电机传动与控制第八章 电力电子学

1、第八章第八章 电力电子学电力电子学晶闸管晶闸管 及其基本电路及其基本电路 1 1、掌握晶闸管的基本工作原理；、掌握晶闸管的基本工作原理； 2 2、掌握可控整流电路的工作原理；、掌握可控整流电路的工作原理； 3 3、了解触发电路的基本工作原理；、了解触发电路的基本工作原理； 4 4、了解逆变器的工作原理。、了解逆变器的工作原理。 本章要求：本章要求： 本章知识点：本章知识点： 1 1、晶闸管的伏安特性；、晶闸管的伏安特性； 2 2、可控整流的基本原理；、可控整流的基本原理； 3 3、触发角、负载性质对可控整流的影响；、触发角、负载性质对可控整流的影响； 4 4、逆变的原理。、逆变的原理。 电力半

2、导体器件的优、缺点：电力半导体器件的优、缺点： 优点：优点： （1）用很小的功率可以控制较大的功率；）用很小的功率可以控制较大的功率； （2）控制灵敏、反应快；）控制灵敏、反应快； （3）损耗小、效率高，；）损耗小、效率高，； （4）体积小、重量轻。）体积小、重量轻。 缺点：缺点： （1）过载能力弱，在过电流、过电压情况下很）过载能力弱，在过电流、过电压情况下很 容易损坏；容易损坏； （2）抗干扰能力差，；）抗干扰能力差，； （3）导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增）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；加，干扰周围的电气设备； （4）控制电路比较复杂。）控制电路比较

3、复杂。 功率放大倍数可功率放大倍数可 以达到几十万倍以达到几十万倍 v导通和截止时间导通和截止时间 都在微秒级都在微秒级 v选用时，其电压、电选用时，其电压、电 流应适当留有余量；流应适当留有余量； 8.1 8.1 电力半导体器件电力半导体器件 8.1.1 8.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 新型大功率半导体器件，也称新型大功率半导体器件，也称可控硅可控硅。 1. 1. 基本结构基本结构 阴极阴极K 阳极阳极A 控制极（又称控制极（又称 门极）门极）G 更换元件很方更换元件很方 便，用于便，用于100A100A 以下的元件。以下的元件。 v散热效散热效 果比较果比较 好，用好，用 于于

4、200A 以上的以上的 元件元件 由由PNPN四四 层半导体材料层半导体材料 叠成，形成三叠成，形成三 个个PN结。结。 2. 2. 工作原理工作原理 l l 实验情况实验情况 说明：说明：可用灯泡灯泡 代替电阻电阻RL。 1) 1)晶闸管承受正向电压，开关晶闸管承受正向电压，开关S S（控制极）（控制极） 断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。 2)2)在控制极与阴极之间再加上在控制极与阴极之间再加上正向电压正向电压 （S S接通），电灯发亮，接通），电灯发亮，晶闸管导通。晶闸管导通。 3)3)晶闸管承受晶闸管承受反向电压反向电压，不论，不论S S是否接通，是否接通

5、， 电灯均不亮，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。晶闸管关断（阻断）。 4)4)晶闸管导通后（情况晶闸管导通后（情况2 2），断开控制极），断开控制极 电压电压（控制极失去作用），电灯仍发亮，（控制极失去作用），电灯仍发亮，晶晶 闸管仍导通。闸管仍导通。 5)5)晶闸管导通后（情况晶闸管导通后（情况2 2），如果控制极），如果控制极 电压加电压加反向电压反向电压，不论，不论阳极电压是正或负，阳极电压是正或负， 电灯均不亮，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。晶闸管关断（阻断）。 结论结论 1)1)晶闸管导通条件：晶闸管导通条件：阳极阳极加加正向电压正向电压，控制极控制极也加也加正向电压正向电压。 2

