管）2.2.双极型：双极型：器件内电子与空穴都参与导电。 如：GTR（电力晶体管） GTO（可关断晶闸管） SITH（静电感应晶闸管）3.3.复合型：复合型：由双极
20、型器件与单极型器件复合而成 如：IGBT（绝缘栅双极晶体管） MCT（MOS控制晶闸管）42附表附表附表附表: : : : 主要电力半导体器件主要电力半导体器件主要电力半导体器件主要电力半导体器件的特性及其应用领域的特性及其应用领域的特性及其应用领域的特性及其应用领域器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5 5k kV V/ /3 3k kA A4 40 00 0H Hz z各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管可控可控导通导通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR
21、炼炼钢钢厂厂、轧轧钢钢机机、直直流流输输电电、电解用整流器电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自关自关断型断型6kV/6kA500Hz工工业业逆逆变变器器、电电力力机机车车用用逆逆变变器、无功补偿器器、无功补偿器MOSFETMOSFET600V/70A100kHz开开关关电电源源、小小功功率率UPSUPS、小小功功率逆变器率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各各种种整整流流/ /逆逆变变器器（UPSUPS、变变频频器器、家家电电）、电电力力机机车车用用逆逆变变器、中压变频器器、中压变频器43变频器的主要类别变频器的主要类别44风机、水
22、泵用风机、水泵用变频器变频器453.高性能高性能46具有电源再生功能的变频器具有电源再生功能的变频器47变频器的分类及其特点48变频器最基本的最常用的一些功能一、实现软起动三相异步电动机直接起动时，起动电流往往是额定电流的47倍，易使电机内部过热，并使电网电压波动。采用变频器控制电动机低速起动时，通过控制电动机定子电压和频率，保持电动机磁通不饱和，输出恒转矩，可严格控制起动电流，实现软起动。49二、良好的调速性能三相异电动机转速公式为。其中代表同步转速，代表电源频率，代表电机的极对数。从转速公式中可以看出，如果改变电源频率，即改变了三相异步电动机的转速。一般通用变频器频率从0400Hz连续可调
23、，具有良好的调速性能。50三、回避频率设定有些设备当电动机在某一转速运行时会产生谐振。变频器通过频率设定能避开谐振频率，有效保护设备的机械部分不受损坏。51四、频率跟踪功能变频器可以进行频率跟踪，即有些设备在断电或出现其他情况造成突然停车而再次运行时，电动机能跟踪停转时的频率继续运行。52五、频率限制功能变频器的输出频率不能超过电动机的额定频率，否则将损坏电动机。变频器可以限制最高运行频率和最低运行频率以保护电动机。53变频器的运行功能工作频率的给定 本书对于变频器的给定频率与输出频率的概念作如下的区分： 给定频率与给定信号对应的频率。给定信号不变，给定频率也不变。 输出频率变频器实际输出的频
24、率。在转差补偿控制和矢量控制时，为了使拖动系统的转速保持恒定，变频器的输出频率是随着负载的变化而经常被调整的，因而是经常变动的、不固定54频率的给定方法变频器一般采用计算机控制，集现代电子信息技术于一体，因此为使用者方便，提供了适用于各种控制方式的方法，如：面板给定、预置给定、外部给定等方法。一一、面板给定、面板给定 利用面板上键盘的数字增加键和数字减小键来进行频率的数字量给定和调整。 二二、预置给定、预置给定 通过程序预置的方法预置给定频率。起动时，按运行键(RUN或FWD或REV键)，变频器即自行升速至预置的给定频率为止。 55外部给定从控制接线端上，引入外部的电压或电流信号，进行频率给定
