第十章 電力電子學(xué)A

第十章

電力電子學(xué)——晶閘管及其基本電路1、掌握晶閘管的基本工作原理；2、掌握可控整流電路的工作原理；3、了解觸發(fā)電路的基本工作原理；4、了解逆變器的工作原理。本章要求：本章知識(shí)點(diǎn)：1、晶閘管的伏安特性；2、可控整流的基本原理；3、觸發(fā)角、負(fù)載性質(zhì)對(duì)可控整流的影響；4、逆變的原理。電力學(xué)研究電力拖動(dòng)問題，屬于強(qiáng)電范疇，電子學(xué)研究控制問題屬于弱電范疇。電力電子學(xué)研究如何應(yīng)用弱電控制強(qiáng)電問題。它的結(jié)合點(diǎn)就是電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件的優(yōu)、缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：（1）用很小的功率可以控制較大的功率；（2）控制靈敏、反應(yīng)快；

（3）損耗小、效率高，；

（4）體積小、重量輕。

缺點(diǎn)：

（1）過載能力弱，在過電流、過電壓情況下很容易損壞；

（2）抗干擾能力差，；

（3）導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備；

（4）控制電路比較復(fù)雜。功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬倍導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)選用時(shí)，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量；

10.1電力半導(dǎo)體器件10.1.1晶閘管（SCR）

——新型大功率半導(dǎo)體器件，也稱可控硅。1.基本結(jié)構(gòu)陰極K陽極A控制極（又稱門極）G更換元件很方便，用于100A以下的元件。散熱效果比較好，用于200A以上的元件由PNPN四層半導(dǎo)體材料疊成，形成三個(gè)PN結(jié)。三極管的工作原理是利用基極的微小電流控制集電極或發(fā)射極的大電流。晶閘管的工作原理也類似于三極管，利用控制極G的微小電流控制陰極K與陽極A導(dǎo)通。所不同的是，前者一般工作在放大區(qū)，后者工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。在晶閘管的陽極A與陰極K之間加反向電壓時(shí)(A負(fù)K正)，兩端兩個(gè)PN結(jié)處于反向偏置，在陽極與陰極之間加正向電壓時(shí)(K負(fù)A正)，中間的那個(gè)PN結(jié)處于反向偏置，所以，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通（稱為阻斷）。那么，晶閘管在什么條件下才能導(dǎo)通？我們通過下面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析晶閘管的工作情況。

2.工作原理

l

實(shí)驗(yàn)情況說明：可用燈泡

代替電阻RL。1)晶閘管承受正向電壓，開關(guān)S（控制極）斷開，此時(shí)電燈不亮，晶閘管關(guān)斷。2)在控制極與陰極之間再加上正向電壓（S接通），電燈發(fā)亮，晶閘管導(dǎo)通。3)晶閘管承受反向電壓，不論S是否接通，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷（阻斷）。4)晶閘管導(dǎo)通后（情況2），斷開控制極電壓（控制極失去作用），電燈仍發(fā)亮，晶閘管仍導(dǎo)通。5)晶閘管導(dǎo)通后（情況2），如果控制極電壓加反向電壓，不論陽極電壓是正或負(fù)，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷（阻斷）。

結(jié)論1)晶閘管導(dǎo)通條件：陽極加正向電壓，控制極也加正向電壓。2)控制極只需加正觸發(fā)脈沖電壓(在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用)。3)晶閘管具有可控單向?qū)щ娦裕ㄕ?、反向阻斷能力）?/p>

(這一點(diǎn)與二極管不同，二極管只有反向阻斷能力）。4）欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種特性呢？1)

等效為PNP型和NPN型兩個(gè)晶體管的組合。2)

陽極和控制極均加正向電壓時(shí)，Ig經(jīng)VT2放大，集電極電流為β2Ig（VT1基極電流），又經(jīng)VT1放大，集電極電流為β1β2Ig（即VT2基極電流），再次放大，循環(huán)往復(fù)，直至導(dǎo)通為止（“觸發(fā)導(dǎo)通過程”——微秒級(jí)）。3)

晶閘管導(dǎo)通后，VT2基極電流比Ig（控制電流）大得多，故去掉ug，晶閘管仍導(dǎo)通。4)

