電力電子技術(shù)-單相半控橋整流電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告一、試驗(yàn)背景際嚴(yán)密聯(lián)系，應(yīng)用格外廣泛。輸出整流電流小的缺點(diǎn)。較為常用的是半控橋式整流電路，簡稱半控橋。該次試驗(yàn)內(nèi)容就是有關(guān)單相半控橋整流電路的較為簡潔的爭論。二、試驗(yàn)原理〔該局部全部圖像均由天舒同學(xué)繪制〕單相橋式半控整流電路在電阻性負(fù)載時的工作狀況與全控電路完全相同，這里只介紹電感性負(fù)載時的工作狀況。單相橋式半控整流電路原理圖如下圖。假設(shè)負(fù)載中電感很大，且當(dāng)電源電壓u2半周期，掌握角為α?xí)r，觸發(fā)晶閘管VT1VT1VD4u2VT1abVD2VT1VD2ud＝0udu2aVT3VT1u2VT3VD2u2VD4VT3VD4a180°或觸發(fā)脈沖喪失時，會udududVDVD段晶閘管關(guān)斷，避開了某一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。該局部資料參考自“://wenku.baidu/“://wenku.baidu三、相關(guān)資料補(bǔ)充〔該局部全部圖像均由天舒同學(xué)繪制〕(一)晶閘管1/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告體構(gòu)造，它有三個極：陽極、陰極和門極。晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以掌握、被廣泛應(yīng)用于可控整流、溝通調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。1、定義2、構(gòu)造晶閘管由一個P-N-P-N四層半導(dǎo)體構(gòu)成，中間形成三個PN結(jié)。3、分類按關(guān)斷、導(dǎo)通及掌握〔SCR〔TRIA〔RCT門極關(guān)斷晶閘管〔GT、BTG〔TTTTS〕和光控晶閘管〔LT〕等多種。按引腳和極性晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。按封裝形式裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。按電流容量分類承受陶瓷封裝，而中、小功率晶閘管則多承受塑封或金屬封裝。按關(guān)斷速度晶閘管按其關(guān)斷速度可分為一般晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括全部專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶400HZ10KHZ〔備注：高頻不能等同于快速晶閘管〕4、工作原理GK半控型晶閘管的工作條件：①晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。狀態(tài)，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用。④晶閘管在導(dǎo)通狀況下，當(dāng)主回路電壓〔或電流〕減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。全控型晶閘管的工作條件：①晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)?！不螂娏鳌车臓顩r下晶閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。進(jìn)入正向阻斷狀態(tài)后，允許門極在某個可控的時刻將晶閘管再次觸發(fā)導(dǎo)通。以上關(guān)于晶閘管的資料來源于“://baike.baidu/view/13876.htm“://baike.baidu/view/13876.htm2/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告〔二〕電力二極管〔PowerDiode2050二極管〔RectifierDiod、快恢復(fù)二極管〔FastRecoveryDiod〕和肖特基二極管〔SchottkyDiode高頻整流和逆變電路以及低壓高頻整流的場合使用。1、電力二極管的構(gòu)造PN半導(dǎo)體器件。其中，兩個引線分別為陽極〔Anod〕和陰極〔Cathode。2、電力二極管的主要類型依據(jù)二極管反向恢復(fù)特性的不同，電力二極管主要可以分為以下三類。一般二極管一般二極管又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高〔一般在1kHz〕的整流電路中。其反向恢復(fù)時25μs快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管又稱為開關(guān)二極管，它在制造時承受了摻金工藝，使其恢復(fù)過程時間很短，特別是反50ns?？焖倩謴?fù)二極管的正向壓降很低，一般用于高頻整流電路、斬波電路和逆變電路中。肖特基二極管肖特基二極管是肖特基壘勢二極管的簡稱，它通過金屬與半導(dǎo)體接觸形成勢壘。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體接觸后，電子從導(dǎo)體向金屬區(qū)集中，在半導(dǎo)體一側(cè)形成空間電荷區(qū)、內(nèi)電場和勢壘。在外電場作用下，肖特基間短，一般在10～40μs；正向恢復(fù)過程沒有明顯的電壓過沖；在外加電壓較低時，正向壓降小。但其反200V3、電力二極管的根本工作特性靜態(tài)工作特性UI為伏安特性〔如下圖。極的電流。力二極管兩端所加正向電壓小于UTO時，電力二極管中只有很小的電流流過；當(dāng)所加電壓高于UTO時，正向電流急劇增加，曲線消滅與縱軸平行的趨勢。UTO被稱為門檻電

