电力电子技术讲义第02章

1、2）维持电流Ih在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚好能保持导通的最小阳极电流称为 维持电流Ih。维持电流与元件容量、结温等因素有关，额定电流大的管子维持电流也大， 同一管子结温低时维持电流增大，维持电流大的管子容易关断。同一型号的管子其维持电流也各不相同。3）擎住电流Il在晶闸管加上触发电压， 当元件从阻断状态刚转为导通状态就去除触发电压，此时要保持元件持续导通所需要的最小阳极电流，称擎住电流Il。对同一个晶闸管来说， 通常擎住电流比维持电流大数倍。4）断态重复峰值电流 Idrm和反向重复峰值电流 IrrmIdrm和Irrm分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压Udrm和反向重复峰

2、值电压Urrm时的峰值电流。它们都应不大于表1 2中所规定的数值。5）浪涌电流ItsmItsm是一种由于电路异常情况（如故障）引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大 正向过载电流。用峰值表示，见表 1-2。浪涌电流有上下两个级，这些不重复电流定额用 来设计保护电路。（3）门极参数1）门极触发电流IgT室温下，在晶闸管的阳极一阴极加上6V的正向阳极电压，管子由断态转为通态所必需的最小门极电流，称为门极触发电流IgT。2）门极触发电压UgT产生门极触发电流IgT所必需的最小门极电压，称为门极触发电压UgT。为了保证晶闸管的可靠导通，常常采用实际的触发电流比规定的触发电流大。（4）动态参数1）断态

3、电压临界上升率 du/ dtdu/dt是在额定结温和门极开路的情况下，不导致从断态到通态转换的最大阳极电压上 升率。实际使用时的电压上升率必须低于此规定值（见表 1 - 2）。限制元件正向电压上升率的原因是：在正向阻断状态下，反偏的J2结相当于一个结电容，如果阳极电压突然增大，便会有一充电电流流过J2结，相当于有触发电流。若 du/dt过大，即充电电流过大，就会造成晶闸管的误导通。所以在使用时，采取保护措施，使它不 超过规定值。2）通态电流临界上升率 di/ dtdi/dt是在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。其允许值 见表1 2。如果阳极电流上升太快，则晶闸管刚一开通

4、时，会有很大的电流集中在门极附近的小区 域内，造成J2结局部过热而使晶闸管损坏。因此，在实际使用时要采取保护措施，使其被 限制在允许值内。10(5)晶闸管的型号根据国家的有关规定，普通晶闸管的型号及含义如下:课题二单相可控整流电路,单相半波可控整流电路1 .电阻性负载如图1-9单相半波可控整流调光灯主电路， 实际上就是负载为阻性的单相半波可控整流 电路，对电路的输出波形 Ud和晶闸管两端电压波形 UT的分析在调试及修理过程中是非常重 要的。在假设主电路和触发电路均正常工作，下面进行电路分析。图1-9负载为阻性的单相半波可控整流电路在图1-9单相半波可控整流电路中，整流变压器起变换电压和隔离的作

5、用，其一次和二次电压瞬时值分别用 U1和U2表示，二次电压 U2为50Hz正弦波，函数表达式为：u2 2U2 sin t当接通电源后，便可在负载两端得到脉动的直流电压，其输出电压的波形可以用示波 器进行测量。(1)工作原理在分析电路工作原理之前，先介绍几个名词术语和概念。控制角 ：控制角 也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触 发脉冲出现之间的电角度。导通角e :是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化 范围。1) = 0。时的波形分析图1 10是

6、 =0。时实际电路中输出电压和晶闸管两端电压的理论波形。图1-10 (a)所示为=0。时负载两端(输出电压)的理论波形。从理论波形图中我们可以分析出，在电源电压 U2正半周区间内，在电源电压的过零点，即：=0。时刻加入触发脉冲触发晶闸管 VT导通，负载上得到输出电压Ud的波形是与电源电压 U2相同形状的波形；当电源电压 U2过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压Ud为零；在电源电压U2负半周内，晶闸管承受反向电压不能导通，直到第二周期=0。触发电路再次施加触发脉冲时，晶闸管再次导通。图1-8 (b)所示为=0。时晶闸管两端电压的理论波形图。在晶闸管导通期间，忽略晶闸管的管压降，UT =

