《电力电子机电传动控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子机电传动控制（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
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学学习要求要求:掌握晶掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；掌握几种掌握几种单相和三相基本可控整流相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点路的工作原理及特点；熟悉逆熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制器的基本工作原理、用途和控制；了解晶了解晶闸管工作管工作时对触触发电路的要求和触路的要求和触发电路的基本工作原理。路的基本工作原理。前前言言 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。 电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电晶晶闸闸管管（Silicon
2、ControlledRectifier简简称称SCR）是是在在60年年代代发发展展起起来来的的一一种种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。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。优点优点：(1)用用很很小小的的功功率率(电电流流约约几几十十毫毫安安一一百百多多毫毫安安，电电压压约约24V)可可以以控控制制较较大大的的功功率率(电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏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；，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；控制
3、灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3)损损耗耗小小、效效率率高高，晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小(仅仅1V左左右右)，总总效效率率可可达达97.5%，而而一一般机组效率仅为般机组效率仅为85%左右；左右；(4)体积小、重量轻。体积小、重量轻。缺点：缺点： (1)过过载载能能力力弱弱，在在过过电电流流、过过电电压压情情况况下下很很容容易易损损杯杯，要要保保证证其其可可靠靠工工作作，在在控控制制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；电路中要采取保护措施，在选用时，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
4、易产生误动作；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；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)控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。在在实实践践中中，应应该该充充分分发发挥挥晶晶闸闸管管有有利利的的一一面面，同同时时采采取取必必要要措措施施消消除除其其不不利利的的一一面面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。
5、10.1晶闸管晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。一、晶闸管的结构和符号一、晶闸管的结构和符号 晶闸管的外形和结构图分别如图所示晶闸管的外形和结构图分别如图所示：其中：其中：A阳极，阳极，K阴极，阴极，G控制极。控制极。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理实实验验电电路路如如图图（a）所所示示，主主电电路路加加
6、上上交交流流电电压压u2，控控制制极极电电路路接接入入Eg，在在t1 瞬瞬间间合合上开关上开关S，在，在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S，则，则u2、ug和电阻上和电阻上RL的电压的电压ud的的波形关系如图（波形关系如图（b）所示。所示。（1）在在0t1之之间间:开开关关S未未合合上上，ug=0，尽尽管管uAK0，但但ud=0，即即晶晶闸闸管未导通；管未导通；（ 2） 在在 t1t2之之 间间 :uAK0，由由于于开开关关S合合上上，使使ug0，而而，即即晶晶闸管导通；闸管导通；（3）在）在t2t3 之间，之间，uAK0，但但ud=0，即晶闸管关断；即晶闸管关断；（4）在）在t3t4 之间，之
7、间，uAK0，这时这时ug0,而而，所以，晶闸管又导通；所以，晶闸管又导通；（5）当）当t=t4 时，时，ug=0，但，但uAK0，即晶闸管仍处于导通状态；即晶闸管仍处于导通状态；（6）当）当t=t5 时，时，uAK=0，ug=0，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （1）起起始始时时若若控控制制极极不不加加电电压压，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通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；（2）晶闸管的
8、阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；同时具备的两个条件；（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，必必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。晶晶闸闸管管的的PN结结可可通通过过几几十十安安几几千千安安的的电电流流，因因此此，它它是是一一种种大大功功率率的的半半导导体体器器件件，由由于于晶晶闸闸管管导导通通时时，相相当当于于两两只只三三极
9、极管管饱饱和和导导通通，因因此此，阳阳极极与与阴阴极极间间的的管管压压降降为为1V左左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。三、晶闸管的伏安特性三、晶闸管的伏安特性晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。 正向正向(uAK 0)正向阻断状态正向阻断状态:当当ug=0，uAK 0，uAK 0，晶晶闸闸管管导导通通，其其电电流流的的大大小小由由负负载载决定，阳极和阴极间的管压降很小。决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向反向(uAK 0)反向截止状态反向截
