单相可控整流课件

1、电力电子精品课程组电力电子技术课程电子教案项目一 可控整流与直流调速【项目描述】： 把交流电变换成大小可调的单一方向的直流电的过程，称为可控整流。可控整流技术是变流技术的基础，被广泛应用于调光、调温控制，电解及电镀用的直流电源，直流调速系统等。 晶闸管直流调速系统在电气传动领域中应用非常广泛，如各种金属切削机床、轧钢机、挖掘机等方面得到了广泛的应用。晶闸管直流调速仪HNZ-KZD-01 电力电子技术是利用电力电子半导体器件对电能（电压、电流、频率、波形和相位等）进行控制和变换的技术，是横跨电力、电子和控制三大电气工程技术之间的交叉学科，其主要功能有： 可控整流（AC/DC）：交流电变换为固定或

2、可调的直流电。逆变电路（DC/AC）：直流电变换成频率固定或频率可调的交流电。直流斩波（DC/DC）：固定直流变换成可调或固定直流电。交流调压（AC/AC）：恒定或固定频率交流变换为可变或频率可变的交流电。无触点功率静态开关：用晶闸管取代接触器、继电器用于操作频繁的场合一、晶闸管与功率二极管（一）晶闸管1、名称及分类 名称：硅晶体闸流管或可控整流器（SCR），简称晶闸管（Thyristor）,俗称可控硅。 2、结构 (1)内部结构 普通晶闸管 双向晶闸管分类： 可关断晶闸管 逆导晶闸管 光控晶闸管四层半导体（P1N1P2N2）、三端电极（阳极A、阴极K、门极G）组成。螺栓型：额定电流一般介于1

3、0A至200A。平板型：额定电流一般大于200A以上。（2）外形塑封型：小容量，一般额定电流10A以下。3、晶闸管的工作原理1) 原理 当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，构成正反馈，使ib2不断增大，如此正向循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反

4、馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，因此触发信号只起触发作用，没有关断功能。 2) 结论（1）晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压，两者缺一不可。（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。故门极通常所加的触发电压一般为脉冲电压。（3）晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流IA小于维持电流IH。维持电流是保持晶闸管导通的最小电流。4、晶闸管的伏安特性和主要参数1) 阳极伏安特性 晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系，称晶闸管的阳极伏安特性(1) 正向特性：（一象限）正向导通曲线：导通后的晶闸管特

5、性和二极管的正向特性相仿正向阻断曲线：在门极电流IG0情况下，逐渐增大晶闸管的正向阳极电压。先是晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流，随着正向阳极电压的增加，当达到正向转折电压VBO时，漏电流突然剧增，特性从高阻区（阻断状态）经负阻区到达低阻区（导通状态）(2) 反向特性：（三象限） 与一般二极管的反向特性相似，在正常情况下，当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总处于阻断状态。当反向电压增大到一定数值时，反向漏电流增长较快。若再继续增大反向电压，会导致晶闸管的反向击穿，造成晶闸管损坏。 IG2IG1IG2) 阳极主要参数(1)额定电压UTn 出厂额定电压 额定结温时，取正向断态重复峰值电压UDS

6、M和反压断态重复峰值电压URSM各乘以0.9后取整较小的值。 使用时选择额定电压 实际工作电路中可能承受的最大蜂值电压UTM考虑23倍的裕量。即：UTn=（23）UTM()额定电流IT(AV) 定义：在环境温度400C和规定的冷却条件下，当不超过额定结温且稳定时，晶闸管所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。 计算： ImITIT(AV)2wti0()通态平均电压UT(AV) 指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期内UAK的平均值， 一般在0.41.2V。()其它参数 维持电流IH：指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要的最小通态电流。一般IH值从几十

7、到几百毫安，视晶闸管电流容量大小而定。 擎住电流IL：指晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使元件保持导通所需要的最小阳极电流。一般擎住电流IL是维持电流IH的几倍。可见，欲使晶闸管的阳极电流上升到擎住电流IL以上，才能导通，触发脉冲必须具有一定的宽度。 浪涌电流ITSM：指由于电路异常情况，造成使晶闸管超过额定结温的不重复性最大正向过载电流，用峰值表示。 断态电压临界上升率du/dt：在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。 通态电流临界上升率di/dt：在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通电流上升太快，

8、则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。 3) 晶闸管的门极伏安特性及主要参数 (1) 门极伏安特性:门极电压UG与门极电流IG的关系。IG0UG低阻曲线典型曲线高阻曲线电压极限电流极限(2) 门极主要参数门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD：不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称门极不触发电压UGD，相应的最大电流称门极不触发电流IGD。门极触发电流IGT和门极触发电压UGT：在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般为毫安级。产生门极触发电流所必须的最小门极电压，一般为5V左右。门极正向峰值电压UGM、门极