7、 0,在晶闸管截止期间，管子将承受全部反向电压。(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1-100O时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形2) 30°时的波形分析改变晶闸管的触发时刻，即控制角的大小即可改变输出电压的波形，图 1-11 (a)所示为 30°的输出电压的理论波形。在30°时，晶闸管承受正向电压，此时加入触发脉冲晶闸管导通，负载上得到输出电压Ud的波形是与电源电压 Ud相同形状的波形；同样当电源电压U2过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压Ud为零；在电源电压过零点到30°之间的区间上，虽然晶闸管已经承受正向电压，但由于没有触发脉冲

8、，晶闸管依然处于截止状态。图1-11 (b)所示为30°时晶闸管两端的理论波形图。其原理与0°相同。12(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1 1130°时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形图1-11所示为30°时实际电路中用示波器测得的输出电压和晶闸管两端电压波形，可与理论波形对照进行比较。将示波器探头的接于白炽灯两端，调节旋钮"t/div”和“ v/div"，使示波器稳定显示至少一个周期的完整波形，并且使每个周期的宽度在示波器上显示为六个方格(即：每个方格对应的电角度为60°),调节电路，使示波器显示的输出电压的

9、波形对应于控制角的角度为，如图1-12 (a)所示，可与理论波形对照进行比较。将示波器探头的测试端和接地端接于晶闸管两端，测试晶闸管在控制角的角度为30。时两端电压的波形，如图 1-12 (b)所示，可与理论波形对照进行比较。(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形30°时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形图 1 123)其他角度时的波形分析为 60°、90°、120° 时输继续改变触发脉冲的加入时刻，我们可以分别得到控制角出电压和管子两端的波形，如图113、1 14、1 15、1-16、1-17、1-18 所示分别为理论波形和实测波形。其原理请自行分

10、析。13(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1 1360o时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形(a)(b)(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1 1460°时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形,Ln ;p(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1 1590°时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形14(a)(b)(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1 1690°时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形(a)输出电压波形(b)晶闸管两端电压波形图1 17120°时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形(b)(a)输出电压波形(b)晶闸管两端

11、电压波形图1 18120°时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形由以上的分析和测试可以得出:15 在单相整流电路中，把晶闸管从承受正向阳极电压起到加入触发脉冲而导通之间的 电角度 称为控制角，亦称为触发延迟角或移相角。晶闸管在一个周期内导通时间对应的 电角度用 表示，称为导通角，且。 在单相半波整流电路中，改变的大小即改变触发脉冲在每周期内出现的时刻，则Ud和id的波形也随之改变，但是直流输出电压瞬时值Ud的极性不变，其波形只在 U2的正半周出现，这种通过对触发脉冲的控制来实现控制直流输出电压大小的控制方式称为相位控 制方式，简称相控方式。 理论上移相范围0°180°

12、;。在本课题中若要实现移相范围达到0°180°,则需要改进触发电路以扩大移相范围。（2）基本的物理量计算1）输出电压平均值与输出电流平均值的计算：Ud17tL1 cos2U2Sin td( t) 0.45U 22/2IdU dU 2 1 cosd 0.45 2-RdRd 2可见，输出直流电压平均值Ud与整流变压器二次侧交流电压U2和控制角 有关。当U2给定后，Ud仅与 有关，当=0°时，则Ud0=0.45 U2,为最大输出直流平均电压。当=0°时，Ud=0o只要控制触发脉冲送出的时刻，Ud就可以在00.45 U2之间连续可调。2）负载上电压有效值与电流有

13、效值的计算：根据有效值的定义，U应是Ud波形的均方根值，即U"（匿U2Sin t）2d（ t） U2J22冗 4冗负载电流有效值的计算：| U2 s sin 2Rd '1 2n 4n3）晶闸管电流平均值IdT和有效值It与管子两端可能承受的最大电压：在单相半波可控整流且为阻性负载的电路中，因为晶闸管与负载串联， 所以负载电流的 平均值就是流过晶闸管电流的的平均值，负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效IdU2 1 0.45-Rd值，其关系为cos2U2 n sin 2Rd 2n 4汽由图1 16中ut波形可知，晶闸管可能承受的正反向峰值电压为Utm 2U24）功率因数CO