陽極加反向電壓，無放大作用，晶閘管不導(dǎo)通；控制電壓反向或未加入，不產(chǎn)生起始Ig，晶閘管也不導(dǎo)通。

晶閘管導(dǎo)通的的過程是一個(gè)正反饋過程,因此總工作在飽和或截止兩個(gè)狀態(tài)上,盡管PN結(jié)可通過幾十A甚至幾千A的電流，但陽極與陰極間的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部降落在負(fù)載電阻RL上。3.伏安特性晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。從圖中看出隨著Ig的增大，導(dǎo)通電壓UB降低。10.1.2其它電力半導(dǎo)體器件（自學(xué)）雙向晶閘管可關(guān)斷晶閘管

功率晶體管

整流二極管

機(jī)電系統(tǒng)中，電流是由負(fù)載決定的，電壓是由系統(tǒng)決定的，機(jī)電系統(tǒng)的控制歸結(jié)到最后就是電壓控制。例如直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速、調(diào)磁調(diào)速（實(shí)際也是調(diào)勵(lì)磁電壓）、電流控制也是靠控制電壓實(shí)現(xiàn)[I=（U-E）/R]；異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)際上是改變電壓變化的頻率。10.2單相可控整流電路由晶閘管組成的可控整流電路類似于二極管整流電路。所不同的是用可控元件（晶閘管）代替二極管,也可分為單相半波、單相橋式、三相零式（半波）、三相橋式。

10.2.1單相半波可控整流電路特點(diǎn)：①應(yīng)用較少，電路簡單，調(diào)整容易。②直流輸出電壓低，脈動(dòng)大。電阻性負(fù)載分析：1)

—控制角（晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖作用點(diǎn)之間的電角度），

—導(dǎo)通角（晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度），，，。2)最大正向、反向電壓為（電源變壓器副邊電壓的最大值）。3)負(fù)載（輸出直流）電壓平均值、負(fù)載電流平均值分別為：4)，達(dá)到可控整流的目的。

對(duì)單相半波可控整流而言，α的移相范圍是0～π，而對(duì)應(yīng)的θ的變化范圍為π～0。改變控制角α的大小就可以改變負(fù)載上電壓波形，也就改變了負(fù)載電壓的大小。

2.

電感性負(fù)載如：各種電機(jī)的勵(lì)磁線圈等。分析：電感阻礙電流變化（—自感電勢(shì)或反電動(dòng)勢(shì)）。

大于電源負(fù)電壓，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，也就是說，導(dǎo)通角負(fù)載電感，負(fù)載負(fù)（反向）電壓，滿足不了負(fù)載的要求。3.

續(xù)流二極管的作用（大電感性負(fù)載）分析：1)

負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管。2)

電流電壓過零變負(fù)時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，晶閘管自行關(guān)斷（無電流流回電源）。3)

負(fù)載兩端電壓為二極管管壓降，接近于零（電感放出能量消耗在電阻上）。4)

波形與電阻性負(fù)載一樣，波形與之很不相同。當(dāng)時(shí)，電流脈動(dòng)小，波形近似于一條平行于橫軸的直線。10.2.2單相橋式可控整流電路

（應(yīng)用很廣）它與不可控橋式整流電路的區(qū)別：二只晶閘管代替二只二極管。

1.

單相半控橋式整流電路

工作原理：l

輸入電壓正半周，觸發(fā)VS1，VS2和V1反向截止，電流通路為：l

輸入電壓負(fù)半周，觸發(fā)VS2，VS1和V2反向截止，電流通路為：

電阻性負(fù)載與半波整流相比較，和增加了一倍，分別為：

2.

單相全控橋式整流電路10．3三相可控整流電路

10．3.1

三相半波可控整流電路

我們先回顧一下二極管三相半波整流電路，當(dāng)uA＞uB、uC時(shí)uA導(dǎo)通，一旦uA導(dǎo)通，uB、uC承受反電壓截止，由圖可以得出以下結(jié)論：（1）二極管導(dǎo)通的條件是所在的支路電壓要高于另外兩條支路的電壓；（2）任一時(shí)刻只有一條支路導(dǎo)通。電壓高于其他兩相電壓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，稱為自然換向點(diǎn)。整流變壓器副邊接成星形，有公共零點(diǎn)“0”，所以也叫三相零式電路1、2、3點(diǎn)分別是uA，uB，uC電壓高于其他兩相電壓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，稱為自然換向點(diǎn)。每一個(gè)管子導(dǎo)通1200注意：1、在自然換向點(diǎn)之前，晶閘管承受反電壓，無論是否有觸發(fā)脈沖，VS均不導(dǎo)通。2、三相半波可控整流電路控制角α的起始點(diǎn)（即α=0）取為自然轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，它的可控范圍為0～5π/6（1500）1、電阻性負(fù)載