9、正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM：指在晶闸管触发过程中，不至造成门极损坏的最大门极电压、最大门极电流和最大瞬时功率。 4) 晶闸管的型号Z P 正向平均电压组别UF（IF小于100A不标）额定电压URRM额定正向平均电流IF表示普通型表示整流特性（二） 功率二极管1、结构及伏安特性（1）结构与普通二极管一样，是一个PN结，只是结面积大一些。功耗较大，外形有螺旋式和平板式。（2）伏安特性 PNAKKA0IdUdURO URSMURRMIRSUF2、主要参数（1）额定正向平均电流IF（额定电流）：规定的环境温度为400C和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过1400C时，所允许长时间连

10、续流过的工频正弦半波电流的平均值。（2）反向重复峰值电压URRM（额定电压）：在额定结温下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%，取规定的电压等级就是其额定电压。URRM=（23）UDM （3）正向平均电压UF（管压降）：规定环境温度400C和标准散热条件下，元件通过工频正弦半波额定正向平均电流时，元件两端的正向电压的平均值。一般在0.451V之间。3、型号及含义Z P 正向平均电压组别UF（IF小于100A不标）额定电压URRM额定正向平均电流IF表示普通型表示整流特性二、单相可控整流 (一) 单相半波可控整流1、电阻负载（1）Ud和Id是只在电源正半周出现的周期为2的脉动直流

11、电。（2）为保证同步，触发周期（间隔）为2。（3）移相范围:01800。（4）改变触发时刻，即控制角， Ud和Id波形随之变化。如： 增大 Ud（Id）减小，故称“可控”整流。（5）VT在一个周期的导通角T与有关,T=1800-。（6）2、大电感负载并续流二极管（1）Ud和UT的波形与电阻性负载一致。（2）Id为恒定直流电。（3）移相范围： 001800。（4）VT与VD交替导通。VT通进行整流，VD通进行续流，形成连续的恒定直流Id。（5）若无VD，由于大Ld在电源负半周延迟VT导通，会出现Ud正=Ud负，即Ud=0、Id=0，故大Ld必须并接VD。（6）3、反电动势负载 1）无平波电抗器L

12、d （1）电流呈脉冲波形，底部窄，脉动大。换相电流大，易产生火花，电动机振动厉害。（2）移相范围 Ud负，故Ud0，周期为。（3） Id为较小的恒定直流电。（4）触发周期为。（5）2、大电感负载无续流二极管（1）Ud和UT的波形与电阻性负载一致。（2）Id为恒定直流电。（3）移相范围： 001800。（4） VT1串VT3、 VT2串VT4与 VD交替导通，形成连续的恒定直流Id（5）2、大电感负载并接续流二极管1、电阻性负载（1）Ud和Id是周期为1200的脉动直流电。对三相各相电压整流。（2）触发起点即 =00点在各自然换相点（相电压交点）。（3）触发周期为1200 。不允许同时触发。（4

13、）移相范围:01500。（5） 三个VT轮流导通，共同构成Id。（6） :0300， Ud输出连续，T= 1200 ，UT波形为线电压和0。（7）:3001500， Ud输出断续， T=1500-，UT波形为相电压、线电压和0。（8）三、三相可控整流 (一) 三相半波可控整流（9）电量计算2、大电感负载无续流二极管VD（1）移相范围：00900。（2）:00300， Ud只有正值；:3001500， Ud存在负值，但Ud正 Ud负，故Ud0，周期为1200 。（3） Id为较小的恒定直流。（4）触发周期为1200 。（5） 三个VT轮流导通，且T =1200。（6）（7）电量计算（1）Ud和U

14、T的波形与电阻性负载一致。（2）Id为恒定直流电。（3）移相范围： 001500。（4）:0300， Ud正连续，T= 1200 ，三个VT交替导通，VD无作用（不通）。（5） :3001500， Ud输出断续， T=1500-， VT1、VT3 、VT5与VD交替导通，形成连续的恒定直流Id。（6）3、大电感负载并接续流二极管VD（7）电量计算（1）Ud和Id是周期为600的脉动直流电。对三相各线电压整流。（2）触发起点即 =00点在各自然换相点（相电压或线电压交点）。（3）触发周期为600 。不允许同时触发。（4）触发顺序VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6，采用单宽或双窄脉冲触