14、S。16cosP UIS U2Isin 2fjt2 2 u 4 冗例12单相半波可控整流电路，阻性负载，电源电压压为50V,直流输出平均电流为 20A,试计算：U2为220V,要求的直流输出电(1)晶闸管的控制角 。(2)输出电流有效值。(3)电路功率因数。(4)晶闸管的额定电压和额定电流，并选择晶闸管的型号。解：(1)由下式计算输出电压为50V时的晶闸管控制角1 cosUd 0.45U222 50,cos10.45 220,求得= 90°RdUd 5017 202.5(2)当 =90。时，由下式计算得I = 44.4AIUj_ _k sin 2Rd V 2-4-(3)求得的功率因数

15、P UI 冗 sin 2 cosS U2I . 2 冗 4 冗(4)根据It(av)> (1.52) It /1.57,取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为 It(av)>42.456.6A, 按电流等级可取额定电流50A。晶闸管的额定电压为An= (23)Utm=(23) <2 220=622933V ,按电压等级可取额定电压700V即7级。所以选择晶闸管型号为：KP50 7。2 .电感性负载直流负载的感抗co Ld和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称电感性负载。属于 此类负载的如：工业上电机的励磁线圈、输出串接电抗器的负载等。电感性负载与电阻性负载时有很大不同。为了便

16、于分析，在电路中把电感Ld与电阻Rd分开，如图1-19所示。我们知道，电感线圈是储能元件，当电流id流过线圈时，该线圈就储存有磁场能量，id愈大，线圈储存的磁场能量也愈大，当id减小时，电感线圈就要将所储存的磁场能量释放出来，试图维持原有的电流方向和电流大小。电感本身是不消耗能量的。众所周知，能量的存放是不能突变的，可见当流过电感线圈的电流增大时，Ld两端就要产生感应电动势，即，ul= Ld (did/dt)其方向应阻止id的增大，如图1-19 (a)所示。反之，id要减小时，Ld两端感17应的电动势方向应阻碍的id减小，如图1-19 (b)所示。尺j 忧衣尺d 状尺_X_ L(a)电流id增

17、大时Ld两端感应电动势方向(b)电流id减小时Ld两端感应电动势方向图1-19电感线圈对电流变化的阻碍作用图1-20所示为电感性负载在某一控制角”时的输出电压、电流的理论波形，从波形图 上可以看出：图1-20单相半波电感性负载时输出电压及电流波形(1)在0 期间：晶闸管阳极电压大于零，此时晶闸管门极没有触发信号，晶闸管 处于正向阻断状态，输出电压和电流都等于零。(2)在 时刻：门极加上触发信号，晶闸管被触发导通，电源电压 U2施加在负载上, 输出电压Ud=U2。由于电感的存在，在 Ud的作用下，负载电流id只能从零按指数规律逐渐上 升。(3)在兀时刻：交流电压过零，由于电感的存在，流过晶闸管的

18、阳极电流仍大于零， 晶闸管会继续导通，此时电感储存的能量一部分释放变成电阻的热能，同时另一部分送回电网，电感的能量全部释放完后，晶闸管在电源电压U2的反压作用下而截止。直到下一个周18期的正半周，即2兀十 时刻，晶闸管再次被触发导通。如此循环，其输出电压、电流波形 如图1 20所示。结论：由于电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源电压由正到负的过零点也不会关断，使负载电压波形出现部分负值，其结果使输出电压平均值Ud减小。电感越大，维持导电时间越长，输出电压负值部分占的比例愈大，Ud减少愈多。当电感 Ld非常大时(满足co Ld>>Rd,通常3 Ld>10Rd即可)，对于不

19、同的控制角，导通角 将接近2兀-2 ,这时负载上得到的电压波形正负面积接近相等，平均电压Ud=0。可见，不管如何调节控制角，Ud值总是很小，电流平均值 Id也很小，没有实用价值。实际的单相半波可控整流电路在带有电感性负载时，都在负载两端并联有续流二极管。3 .感性负载接续流二极管(1)电路结构为了使电源电压过零变负时能及时地关断晶闸管，使Ud波形不出现负值，又能给电感线圈Ld提供续流的旁路，可以在整流输出端并联二极管，如图 1-21所示。由于该二极管是 为电感负载在晶闸管关断时提供续流回路，FT在晶闸管关断时，该管 能为负载提供续流回 路，故称续流二极管图1-21电感性负载接续流二极管时的电路作用：使负载不 出现负电压(2)工作原理图1-22所示为电感性负载接续流二极管某一控制角时输出电压、电流的理论波形。图1-22电感性负载接续流二极管时输出电压及电流波形从波形图上可以看出:19