IIFO UTO UF U電力二極管的伏安特性Visio軟件繪制壓或閾值電壓。電力二極管導(dǎo)通后，陽極電流大小由外電路打算，電力二極管只有很小的正向管壓降UF，一般為0.4～1.2V。當(dāng)在電力二極管兩端施加反向陽極電壓時，只有很小的反向漏電流，其特性曲線幾乎平行于橫軸。隨著反向電壓的增加，反向電流有所增大。當(dāng)反向電壓增加到肯定程度時，反向電流將急劇增大，這種現(xiàn)象稱為電力二極管的擊穿，此時所對應(yīng)的電壓叫做擊穿電壓。3/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告

u，i iF狀態(tài)，正向管壓降很低，近似為短路；在反向偏置時，二極管 UFPF呈高阻狀態(tài)，反向電流很小，近似為開路。實(shí)際電路分析及計(jì)數(shù)學(xué)模型，如把二極管看作為二值電阻或抱負(fù)開關(guān)等。動態(tài)工作特性 uF電力二極管的動態(tài)工作特性是指二極管在導(dǎo)通和截止兩 2V種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程中的特性，也即電力二極管的開通和關(guān)管的工作頻率。

tfr tVisio軟件繪制如下圖為電力二極管由零偏置到正向偏置〔即開通〕的動態(tài)過程波形。從圖中可以看出，開通初期電力二極管兩端消滅較高的瞬態(tài)壓降，經(jīng)過一個正向恢復(fù)時間tfr到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，導(dǎo)通壓降才降為很小。二極管導(dǎo)通時消滅電壓過沖的緣由是：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)開頭作用所需的大量少數(shù)載流子存儲需要肯定的時間，此感效應(yīng)，電流上升越快，電壓過沖UFP越大。如下圖為電力二極管由正向偏置到反向偏置〔即關(guān)斷〕的動態(tài)過程波形。電力二極管在由正向偏置到反向偏置過程中，會消滅一個較大的反向電流，并伴隨明顯的反向電壓過沖。這是由于電力二極管在iFdiiFF dtUF trr

正向電流越大，所存儲的少數(shù)載流子越多。當(dāng)輸入電tF t0

td tft1diRdtIRPURP

t2URVisio軟件繪制

反向電壓作用下向各自原來的區(qū)域運(yùn)動，形t 移電流。由于開頭時空間電荷區(qū)很窄，則二極管電阻很小，所以此時反向電流很大。經(jīng)過延遲時間td后，PN區(qū)漸漸變寬，電力二極管開頭重恢復(fù)阻斷力量，反向電流減小，直至經(jīng)過下降時間tf后，二極管截止。在電流下降過程中，由于回路中電感的存在，會在電力二極管兩端產(chǎn)生很高的反向電壓過沖URP。將延遲時間td和電流下降時間tf之和稱為電力二極管的反向恢復(fù)時間trr。4、電力二極管的主要參數(shù)紹過的正、反向恢復(fù)時間等參數(shù)。正向平均電流IF〔AV〕I 指在規(guī)定的殼溫〔+40℃〕和散熱條件下，器件結(jié)溫到達(dá)額定溫度切穩(wěn)定時，電力二極管允許F〔AV〕的，即需按電流有效值來選取。對于工頻正弦半波電流，波形如下圖，當(dāng)電流峰值為Im時，正弦半波電流平均值為4/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告Id=1 ∫πImsinωtd〔ωt〕=Im2π 0 π正弦半波電流有效值為I=√1∫π〔I sinωt〕2d(ωt)=Im2π m 20電流為I 的電力二極管允許通過的電流有F〔AV〕效值為1.57I 。F〔AV〕開關(guān)損耗不能無視，在選擇額定電流時，應(yīng)加以考慮。反向重復(fù)峰值電壓URRMURRM〔擊〕的2?32～3正向電壓降UFUF指在規(guī)定的+40的最大電壓降，也稱為管壓降。UF的大小影響二極管的發(fā)熱與損耗，一般選取管壓降小的管子以降低其導(dǎo)通損耗。反向漏電流IR對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為電力二極管的反向漏電流IR。最高允許結(jié)溫TJMPN均溫度。TJM125～175℃范圍內(nèi)。以上資料參考自《電力電子技術(shù)》趙莉華、舒欣梅編四、試驗(yàn)器件〔該局部全部圖像均由鄒宜君同學(xué)采集〕電力電子及電氣傳動教學(xué)試驗(yàn)臺MCL-III〔如以下圖所示〕該圖像由鄒宜君同學(xué)采集數(shù)字示波器 TDS1012〔如以下圖所示〕一臺5/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告該圖像由鄒宜君同學(xué)采集數(shù)字萬用表GDM-8145〔如以下圖所示〕一臺該圖像由鄒宜君同學(xué)采集專用導(dǎo)線假設(shè)干6/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告五、試驗(yàn)過程