15、发。（5） 任一时刻必有共阴组一VT与共阳组一VT串联导通构成连续的Id。（6）只接大Ld负载，移相范围：00900。（7）:00600， Ud正连续； :600900， Ud正 Ud负； T= 1200 。（8） (二) 三相全控桥可控整流（9）电量计算 晶闸管触发电路的要求：触发信号应用足够的功率（电压与电流）对触发信号的小型要求触发脉冲的同步及移相范围防止干扰与误触发1、单结晶体管结构 单结晶体管也是一种半导体器件。它的外形和普通三极管相似，同样有三个电极，但在结构上却只有一个PN结，两个基极，故称为“单结晶体管”或双基极管。 如图示，它是在一块低掺杂（高电阻率）的N型硅基片一侧的两端各

16、引出一个电极，称为第一基极B1和第二基极B2。而在硅片的另一侧较靠近B2处利用半导体工艺掺入P型杂质，形成一个PN结，引出电极称为发射极E。单结晶体管的发射极与任一基极之间都存在着单向导电性。这样，我们可将单结晶体管看成是一个二极管D和两个电阻RB1、 RB2的等效电路。其中RB1和RB2分别为两个基极至PN结之间的电阻。两基极之间的电阻RBB= RB1RB2，一般约有 215 k。 四、触发电路 (一) 单结晶体管触发电路2、工作特性 单结晶体管工作时，需要在两个基极间加直流电压VBB，且B2接正极，B1接负极。在发射极不加电压时，RB1两端分得电压为： 式中RB1/RBB 称为单结晶体管的

17、分压比，用“”表示，所以VA=VBB ，分压比是单结晶体管的一个重要参数，其值与管子结构有关，一般在0.50.9之间。调节RP ，使VE从零开始逐渐增加。当VEVA+VF时，单结晶体管内的PN结处于反向偏置，E和B1之间不能导通，呈现很大的电阻，故单结晶体管处于截止状态。当VEVA+VF时，单结晶体管内的PN结便承受正向电压而导通，发射极电流突然增大。这一使E、B1极之间由截止突然变为导通所需的控制电压称为单结晶体管的峰点电压，用VP表示。显然VP=VBB+VF单结晶体管导通后，因E、B1极之间的电阻下降很多，虽然这时IE较大，但RB1上的压降不大，所以A的电位较低，这时，即使控制电压调节到低

18、于峰点电压VP以下，单结晶体管仍继续导通。直到控制电压VE降到某一数值以下，使PN结再次反偏时，单结晶体管才由导通突然变为截止。这一使单结晶体管从导通变为截止的控制电压称为单结晶体管的谷点电压，用VV表示。综上所述，单结晶体管具有下列几个特点：（1）单结晶体管相当于一个开关。当发射极电压等于峰点电压VP时，单结晶体管可由截止突变为导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压VV时，单结晶体管就又突然恢复截止。（2）不同的单结晶体管，它们有不同的VP和VV 。同一单结晶体管，若所加的VBB不同，它的VP和VV也有所不同。例如型号为 BT33B的单结晶体管，若VBB=20V，则VP约等于12.8 V，

19、VV约等于 3 V。若VBB=10V，则VP约等于 6.7 V，VV约等于2.6V。（3）单结晶体管的发射极与第一基极之间的RB1电阻是一个随发射极电流而变的电阻。在单结晶体管未导通时，发射极电流很小，RB1是一个高电阻。导通后，随着发射极电流的增大， RB1急剧下降。而RB2则是一个与发射极电流无关的电阻。所以，在单结晶体管的等效电路中，RB1用可变电阻表示。4、具有同步环节的单结晶体管触发电路 利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电特性，可以组成频率可变的振荡电路。如图中，Rp、C、R2、R1和单结晶体管T1组成自激振荡电路。3、单结晶体管自激振荡电路 同步电压为锯齿波的移相触发电路是

20、由晶体管组成的触发电路，该电路的特点是以电容充放电所形成的锯齿波作为同步信号，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛，可以产生带有强触发的双脉冲，适用于多种三相整流电路。 电路如图示。它由五个基本环节组成。 (二) 同步电压为锯齿波触发电路 1、锯齿波形成及脉冲形成环节 由V1、V2、V3和C2等元件组成，V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路 V2截止时，恒流源电流I1c对电容C2充电，调节RP2，即改变C2的恒定充电电流I1c，可见RP2是用来调节锯齿波斜率。V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，ub3电位迅速降到0伏附近；V2周期性地通断，ub3便形成一锯齿波，同样ue3也是

21、一个锯齿波射极跟随器；V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响 2、同步环节 同步要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定；锯齿波是由开关V2管来控制的，V2开关的频率就是锯齿波的频率由同步变压器所接的交流电压决定；V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点；V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。 3、脉冲形成、放大和输出环节 V4、V5 脉冲形成 V7、V8 脉冲放大 控制电压uco加在V4基极上。uco对脉冲的控制作用及脉冲形成： 脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关；