6、)2)控制极只需加控制极只需加正触发脉冲电压正触发脉冲电压 ( (在晶闸管导通之后，其控制在晶闸管导通之后，其控制 极就失去控制作用极就失去控制作用) 。 3)3)晶闸管晶闸管具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。 (这一点与二极管不同，二极管只有反向阻断能力）。这一点与二极管不同，二极管只有反向阻断能力）。 4）欲使晶闸管恢复阻断状态，）欲使晶闸管恢复阻断状态，必必 须把阳极正向电压降低到一定值须把阳极正向电压降低到一定值 （或断开，或反向）。（或断开，或反向）。 v为什么会出现这种特性呢？为什么会出现这种特性呢？ 1) 1) 等效为等效为PNPPN

7、P型和型和NPNNPN型两个晶体管的组合。型两个晶体管的组合。 2)2) 阳极和控制极均加正向电压时，阳极和控制极均加正向电压时，I Ig g经经VTVT2 2放大，集电放大，集电 极电流为极电流为2 2I Ig g（VTVT1 1 基极电流），又经基极电流），又经VTVT1 1放大，集电极电放大，集电极电 流为流为 12Ig（即（即VTVT2 2基极电流），再次放大，循环往复，直基极电流），再次放大，循环往复，直 至导通为止（至导通为止（“触发导通过程触发导通过程”微秒级）。微秒级）。 3) 3) 晶闸管导通后，晶闸管导通后，VTVT2 2 基极电流基极电流 比比I Ig g（控制电流）大得

8、多，故去掉（控制电流）大得多，故去掉 u ug g ， 晶闸管仍导通。晶闸管仍导通。 4)4) 阳极加反向电压，无放大作用，阳极加反向电压，无放大作用， 晶闸管不导通；控制电压反向或未加晶闸管不导通；控制电压反向或未加 入，不产生起始入，不产生起始I Ig g ，晶闸管也不导通。，晶闸管也不导通。 3.3.伏安特性伏安特性 晶闸管的晶闸管的阳极电压阳极电压与与阳极电流阳极电流的关系的关系称为晶闸管的伏称为晶闸管的伏 安特性安特性。 从图中看出从图中看出随着随着IgIg的增大，导通电压的增大，导通电压U UB B降低降低。 10.1.2 其它电力半导体器件其它电力半导体器件 （自学）（自学） 双

9、向晶闸管双向晶闸管 可关断晶闸管可关断晶闸管 功率晶体管功率晶体管 整流二极管整流二极管 8.2 8.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 由晶闸管组成的可控整流电路由晶闸管组成的可控整流电路类似类似于二极管整流电路。于二极管整流电路。 所不同的是用可控元件（晶闸管）代替二极管所不同的是用可控元件（晶闸管）代替二极管,也可分为单也可分为单 相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。 8.2.1 8.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 特点：特点： 应用较少，电路简单，调整容易。应用较少，电路简单，调整容易。 直流输出电压低，脉动大

10、。直流输出电压低，脉动大。 电阻性负载电阻性负载 分析： 1) 控制角（晶闸管元件承受正向电压起始 点到触发脉冲作用点之间的电角度）， 导通角（晶闸管在一周期时间内导通的 电角度）， ， ， 。 2) 最大正向、反向电压为 （电源变压器副 边电压 的最大值）。 3) 负载（输出直流）电压平均值、负载电流平 均值分别为： 4) ，达到可控整流的目的。 2 2U tUusin2 22 2 cos1 45. 0)(sin2 2 1 22 UttdUU d 2 cos1 45. 0 2 R U R U I d d dd IU， 2.2. 电感性负载电感性负载 如：各种电机的励磁线圈等。 分析： 电感阻

11、碍电流变化（ 自感电势或反电 动势）。 大于电源负电压，晶闸管继续导通，也 就是说，导通角 1) 负 载 电 感 ， 负 载 负 （ 反 向 ） 电 压 ，(有效电压： U+-U-变小)满 足不了负载的要求。 L e , dd IU， L e 3.3. 续流二极管续流二极管的作用（大电感性负载）的作用（大电感性负载） 分析：分析： 1) 1) 负载两端并联一只二极管。负载两端并联一只二极管。 2)2) 电流电压过零变负时，续流二极管导通，电流电压过零变负时，续流二极管导通， 晶闸管自行关断（晶闸管自行关断（无电流流回电源无电流流回电源）。）。 3)3) 负载两端电压为二极管管压降，接近于零负载