當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管承受的最大正向電壓為√2U2P，可能承受的最大反向電壓為√3×√2U2P，＝√6U2P（承受線電壓）（U2P為相電壓有效值，√2U2P為相電壓峰值）

對(duì)于整流電路，我們關(guān)心的是整流后的平均電壓、管子承受的正、反向電壓（關(guān)系到管子是否會(huì)損壞）。下面按不同控制角α分下列三種情況討論它的整流后的平均電壓。1）當(dāng)α＝0時(shí)（自然換相，觸發(fā)脈沖在自然換相點(diǎn)加入)2）當(dāng)0＜α≤π/6時(shí)（α＝π/6觸發(fā)點(diǎn)剛好是前一導(dǎo)通相電壓過零點(diǎn)）

3)π/6＜α≤5π/6

（5π/6觸發(fā)點(diǎn)剛好是后一導(dǎo)通相電壓過零點(diǎn)）

負(fù)載上電壓波形是斷續(xù)的2、電感性負(fù)載（自行分析）

三相帶電感性負(fù)載的分析方法與單相帶電感性負(fù)載相同，由于有自感電勢(shì)，與電阻性負(fù)載相比主要有如下幾點(diǎn)不同：1）電壓過零時(shí)不能自行關(guān)斷；2）電流不突變，波形與電感大小有關(guān)；3）控制角移相范圍縮小為：0～π／2；4）一般需加續(xù)流二極管。10．3．2三相橋式全控整流電路由于三相全控橋式整流電路可以看成是兩組三相半波可控整流電路的串聯(lián)，因此，整流電壓Ud應(yīng)比式（10.13）大一倍，

Ud=2.34U2PCOSα(0≤α＜π/3)把三只晶閘管的陽極接在一起，叫作共陽極組整流電路。將變壓器的兩組次級(jí)繞組共用一個(gè)繞組，如圖10．29所示，就是三相橋式全控整流電路。其中，VS1、VS3、VS5晶閘管組成共陰極組，VS2、VS4、VS6晶閘管組成共陽極組。三相橋式全控整流電路一般與電動(dòng)機(jī)連接時(shí)總是串聯(lián)一定的電感，以減小電流的脈動(dòng)和保證電流連續(xù)，這時(shí)負(fù)載的性質(zhì)可以看作是電感性的。對(duì)應(yīng)于α＝0的工作狀況，即觸發(fā)脈沖在自然換相點(diǎn)發(fā)出。對(duì)共陰極組的晶閘管而言，電壓比其他兩相為正，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖，晶閘管就導(dǎo)通。而對(duì)共陽極組的晶閘管而言，電壓比其他兩相為負(fù)，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖，晶閘管也觸發(fā)導(dǎo)通。因此，在同1時(shí)刻，總有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通。如圖t1時(shí)刻（uAB，下標(biāo)AB表示A相、B相導(dǎo)通）共陰組A相電壓較正、共陽組B相電壓較負(fù)，如果給VS1、VS6觸發(fā)脈沖，VS1、VS6導(dǎo)通，電流從A相經(jīng)VS1、負(fù)載和VS6回到B相，A相電流為正，B相電流為負(fù)（電流為負(fù)表示電流的真實(shí)方向與圖上所標(biāo)正方向相反）。

圖10．30三相橋式全控整流電壓電流觸發(fā)波形圖小結(jié)前面僅討論了幾種有代表性的可控整流電路。單相橋式電路各項(xiàng)性能較好，只是電壓脈動(dòng)頻率較大（多用于電源），三相橋式可控整流電路，各項(xiàng)指標(biāo)都好，元件承受的峰值電壓最低，最適合于大功率高壓電路。所以，一般小功率電路應(yīng)優(yōu)先選用單相橋式電路，對(duì)于大功率電路，則應(yīng)優(yōu)先考慮三相橋式電路。只有在某種特殊情況下，才選用其他線路。對(duì)于橋式電路是選用半控橋還是全控橋，要根據(jù)電路的要求決定。對(duì)一般要求不高的負(fù)載，可采用半控橋。工作于逆變狀態(tài)，必須選用全控橋。10．4逆變器