10、止状态:当当uAK URSM ，元件中有很小的反向电流（反向元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。漏电流）流过，处于截止状态。反反向向击击穿穿：当当uAK =URSM ，晶晶闸闸管管突突然然由由反反向向截截止止状状态态转转化化为为导导通通状状态。态。URSM称为称为反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压，或用，或用UBR表示称表示称反向击穿电压反向击穿电压。四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 为为了了正正确确选选用用晶晶闸闸管管元元件件，必必须须要要了了解解它它的的主主要要参参数数，一一般般在在产产品品目目录录上上给给出出了了参参数数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件
11、的实测数据。的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。 1.断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压。UDRM=UDSM -100在在选选择择晶晶闸闸管管时时还还要要考考虑虑留留有有足足够够的的余余量量，一一般般：晶晶闸闸管管的的UDRM应应等等于于所所承承受受的的正正向电压的向电压的（23）倍。倍。2.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管
12、阳极和阴极两端的反向峰值电压。URRM=URSM -1003.额定通态平均电流（额定电流）额定通态平均电流（额定电流）IT在环境温度不大于在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。4.维持电流维持电流 IH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。一般为几般
13、为几mA一百多一百多mA10.2单相可控整流电路单相可控整流电路整流将交流电变为直流电的过程；整流将交流电变为直流电的过程；整流电路将交流电变为直流电的电路；整流电路将交流电变为直流电的电路；整流整流单相单相三相三相10.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 u2输入电压输入电压 ；ud输出电压输出电压 ；控制角控制角 ；晶闸管元件承晶闸管元件承受正向电压起始点到触发受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角脉冲的作用点之间的电角度。度。导通角导通角 ；是晶闸管在一是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。周期时间内导通的电角度。对单相半波可控整流电路：对单相半波可控整流电路：一、带电阻
14、性负载的可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路输入电压输入电压：负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：二、带电感性负载的可控整流电路二、带电感性负载的可控整流电路 单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路用用于于大大电电感感性性负负载载时时，如如果果不不采采取取措措施施，负负载载上上就就得得不到所需要的电压和电流。不到所需要的电压和电流。三、续流二极管的作用三、续流二极管的作用T8-9.SWF为为了了提提高高大大电电感感负负载载时时的的单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路整整流流输输出出平平均均电电压压，可可采采取取负载两端并联一只二
15、极管措施，如图所示。负载两端并联一只二极管措施，如图所示。10.2.2单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。(a) 单相桥式整流电路 (b)电阻性负载时的电压电流波形1.电阻性负载电阻性负载 负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值：续流二极管的电流平均值：续流二极管的电流平均值：2.电感性负载电感性负载 如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施
16、。T8-11.SWF 有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。因电流为零而关断，不会出现失控现象。 如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。T8-12.SWF 这这是是因因为为在在电电源源电电压压过过零零时时，电电感感中中的的电电流流通通过过V1和和V2形形成成续续流流，确确保保VS1或或VS2可靠关断，这样也就不会出现失控现象。可靠关断，这样也就不会出现失控现象。流过每只晶闸管平均电流：流
17、过每只晶闸管平均电流：流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流： 流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：流过续流二极管的平均电流流过续流二极管的平均电流 ：为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。3.反电势负载反电势负载 当整流电路输出接有电势负载时当整流电路输出接有电势
18、负载时,只有当只有当电源电源的瞬时值大于反电势电源电源的瞬时值大于反电势，同，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。时间内，负载上保留原有的反电势。a.负载两端的电压平均值比电阻性负载时高负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 b.负载电流平均值比电阻性负载时低负载电流平均值比电阻性负载时低 因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，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
19、须降低电流定额使用。另外，对于值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动，如图所示。以平滑电流的脉动，如图所示。10.2.3单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只