12、两端电压为二极管管压降，接近于零 （电感放出能量消耗在电阻上电感放出能量消耗在电阻上）。）。 4) 4) 波形与电阻性负载一样，波形与电阻性负载一样， 波形与之波形与之 很不相同。当很不相同。当 时，时，电流脉动小电流脉动小， 波形近似于一条平行于横轴的直线。波形近似于一条平行于横轴的直线。 d u d i RL d i 8.2.2 8.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路 （应用很广） 它与不可控桥式整流电路的区 别：二只晶闸管代替二只二极管。 1.1. 单相单相半控桥半控桥式整流电路式整流电路 工作原理： l 输入电压正半周，触发VS1，VS2和V1反向 截止，电流通路为： l

13、 输入电压负半周，触发VS2，VS1和V2反向 截止，电流通路为： 21 21 VRVS 12 12 VRVS 电阻性负载电阻性负载 与与半波半波整流相比较，整流相比较， 和和 增加了增加了一倍一倍，分别为：，分别为： d U d I 2 cos1 9 . 0 2 UU d 2 cos1 9 . 0 2 R U Id 2.2. 单相单相全控桥全控桥式整流电路式整流电路 2 0cos9 . 0)(sin2 2 2 22 UttdUUd 为负值时，但当变化范围可以 d U 2 O 8 83 3 三相可控整流电路三相可控整流电路 8 83.13.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 电压高于

14、其他两相电压的转折电压高于其他两相电压的转折 点，称为点，称为自然换向点自然换向点 。 整流变压器副边接成星整流变压器副边接成星 形，有公共零点形，有公共零点“0”， 所以也叫三相零式电路所以也叫三相零式电路 1 1、2 2、3 3点分别是点分别是u uA A，u uB B，u uC C电压高于其他电压高于其他 两相电压的转折点，称为自然换向点。两相电压的转折点，称为自然换向点。每每 一个管子导通一个管子导通1201200 0 注意：注意： 1 1、在自然换向点之前，晶在自然换向点之前，晶 闸管承受反电压，无论是否有触发闸管承受反电压，无论是否有触发 脉冲，脉冲，VSVS均不导通。均不导通。

15、2 2、三相半波可控整流电路控制角三相半波可控整流电路控制角的起始点（即的起始点（即=0=0）取为自）取为自 然转折点。然转折点。因此，它的可控范围为因此，它的可控范围为0 05/65/6（1501500 0） 1 1、电阻性负载、电阻性负载 当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压 为为 ,可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为 , （承受线电压）（承受线电压） （ 为相电压有效值，为相电压有效值， 为相电压峰值）为相电压峰值） P2 2U P2P2 623UU P2 U P2 2U 1 1）当）当0 0时（自然换相时（自然换

16、相 ，触发脉冲在自然触发脉冲在自然 换相点加入换相点加入) ) 2 2）当）当0 0 /6 /6时时 （/6/6触发触发 点刚好是前一导通相电压过零点）点刚好是前一导通相电压过零点） 3) /63) /65/65/6 （5/65/6触发点刚好是后触发点刚好是后 一导通相电压过零点）一导通相电压过零点） 负载上电压波负载上电压波 形是断续的形是断续的 2 2、电感性负载（自行分析）、电感性负载（自行分析） 三相带电感性负载的分析方法与单相带电三相带电感性负载的分析方法与单相带电 感性负载相同，感性负载相同， 由于有自感电势，与电阻性负载相比主要由于有自感电势，与电阻性负载相比主要 有如下几点不同

17、：有如下几点不同： 1 1）电压过零时不能自行关断；）电压过零时不能自行关断； 2 2）电流不突变，波形与电感大小有关；）电流不突变，波形与电感大小有关； 3 3）控制角移相范围缩小为：）控制角移相范围缩小为：0 02 2； 4 4）一般需加续流二极管。）一般需加续流二极管。 8 83 32 2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 由于三相全控桥式整流电路可以看成是两组三相半波可由于三相全控桥式整流电路可以看成是两组三相半波可 控整流电路的串联，因此，整流电压控整流电路的串联，因此，整流电压Ud应比式（应比式（10.13） 大一倍，大一倍， Ud=2.34U2PCOS (0/3) 把三只