〔試驗(yàn)過程中全部圖像均由鄒宜君同學(xué)采集、繪制〕實(shí)現(xiàn)同步從三相溝通電源進(jìn)端取線電壓Uuw(約230〕到降壓變壓器〔MCL-3，輸出單相電壓〔約124V〕為整理輸入電壓u2；在〔MCL-33〕兩組基于三相全控整流橋的晶閘管陣列〔共12只〕中，選定兩只晶閘管，與整流二極管陣列〔6〕中的兩只二極管組成共陰極方式的半空整流橋，保證掌握同步，并外接純阻性負(fù)載。原理圖如下:A BU1U2 Ud按原理圖連線：

該圖由鄒宜君同學(xué)繪制〔如左以下圖在重選擇了晶閘管并連線〔如右以下圖〕后，得到了正確的波形。思考：接通電源和掌握信號后，如何推斷移相掌握是否同步？Ud的波形，假設(shè)穩(wěn)定有的波形不發(fā)生變化，則移相掌握同步。半控橋純阻性負(fù)載試驗(yàn)α90°時Ud〔留意：負(fù)載電阻不宜過小，確保當(dāng)輸出電壓較大時，Id0.6A。在最大移相范圍內(nèi)，調(diào)整不同的掌握量，測量掌握角α、輸入溝通電壓U2、掌握信號UctUd8α90U2、UctUdα57/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告此時示波器顯示的波形如右圖。攝此時示波器顯示的波形如右圖。此時示波器顯示的波形如右圖。α，8下表：8/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告α〔ms〕u2〔V〕Uct〔V〕Ud〔V〕11.2126.3211.6211021.3126.325.0810931.7126.714.0810542.8126.732.119154.1127.061.146865.4127.440.5646.577128.180.182087.9128.390.031098.6128.310.023.5思考：如何利用示波器測定移相掌握角的大??？答：首先，使示波器定格，然后將兩條垂直光標(biāo)分別移動到整流后一個波形的末端與下一個波形的首(t/T)*(2)端，通過觀看示波器顯示的增量 (留意：T=1/f=1/50Hz=0.02s=20ms〕算出掌握角大小。控橋阻-感負(fù)載〔串聯(lián)L=200mH〕試驗(yàn)原理圖如下：A BU1 U2該圖由鄒宜君同學(xué)繪制連續(xù)轉(zhuǎn)變掌握角α，記錄α90°Ud〔Id0.6A。顯示的波形如右圖。波形特點(diǎn)：只有正半周有波形，且較為完整。9/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告拍攝此時示波器顯示的波形如右圖。號。αUd波形不規(guī)整。〔分別到達(dá)電流斷續(xù)、臨界連續(xù)和連續(xù)0.5AI≤0.6AIdId勢。α形圖〔如右圖。10/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告〔由于原圖喪失，所以從“://wenku.baidu/view/d97c58d“://wenku.baidu/view/d97c58d776eeaeaad1f33080.html〕下此時的波形圖〔如右圖〕連續(xù)調(diào)小負(fù)載電阻，同時觀看電流表，并拍下此時的波形圖。α<90°，適當(dāng)調(diào)整負(fù)載電阻，使Id≈0.6A，突然斷掉兩路晶閘管的脈沖信號〔模擬將掌握角α快速推到18°，制造失控現(xiàn)象，記錄一只晶閘管失控的測試方法。保持掌握角α<90°Id≈0.6A，拍攝下此時失控前的波形11/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告如圖。拍攝下此時失控后的波形如圖。思考：如何推斷哪一只晶閘管失控。答：失控是由于此時只有一個失控的晶閘管不能導(dǎo)通，所以失控前導(dǎo)通的晶閘管就無法關(guān)斷，其電壓為零，而失控的晶閘管兩端電壓不為零。故可通過電壓表測量晶閘思考：如何在負(fù)載回路獵取負(fù)載電流的波形？R故電壓波形即電流波形。六、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、半控橋純阻性負(fù)載試驗(yàn)α〔ms〕ɑ〔°〕u2〔V〕Uct〔V〕Ud〔V〕〔實(shí)11.221.6126.3211.6211021.323.4126.325.0810931.730.6126.714.0810542.850.5126.732.119154.173.8127.061.146865.497.2127.440.5646.577126128.180.182087.9142.2128.390.031098.6154.8128.310.023.5表1 半控橋純阻性負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)〔50HZ〕2Ud

