機(jī)電傳動控制10課件

第十章電力電子學(xué)——晶閘管及其基本電路學(xué)習(xí)要求:

掌握晶閘管的基本工作原理、特性和主要參數(shù)的含義；掌握幾種單相和三相基本可控整流電路的工作原理及特點(diǎn)；熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制；了解晶閘管工作時對觸發(fā)電路的要求和觸發(fā)電路的基本工作原理。前言

電力電子學(xué)的任務(wù)：利用電力半導(dǎo)體器件和線路來實(shí)現(xiàn)電功率的變換和控制。電力半導(dǎo)體器件弱電晶閘管（SiliconControlledRectifier簡稱SCR）是在60年代發(fā)展起來的一種新型電力半導(dǎo)體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強(qiáng)電輸出之間的橋梁作用。優(yōu)點(diǎn)：(1)用很小的功率(電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2～4V)可以控制較大的功率(電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏)，功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬倍；(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時間都在微秒級；(3)損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右；(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杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護(hù)措施，在選用時，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量；(2)抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當(dāng)外界干擾較強(qiáng)時，容易產(chǎn)生誤動作；(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，對維修人員的技術(shù)水平要求高。在實(shí)踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。10.1晶閘管

晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號

晶閘管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示：二、晶閘管的工作原理實(shí)驗(yàn)電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開關(guān)S，在t4瞬間拉開開關(guān)S，則u2、ug和電阻上RL的電壓ud的波形關(guān)系如圖（b）所示。（1）在0~t1之間:開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；（5）當(dāng)t=t4時，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；（6）當(dāng)t=t5時，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

綜上所述可得出以下結(jié)論：

（1）起始時若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力；（2）晶閘管的陽極和控制極同時正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件；（3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，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）。晶閘管的PN結(jié)可通過幾十安~幾千安的電流，因此，它是一種大功率的半導(dǎo)體器件，由于晶閘管導(dǎo)通時，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽極與陰極間的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負(fù)載電阻上。三、晶閘管的伏安特性

晶閘管陽極對陰極的電壓和流過晶閘管的電流之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。

四、晶閘管的主要參數(shù)

為了正確選用晶閘管元件，必須要了解它的主要參數(shù)，一般在產(chǎn)品目錄上給出了參數(shù)的平均值或極限值，產(chǎn)品合格證上標(biāo)有元件的實(shí)測數(shù)據(jù)。

1.斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM-100在選擇晶閘管時還要考慮留有足夠的余量，一般：晶閘管的UDRM應(yīng)等于所承受的正向電壓的（2~3）倍。

2.反向重復(fù)峰值電壓URRM

晶閘管反向截止?fàn)顟B(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極兩端的反向峰值電壓。URRM=URSM-1003.額定通態(tài)平均電流（額定電流）IT

在環(huán)境溫度不大于40度的標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內(nèi)）平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，簡稱為額定電流。4.維持電流

IH在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA～一百多mA10.2單相可控整流電路整流－將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；整流電路－將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單相三?0.2.1單相半波可控整流電路

u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。對單相半波可控整流電路：一、帶電阻性負(fù)載的可控整流電路輸入電壓：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負(fù)載的可控整流電路

單相半波可控整流電路用于大電感性負(fù)載時，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。三、續(xù)流二極管的作用

T8-9.SWF為了提高大電感負(fù)載時的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管措施，如圖所示。10.2.2單相半控橋式整流電路晶閘管組成的半控橋式整流電路，如圖所示。(a)單相橋式整流電路

(b)電阻性負(fù)載時的電壓電流波形1.電阻性負(fù)載

負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：

晶閘管電流平均值：

續(xù)流二極管的電流平均值：2.1.4單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

圖2-10單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形2.電感性負(fù)載

如圖所示半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時采用加接續(xù)流二極管的措施。T8-11.SWF

有了續(xù)流二極管，當(dāng)電源電壓降到零時，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

如圖所示半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時，可以不加續(xù)流二極管。T8-12.SWF

這是因?yàn)樵陔娫措妷哼^零時，電感中的電流通過V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過每只晶閘管平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流：

流過每只晶閘管平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流：a.負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時高

b.負(fù)載電流平均值比電阻性負(fù)載時低

因?yàn)閷?dǎo)通角小，導(dǎo)電時間短，回路電阻小，所以，電流的幅值與平均值之比值相當(dāng)大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須降低電流定額使用。另外，對于直流電動機(jī)來說整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對于大容量電動機(jī)或蓄電池負(fù)載，常常串聯(lián)電抗器，用以平滑電流的脈動，如圖所示。

單相橋式帶阻感負(fù)載的工作情況

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4圖2-6單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負(fù)時，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至ωt=π+a時刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。10.3三相可控整流電路10.3.1三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路圖如圖所示。自然換相點(diǎn)：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設(shè)輸入電壓為：可能承受的最大反向電壓為：當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號時，晶閘管承受的最大正向電壓為:圖2-18三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載

a=0時的波形wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT12.2.2三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2－1所示時段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb請參照圖2－18圖2-19三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=30時的波形wwwwud1ud2a=30°iaOtOtOtOtuduabuacuaubucwt1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT12.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無源逆變器的電壓控制

1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制（1）脈寬控制不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時間以控制輸出脈沖的寬度來改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）

如果使VS1與VS4，VS2與VS3通過高頻調(diào)制控制，能在半個周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時N=5）。逆變器輸出電壓的幅值是通過改變脈沖總的導(dǎo)通時間與總的關(guān)斷時間的比率來控制的，這有兩種基本的方法：第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。三、無源逆變器的換相（換流）兩組晶閘管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，就是電流轉(zhuǎn)換的過程，簡稱換流。但由于電流是直流電，沒有像交流電那樣電壓有過零變負(fù)的時候，所以，如不采取措施，則晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后就關(guān)斷不了。6.1

PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)6.1

PWM控制的基本思想b)圖6-2沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說明“面積等效原理”a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。i(t)－輸出電流，是電路的響應(yīng)。

Ouωt>SPWM波6.1

PWM控制的基本思想Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>6.1

PWM控制的基本思想若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>6.1

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。6.1

PWM控制的基本思想等幅PWM波輸入電源是恒定直流

第3章的直流斬波電路6.2節(jié)的PWM逆變電路

6.4節(jié)的PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

4.1節(jié)的斬控式交流調(diào)壓電路

4.4節(jié)的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt6.1

PWM控制的基本思想2）PWM電流波電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波負(fù)載是由電感L和補(bǔ)償電容C組成的并聯(lián)諧振回路，Ld為限流電抗器。換流過程如下：T8-30.SWF10.5晶閘管的觸發(fā)電路