18、把三只 晶闸管晶闸管 的阳极的阳极 接在一接在一 起，叫起，叫 作共阳作共阳 极组整极组整 流电路。流电路。 对应于对应于0的工作状况，即触发脉冲在自然换相点的工作状况，即触发脉冲在自然换相点 发出。对共阴极组的晶闸管而言，电压比其他两相为发出。对共阴极组的晶闸管而言，电压比其他两相为 正，同时又有触发脉冲，晶闸管就导通。而对共阳极正，同时又有触发脉冲，晶闸管就导通。而对共阳极 组的晶闸管而言，电压比其他两相为负，同时又有触组的晶闸管而言，电压比其他两相为负，同时又有触 发脉冲，晶闸管也触发导通。因此，发脉冲，晶闸管也触发导通。因此，在同在同1时刻，总时刻，总 有两个晶闸管导通。有两个晶闸管导

19、通。如图如图t1时刻（时刻（uAB，下标，下标AB表示表示 A相、相、B相导通）共阴组相导通）共阴组A相电压较正、共阳组相电压较正、共阳组B相电相电 压较负，如果给压较负，如果给VS1、VS6触发脉冲，触发脉冲，VS1、VS6导通，导通， 电流从电流从A相经相经VS1、负载和、负载和VS6回到回到B相，相，A A相电流为正，相电流为正， B B相电流为负（电流为负表示电流的真实方向与图上相电流为负（电流为负表示电流的真实方向与图上 所标正方向相反）。所标正方向相反）。 图图10103030三相桥式全控整流电压电流触发波形图三相桥式全控整流电压电流触发波形图 小结小结 前面仅讨论了几种有代表性的

20、可控整流电路。前面仅讨论了几种有代表性的可控整流电路。 单相桥式电路各项性能较好，只是电压脉动单相桥式电路各项性能较好，只是电压脉动 频率较大（多用于电源），三相桥式可控整频率较大（多用于电源），三相桥式可控整 流电路，各项指标都好，元件承受的峰值电流电路，各项指标都好，元件承受的峰值电 压最低，最适合于大功率高压电路。压最低，最适合于大功率高压电路。所以，所以， 一般小功率电路应优先选用单相桥式电路，一般小功率电路应优先选用单相桥式电路， 对于大功率电路，则应优先考虑三相桥式电对于大功率电路，则应优先考虑三相桥式电 路。只有在某种特殊情况下，才选用其他线路。只有在某种特殊情况下，才选用其他线

21、 路。对于桥式电路是选用半控桥还是全控桥，路。对于桥式电路是选用半控桥还是全控桥， 要根据电路的要求决定。要根据电路的要求决定。对一般要求不高的对一般要求不高的 负载，可采用半控桥。工作于逆变状态，必负载，可采用半控桥。工作于逆变状态，必 须选用全控桥。须选用全控桥。 8 84 逆变器逆变器 整流：整流：把交流电变成直流电把交流电变成直流电供给负载，称为整流；供给负载，称为整流； 逆变：逆变：把直流电变成交流电把直流电变成交流电，称之为逆变。（整流的，称之为逆变。（整流的 逆向过程）逆向过程） 逆变器：逆变器：把直流电变成交流电的装置把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。，叫做逆变器。 变流器

22、：变流器：同一套晶闸管电路既可实现整流，又可实现逆同一套晶闸管电路既可实现整流，又可实现逆 变的装置变的装置，通常称为变流器。，通常称为变流器。 有源逆变：有源逆变：变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的 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 电反馈到电网去电反馈到电网去，叫有源逆变；，叫有源逆变；( (即逆变后的交流与交即逆变后的交流与交 流电源相接的逆变称为有源逆变）流电源相接的逆变称为有源逆变） 无源逆变：无源逆变：如果变流器交流侧接到负载，把直流电逆变如果变流器交流侧接到负载，把直流电逆变