該圖由唐英同學(xué)繪制α〔ms〕ɑ〔°〕u2〔V〕Uct〔V〕Ud〔V〕〔實(shí)際值〕Ud(V)Ud相對誤差11.221.6126.3211.62110110.29-0.26%21.323.4126.325.08109109.6-0.55%31.730.6126.714.08105106.34-0.84%42.850.5126.732.119193.5-2.81%54.173.8127.061.146873.09-6.28%65.497.2127.440.5646.549.99-7.04%77126128.180.182023.56-15%87.9142.2128.390.031012-19.33%98.6154.8128.310.023.55.44-38.89%該圖由唐英同學(xué)繪制50HZ，20msαm〕轉(zhuǎn)換為以角度表示的α〔°Ud{Ud(實(shí)際值)—Ud〔理論值〕}/UdU212/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告理 論 值 為 127V 。 如 ： 當(dāng) α(ms)=1.2ms, 則 α(°)=1.2*360 °/20=21.6°,Ud=0.9*127(1+cos21.6°)/2=110.29(VUd〔110-110.29〕/110=-0.263、試驗(yàn)爭論〔1〕闡述選擇試驗(yàn)面板晶閘管序號構(gòu)成半空橋的依據(jù)。〔2〕測繪負(fù)載電阻時Ud=f(ɑ)和Ud=f(Uct)的實(shí)驗(yàn)特性曲線解：選擇試驗(yàn)面板上不同的晶閘管序號構(gòu)成半空橋時，要使整流電路輸出直流電壓穩(wěn)定，則要求每個周期步。在〔MCL-33〕兩組基于三相全控整流橋的晶閘管陣列〔12〕只中，選定兩只晶閘管，與整流二極管整〔2〕測繪負(fù)載電阻時Ud=f(ɑ)和Ud=f(Uct)的實(shí)驗(yàn)特性曲線表2-純阻性負(fù)載時Ud=f(α)的試驗(yàn)特性曲線 該圖由唐英同學(xué)繪制表3-純阻性負(fù)載時Ud=f(Uct)的試驗(yàn)特性曲線該圖由唐英同學(xué)繪制

13/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告14/31Ud表4純阻性負(fù)載時Ud=f(α)的特性曲線該圖由唐英同學(xué)繪制并非抱負(fù)器件，在晶閘管和二極管導(dǎo)通時通態(tài)壓降不為0，即存在肯定的電阻，會分去肯定的電壓，使負(fù)路有肯定的影響，在讀數(shù)過程中讀數(shù)也存在誤差，即觀測誤差，并且可能由于操作失誤會帶來偶然誤差。Ud=0.9U2(1+cosα)/2，該公式是依據(jù)Ud〔即考慮晶閘管、二極管、變壓器都是抱負(fù)表4純阻性負(fù)載時Ud=f(α)的特性曲線該圖由唐英同學(xué)繪制〔〔假設(shè)有較大的感抗值工作，為什么？四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告15/31〔試驗(yàn)時的電流波形〕