20、二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。替即构成全控桥。 10.3三相可控整流电路三相可控整流电路10.3.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路图如图所示。三相半波可控整流电路图如图所示。自然换相点：自然换相点：触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200设设输入电压为：输入电压为：可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为：当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:10.4逆变器逆变器 利利用用晶晶闸闸管管电电路路把把直直流流电电变变成成交交流流电电，这这种种对对应应于于整整流流的
21、的逆逆向向过过程程，称称之之为为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器逆变器。变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。率或可变频率的交流电供给负载。有源逆变有源逆变有源逆变有源逆变逆变逆变无源逆变无源逆变变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去。同频率的交流电反馈到电网去。一、无源逆变电路的工作原理一、无源逆变电路的工作原理无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。无源逆变器的工作原理，可以用如图
22、所示的开关电路来说明。1.无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理2.单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器二、单相无源逆变器的电压控制二、单相无源逆变器的电压控制 1.控制逆变器的输入直流电压控制逆变器的输入直流电压 2. 在逆变器内部的电压控制在逆变器内部的电压控制（1）脉宽控制）脉宽控制不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称脉宽控脉宽控制制。若使延迟角从若使延
23、迟角从0变到变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。 （2）脉冲宽度调制（）脉冲宽度调制（PWM） 如如果果使使VS1与与VS4，VS2与与VS3通通过过高高频频调调制制控控制制，能能在在半半个个周周期期内内重重复复导导通通和和关关断断N次次，则则其其输输出出电电压压波波形形为为一一系系列列被被调调制制的的矩矩形形脉脉冲冲（称称载载波波），如如图图所示（这时所示（这时N=5）。）。逆逆变变器器输输出出电电压压的的幅幅值值是是通通过过改改变变脉脉冲冲总总的的导导通通时时间间与与总总的的关关断断时时间间的的比比率率来来控控制的，这有两种基本的
24、方法：制的，这有两种基本的方法：第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数；变每一半周期内的脉冲数；第二种方法是改变脉宽，而维持每一半第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。周期内的脉冲数不变。三、无源逆变器的换相（换流三、无源逆变器的换相（换流）两组晶闸管交替地两组晶闸管交替地导通和关断的过程导通和关断的过程，就是电流转换的过程，简称，就是电流转换的过程，简称换流换流。但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通
25、后就关断不了。不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。负载是由电感负载是由电感L和补偿电容和补偿电容C组成的并联谐振回路，组成的并联谐振回路，Ld为限流电抗器。为限流电抗器。换流过程如下：换流过程如下：10.5晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路触发电路。（1）单结晶体管触发电路）单结晶体管触发电路（2）小容量晶闸管触发电路）小容量晶闸管触发电路（3）晶体管触发电路）晶体管触发电路10.5.1晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 实质：晶闸管的可靠触发实质：晶闸管的可靠触发（1）触触发发电电路路应应能能供供给给足足够
26、够大大的的触触发发电电压压和和触触发发电电流流，一一般般要要求求触触发发电电压压应应该该在在4V以上，以上，10V以下，如图所示；以下，如图所示；（2）触发脉冲的宽度触发脉冲的宽度必须在必须在10微秒以上，如微秒以上，如果负载是大电感，电流果负载是大电感，电流上升比较慢，那么，触发上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。脉冲的宽度还应该增大。（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小）不触发时，触发电路的输出电压应该小于于0.15V0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个触发，必要时可在控制极上加上一个1V2V的负的负偏压；偏压；（4）
27、触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。（5）在在晶晶闸闸管管整整流流等等移移相相控控制制的的触触发发电电路路中中，触触发发脉脉冲冲应应该该和和主主电电路路同同步步，脉脉冲冲发发出出的的时时间间应应该该能能够够平平稳稳地地前前后后移移动动（移移相相），移移相相的的范范围围要要足够宽。足够宽。10.5.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路一、单结晶体管一、单结晶体管单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。基极，故又叫双基
28、极二极管。 1.工作特性工作特性2.工作特点工作特点发射极电压大于发射极电压大于UP时，单结晶体时，单结晶体管导通；管导通； 导通后，发射极电压必须小于谷导通后，发射极电压必须小于谷点电压点电压 UV时，单结晶体管才截止。时，单结晶体管才截止。UP峰值电压峰值电压UV谷点电压谷点电压二、单结晶体管的自振荡电路二、单结晶体管的自振荡电路 利用单结晶体管的负阻特性和利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路，如充放电特性，可组成自振荡电路，如图所示。图所示。 三、单结晶体管触发电路三、单结晶体管触发电路 E的大小对触发脉冲的影响：相位的大小对触发脉冲的影响：相位周期周期 R、C的大小对触发脉冲的影响：宽度的大小对触发脉冲的影响：宽度