22、电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V5集电极电路中。 4、双窄脉冲形成环节 当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出，只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角 产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6） 5、强触发及脉冲封锁环节 设置输出脉冲幅值高、前沿陡的环节。 变压器二次电压30V经桥式整流、电容电阻滤波，得近似50V的直流电压。当V8导通时，C6经过脉冲变压器、R17（C5）、V8迅速放电。由于放电回路电阻较小，电容C6两端电压衰减很快，N点电位迅速下降。当N点

23、电位稍低于15V时，二极管VD10由截止变为导通。这时虽然50V电源电压较高，由于R19电阻值很大，大部分电压降在R19上，因此N点电位被钳制在15V，为下一次强触发做了准备。 集成触发电路具有体积小、功耗小、温漂小、性能稳定、工作可靠等多种优点，近年来发展迅速，应用越来越多。 输出两路相位差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发线路；输出负载能力大，移相性能好，正负半周脉冲相位值均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求小，有脉冲列调制输入端等功能。适用于单相、三相全控桥式供电装置中。 (二) KC04集成触发电路主要技术数据：1交流同步电压：30伏（有效值）2. 移相控制电压：08伏（根

24、据不同要求可改变）3移相范围：1704触发脉冲形式：130脉冲列调制式，2180-a长脉冲脉冲列调制式5输出级允许负载电流：0.51.5A6脉冲前沿：1us7脉冲列频率：510KHZ8各相脉冲不均衡：3，159温度漂移：3（20）10电源电压： 15V，-15V，允许波动5%11消耗电流： 25mA，-10mA（不包括输出级）12允许使用环境温度：-107013外形尺寸120200mm14配用印制板插头：CZJX-Y-22单排 1、定相 触发电路的定相触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。 2、措施 a) 同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频

25、率一致。 b) 触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。 3、分析 以三相全控桥为例, 晶闸管VT1的阳极与uu相接，VT1所接主电路电压为+uu，触发脉冲从0至180对应的范围为t1t2。因此一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。五、触发电路与主电路的同步问题(一) 同步的概念（定相） 1、作用 1）阻抗匹配，降低脉冲电压，增大输出电流，更好触发晶闸管； 2）可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立脉冲； 3）将触发电路与主电路在电气上隔离，有利于防干扰更安全； 2、 措施 1）为提高铁心利用率，脉冲变压器的铁心截面应适当选大一些，材料应采用

26、冷轧硅钢或坡莫合金、铁淦氧，铁心可留有一定间隙。 2）提高脉冲变压器一次侧输入脉冲电压前沿陡度，减小变压器的漏感LB，脉冲变压器的圈数不宜太多。 Ott1t2uaubucu2ua-(二) 脉冲变压器 (三) 防止误触发的措施 1、门极电路采用金属屏蔽线并将屏蔽层可靠接“地”。 2、控制线与大电流线分开走线，触发控制部分用金属外壳单独屏蔽，靠近晶闸管门极，装置的接零与接壳分开。 3、在晶闸管门阴极间并接0.010.1PF的小电容可有效吸收主频干扰，要求高的场合可在门阴极间设置反向偏压。 4、采用触发电流大，即不灵敏的晶闸管，而且触发脉冲为强触发。 1、换相过程的输出电压考虑包括变压器漏感在内的交

27、流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示。2、换相重叠角和换相平均压降Ud换相过程持续的时间，用电角度g表示。换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值。换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少 六、可控整流供电的直流电动机机械特性(一) 变压器对可控整流的影响3、变压器对可控整流的影响（1）出现换相重叠角g ，整流输出电压平均值Ud降低。（2）整流电路的工作状态增多。（3）晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。（4）换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通

28、，为此必须加吸收电路。（5） 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源(二) 可控整流供电的直流电机机械特性 转速与电流的机械特性关系式为 在电机学中，已知直流电动机的反电动势为可根据整流电路电压平衡方程式，得其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a 角，即可调节电动机的转速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+ )IdCe3XB2p (一) 过电压保护 电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 (2) 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压主要来自电力电子装置内

29、部器件的开关过程 (1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束 后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 (2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 七、晶闸管的保护与容量扩展过电压抑制措施及配置位置：F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用

30、RCD电路 （二）过电流保护 过电流过载和短路两种情况 过电流保护措施及配置位置：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速 断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 （三）电压及电流上升率的限制 缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。 V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。 V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。 1、晶闸管串联（额定电压小于要求） 理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。 静态均压措施