該圖由鄒宜君同學(xué)采集iid0〔教材的電流波形〕

該圖由李婷婷同學(xué)繪制分析：由上兩圖可知，試驗(yàn)的電流波形與教材上的波形相去甚遠(yuǎn)，那是由于，教材所用的試驗(yàn)器材都是抱負(fù)的，即，抱負(fù)晶閘管導(dǎo)通時通態(tài)壓降為零，阻斷狀態(tài)下漏電流為零，且開關(guān)時間為零；抱負(fù)電路無視了變壓器漏電抗對電路的影響；抱負(fù)電感無窮大，至少遠(yuǎn)大于電阻。而實(shí)際試驗(yàn)中，主要誤差緣由是：我們使用的電感感抗有限，當(dāng)它儲存能量時id增大，釋放能量時id漸漸減小，便如得到試驗(yàn)時的波形。流到達(dá)肯定值時就會燒壞儀器。2)分析同樣的阻感負(fù)載時，本電路與單相全控橋電路的輸出電壓的特征差異，說明緣由。該圖由李婷婷同學(xué)繪制U20α ωt該圖由李婷婷同學(xué)繪制Udωt0該圖由李婷婷同學(xué)繪制a(單相全控橋整流電路)UdO ωtb(單相橋式半控整流電路)

該圖由李婷婷同學(xué)繪制分析：如圖，在U2αVT1，VT1VD4U VT VT VT

3四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告VD VD VD VD i得 2正偏導(dǎo)通，而 4反偏截止，電流從 4轉(zhuǎn)移至 2，電流d不再流經(jīng)變壓器二次繞組，VTVD VTVD而是由 1和 2續(xù)流。此時整流橋輸出電壓為 1何 2的正向壓降，接近于零，所以整流輸出U U電壓d2VTVTVD U壓負(fù)半周，具有與正半周相像的特性，觸發(fā)角α?xí)r觸發(fā) 3， 3和 2導(dǎo)通，2過零變正式電流iVTVDd經(jīng) 3和 4自然續(xù)流。避開失控與試驗(yàn)改進(jìn)：晶閘管單相半空橋式整流電路帶大電感負(fù)載時雖然本身具有自然續(xù)流力量，但在實(shí)際運(yùn)行時，當(dāng)α角突然U°或觸發(fā)脈沖喪失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪番導(dǎo)通的狀況，即半周期U為正弦，另外半周期d為零，其平均值保持恒定，α失去掌握作用，稱為失控。為避開失控，我們有兩個解決的方案。如下：方案一：加續(xù)流二極管與負(fù)載并聯(lián)如右圖有續(xù)流二極管VD U2VD經(jīng) R完成續(xù)流，晶閘管關(guān)斷，避開了某一個晶閘管持只有一個管壓降，也有利于降低損耗。VD3VD4來實(shí)現(xiàn)，其電路圖如右圖所示：

該圖由天舒同學(xué)用Visio軟件繪制試驗(yàn)改進(jìn)：為了在試驗(yàn)中得到更為平穩(wěn)的電流波形，我

該圖由天舒同學(xué)用Visio軟件繪制17/31四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告四川大學(xué)電氣信息學(xué)院電力電子技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告18/31、七仿真試驗(yàn)、〔該局部全部圖像均由羅大廳同學(xué)采集、繪制〕〔二〕測量負(fù)載特性〔R=300歐〔二〕測量負(fù)載特性〔R=300歐L=0〕該圖由羅大廳同學(xué)繪制參數(shù)設(shè)置Multimeter測量電阻RUdId以及電源ACphasedelay〔secs〕2=0.01R=300Peakamplitude=200VFrequency=50HzPeriod〔secs〕=0.02，Phasedelay〔secs〕1=0Period〔secs〕=0.02，Phasedelay〔secs〕2=0.01i1、i2掌握信號波形Uctα=0°單相半控橋式電路負(fù)載特性仿真結(jié)果phasedelay〔secs〕2=0.01+1/600α=30°，R=300Ω，仿真結(jié)果phasedelay〔secs〕2=0.01+1/200α=90°，R=300Ω仿真結(jié)果4=120°R=30Ωperiod=0.02speakamplitude=220Vfrequency=50Hzphase〔phasedelay〔secs〕2=0.01+1/150α=120°，R=300Ω仿真結(jié)果α=18R=30Ωperiod=0.02speakamplitude=220fre