機(jī)電控制電力電子課件

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(shí)對(duì)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(xiàn)路來(lái)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(jiǎn)稱(chēng)SCR）是在60年代發(fā)展起來(lái)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(wàn)倍；(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)；(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(guò)載能力弱，在過(guò)電流、過(guò)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(shí)，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(shí)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)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?chē)碾姎庠O(shè)備；(4)控制電路比較復(fù)雜，對(duì)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(shí)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(lái)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(chēng)可控硅。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

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(kāi)關(guān)S，在t4瞬間拉開(kāi)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shí)ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；（6）當(dāng)t=t5時(shí)，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(shí)若控制極不加電壓，則不論陽(yáng)極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說(shuō)明晶閘管具有正、反向阻斷能力；（2）晶閘管的陽(yáng)極和控制極同時(shí)正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)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(yáng)極正向電壓降低到一定值（或斷開(kāi)，或反向）。晶閘管的PN結(jié)可通過(guò)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(shí)，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽(yáng)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(yáng)極對(duì)陰極的電壓和流過(guò)晶閘管的電流之間的關(guān)系稱(chēng)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(cè)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(yáng)極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM-100在選擇晶閘管時(shí)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(yáng)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(guò)的工頻正弦半波電流（在一個(gè)周期內(nèi)）平均值，稱(chēng)為額定通態(tài)平均電流，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱(chēng)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^(guò)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(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。對(duì)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(shí)，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。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(shí)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(shí)，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(huì)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(shí)，可以不加續(xù)流二極管。T8-12.SWF

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

流過(guò)每只晶閘管平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：

流過(guò)每只晶閘管平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用如圖所示的接線(xiàn)，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動(dòng)的直流電，然后用一只晶閘管進(jìn)行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。3.反電勢(shì)負(fù)載

當(dāng)整流電路輸出接有電勢(shì)負(fù)載時(shí),只有當(dāng)電源電源的瞬時(shí)值大于反電勢(shì)，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢(shì)。a.負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時(shí)高

b.負(fù)載電流平均值比電阻性負(fù)載時(shí)低

因?yàn)閷?dǎo)通角小，導(dǎo)電時(shí)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(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對(duì)于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對(duì)于大容量電動(dòng)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(dòng)，如圖所示。

10.2.3單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。

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：10.4逆變器

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過(guò)程，稱(chēng)之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。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。有源逆變逆變無(wú)源逆變變流器的交流側(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。

一、無(wú)源逆變電路的工作原理無(wú)源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開(kāi)關(guān)電路來(lái)說(shuō)明。1.無(wú)源逆變器的簡(jiǎn)單工作原理2.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無(wú)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(guò)改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓，此方法稱(chēng)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(guò)高頻調(diào)制控制，能在半個(gè)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(chēng)載波），如圖所示（這時(shí)N=5）。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(guò)程如下：10.5晶閘管的觸發(fā)電路

向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。（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10.5.1晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求

實(shí)質(zhì)：晶閘管的可靠觸發(fā)（1）觸發(fā)電路應(yīng)能供給足夠大的觸發(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，如圖所示；（2）觸發(fā)脈沖的寬度必須在10微秒以上，如果負(fù)載是大電感，電流上升比較慢，那么，觸發(fā)脈沖的寬度還應(yīng)該增大。（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，為了提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時(shí)可在控制極上加上一個(gè)1V～2V的負(fù)偏壓；（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，保證晶閘管的