23、 为某一频率或可变频率的交流电供给负载为某一频率或可变频率的交流电供给负载，则称为无源，则称为无源 逆变。逆变。 有源逆变器应用于直流电动机的可逆调速、线绕式异有源逆变器应用于直流电动机的可逆调速、线绕式异 步电动机的串级调速等方面，无源逆变器通常用于变频步电动机的串级调速等方面，无源逆变器通常用于变频 器、交流电动机的变频调速等方面。器、交流电动机的变频调速等方面。 841 有源逆变电路有源逆变电路 842 无源逆变电路无源逆变电路 1，无源逆变电路的工作原理，无源逆变电路的工作原理 当开关当开关S1、S4 闭合，而开关闭合，而开关S2、 S3断开时，电流从断开时，电流从 电源正极经电源正极

24、经S1、负、负 载载RL、S4、回到、回到 电源负极电源负极 当开关当开关S2、S3 闭合，而开关闭合，而开关S1、 S4断开时，电流从断开时，电流从 电源正极经电源正极经S3、负、负 载载RL、S2、回到、回到 电源负极电源负极 改变两组改变两组 开关每秒内闭开关每秒内闭 合和断开的次合和断开的次 数，就可改变数，就可改变 输出电压的频输出电压的频 率，这就是它率，这就是它 的变频作用。的变频作用。 逆变要解决两个基本问题：逆变要解决两个基本问题： 1）幅值控制；）幅值控制； 2）频率控制。）频率控制。 （解决的方法很多，目前最流行的是脉宽调制（解决的方法很多，目前最流行的是脉宽调制 控制（

25、控制（PWM） 。通过改变参考信号的幅值和。通过改变参考信号的幅值和 频率就可改变逆变输出的等效正弦波的幅值与频率就可改变逆变输出的等效正弦波的幅值与 频率。这方面的内容可参考有关变频器方面的频率。这方面的内容可参考有关变频器方面的 书籍。在第十二章再讲。）书籍。在第十二章再讲。） 85 晶闸管的触发电路 常用的触发电路有下面几种： （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 （1）单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路，是最早应用的、基本的、 常用的一种。它的优点是电路简单，可靠性高优点是电路简单，可靠性高，适

26、用于 中小容量的晶闸管电路。缺点是输出脉冲不够宽缺点是输出脉冲不够宽。 （2）小容量晶闸管触发电路小容量晶闸管触发电路，其输出脉冲用于触发大 功率晶问管。其优点是简单，可靠，触发功率大，可得优点是简单，可靠，触发功率大，可得 到宽脉冲。缺点是需要单结晶体管触发小容量晶闸管，到宽脉冲。缺点是需要单结晶体管触发小容量晶闸管， 用的元件比较多。用的元件比较多。 （3）晶体管触发电路。）晶体管触发电路。它的优点是价格便宜，容易它的优点是价格便宜，容易 实现，输出功率比较大实现，输出功率比较大。所以，应用很广，特别广泛。所以，应用很广，特别广泛 用于多相电路中。晶体管组成的触发电路种类很多，用于多相电路

27、中。晶体管组成的触发电路种类很多， 常用的有正弦波移相和锯齿波移相两种常用的有正弦波移相和锯齿波移相两种。现已生产出。现已生产出 单片集成晶间管触发电路。（单片集成晶间管触发电路。（ 它们各有优缺点。）此它们各有优缺点。）此 外，还可以用计算机定时触发、外，还可以用计算机定时触发、 8.51 晶闸管对触发电路的要求 为了保证可靠触发，晶闸管对触发电路有一定的要求： （1）触发电路应能提供足够大的触发电压和触发电流，能提供足够大的触发电压和触发电流， 一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下 （2），触发脉冲的宽度触发脉冲的宽度（图1039中的t1）必须在必须在 10s以上（最好有以上（最好有20s50s）， （3）不触发时，触发电路的输出电压应该小于不触发时，触发电路的输出电压应该小于015V 020V （4）触发脉冲的前沿要陡触发脉冲的前沿要陡，前沿最好在，前沿最好在10s以下以下， （5）触发脉冲应该和主电路同步触发脉冲应该和主电路同步，移相范围要足够宽移相范围要足够宽。 触发脉冲与主电路不同步的影响触发脉冲与主电路不同步的影响 852 单结晶体管触发电路 1单结晶