25、，这种方法常用于远程控制的情况下。所有的变频器都为用户提供了可以进行外接给定的控制信号输入端。 56变频器的外接给定配置所有的变频器都为用户提供了可以进行外接给定的控制信号输入端。 不同的变频器对外接电压给定信号的规定也各不相同。主要有以下几种：0一+10V；0一-10V；0一+5V；0一- 5V。其中，带“”号者，变频器可根据给定信号的极性来决定电动机的旋转方向57外接电压给定信号又有两种给定方式： (1)直接输入电压信号，通常用于和计算机或其他控制装置配用的情况。 (2)利用变频器内部的控制电压，由外接电位器取出电压给定信号。58外接电流给定信号端.当外接给定信号为电流信号时，将外接信号线
26、接到此接线端上。 电流给定信号具有抗干扰能力强、不受线路压降影响等优点。故在控制距离较远时，以采用电流给定方式为好。 多数变频器对外接电流给定信号的取值范围都是420mA，有的变频器也可以选用020mA的取值范围。59外接辅助给定信号端有的变频器为用户提供了外接辅助给定信号端，用来接入反馈信号或其他辅助控制信号。辅助给定信号将和主控给定信号叠加。当主控给定信号断开时辅助给定信号也可代替主控给定信号控制变频器的工作频率。 外接辅助给定信号通常都是电压信号。60变频调速的升速和降速异步电动机在额定频率、额定电压直接起动时，起动电流可达到额定电流的47倍，这将对电源形成冲击，引起电网电压的波动。此外
27、，起动过程过于快捷，常常对机械负载形成冲击，缩短机械传动部分的使用寿命，在水泵管道系统中，还会引发水锤效应，使管道受到损害。使用变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以将起动电流限制在一定范围内实现软起动，机械冲击大大减少，这种起动特性是十分优越的 61变频器型号和容量的选择变频器型号和容量的选择一、变频器的控制方式型号选择变频器能针对电动机自身特性、负载的机械特性、运行速度等对其输出电压(电流)和频率进行最佳控制，从而实现对电动机的变速控制。变频器控制方式大体分为：1. VF(电压频率)控制2. 矢量控制62VF(电压频率)控制方式在改变变频器输出频率
28、的同时也改变电压，使电动机磁通保持一致，使电动机在调速范围内运转时的效率、功率因数不下降。作为变频器调速控制方式，VF控制简单，通用变频器都具有VF控制功能。正确选用VF曲线，能使风机、泵类、生产流水线传动、家用空调器等节能运行。矢量控制变频调速系统使得异步电机的调速可以获得和直流电动机相比美的高精度和快速响应性能，比VF控制更优。63矢量控制的设定在设定矢量控制时，一般有以下限制： (1)电动机的容量与变频器的容量要相当，最多差一个等级。例如，当变频器规定的配用电动机容量为10kW的，电动机的容量也应该是10kw的，或75kw的。更小的如55kW或37kw电动机就不能与之相配了。 (2)电动
29、机的极数也必须在说明书规定的范围内，而以4极电动机为最佳。 (3)一台变频器只能配用一台电动机。 (4)控制线不能过长，一般规定应在30m以内。64变频器的安装和接线变频器的安装一、变频器对安装环境的要求变频器是电力半导体设备，所以，它对周围环境的要求也和其他电力半导体设备相同。1. 环境温度 一般要求为10 45。2. 环境湿度 相对湿度不超过90(无结露现象)。3. 其他条件 在变频器的安装位置应海拔低于1000m,无直射阳光、腐蚀性气体及易燃气体、无有雾、尘埃少、无振动等。654. 变频器电源侧安装断路开关。5. 电源输入线和输出线不能接错，否则将损坏变频器。6. 变频器和电动机之间不能安装相位超前补偿器、浪涌抑制器。66安装变频器的具体方法和要求为了保持通风的良好，变频器与周围阻挡物之间的距离应符合如下要求：1. 两侧：0.1m。2. 上下方：0.15m. （如图所示）为了改善冷却效果，所有变频器都应垂直安装。此外，为了防止异物掉在变频器的出风口而阻塞风道，最好在变频器出风口的上方加装保护网罩。67谢谢观看68