整流：把交流電變成直流電供給負(fù)載，稱為整流；

逆變：把直流電變成交流電，稱之為逆變。（整流的逆向過程）

逆變器：把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器：同一套晶閘管電路既可實(shí)現(xiàn)整流，又可實(shí)現(xiàn)逆變的裝置，通常稱為變流器。有源逆變：變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，如果把變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去，叫有源逆變；(即逆變后的交流與交流電源相接的逆變稱為有源逆變）無源逆變：如果變流器交流側(cè)接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為無源逆變。

有源逆變器應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的可逆調(diào)速、線繞式異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速等方面，無源逆變器通常用于變頻器、交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速等方面。

10．4．1有源逆變電路例如：用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的卷揚(yáng)機(jī)，當(dāng)提升重物時(shí)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，通過變流器從電網(wǎng)吸收能量克服重力負(fù)載作功（把交流整為直流）；當(dāng)把重物放下時(shí)，重力加速度拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，通過變流器，（把直流逆變?yōu)榻涣鳎?，向電網(wǎng)饋電。前者為“整流”是指電能由交流側(cè)傳送到直流側(cè)；后者為逆變，電能由直流側(cè)傳送到交流側(cè)。10．4．2無源逆變電路1，無源逆變電路的工作原理

當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，而開關(guān)S2、S3斷開時(shí)，電流從電源正極經(jīng)S1、負(fù)載RL、S4、回到電源負(fù)極

當(dāng)開關(guān)S2、S3閉合，而開關(guān)S1、S4斷開時(shí)，電流從電源正極經(jīng)S3、負(fù)載RL、S2、回到電源負(fù)極改變兩組開關(guān)每秒內(nèi)閉合和斷開的次數(shù)，就可改變輸出電壓的頻率，這就是它的變頻作用。直流逆變成交流后驅(qū)動(dòng)負(fù)載為無源逆變。直流逆變成交流后返回電源為有源逆變。逆變要解決兩個(gè)基本問題：1）幅值控制；2）頻率控制。（解決的方法很多，目前最流行的是脈寬調(diào)制控制（PWM）。通過改變參考信號(hào)的幅值和頻率就可改變逆變輸出的等效正弦波的幅值與頻率。這方面的內(nèi)容可參考有關(guān)變頻器方面的書籍。在第十二章再講。）10．5晶閘管的觸發(fā)電路常用的觸發(fā)電路有下面幾種：（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

（2）小容量晶閘管觸發(fā)電路

（3）晶體管觸發(fā)電路

（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，是最早應(yīng)用的、基本的、常用的一種。它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，可靠性高，適用于中小容量的晶閘管電路。缺點(diǎn)是輸出脈沖不夠?qū)?。?）小容量晶閘管觸發(fā)電路，其輸出脈沖用于觸發(fā)大功率晶問管。其優(yōu)點(diǎn)是簡單，可靠，觸發(fā)功率大，可得到寬脈沖。缺點(diǎn)是需要單結(jié)晶體管觸發(fā)小容量晶閘管，用的元件比較多。

（3）晶體管觸發(fā)電路。它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，容易實(shí)現(xiàn)，輸出功率比較大。所以，應(yīng)用很廣，特別廣泛用于多相電路中。晶體管組成的觸發(fā)電路種類很多，常用的有正弦波移相和鋸齒波移相兩種。現(xiàn)已生產(chǎn)出單片集成晶間管觸發(fā)電路。（它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。）此外，還可以用計(jì)算機(jī)定時(shí)觸發(fā)、

10.5．1晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求為了保證可靠觸發(fā)，晶閘管對(duì)觸發(fā)電路有一定的要求：

（1）觸發(fā)電路應(yīng)能提供足夠大的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，一般要求觸發(fā)電壓應(yīng)該在4V以上，10V以下

（2），觸發(fā)脈沖的寬度（圖10．39中的t1）必須在10μs以上（最好有20μs～50μs），（3）不觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)該小于0．15V～0．20V

（4）