机电传动控制第十章 电力电子技术

第十章电力电子技术

学习要求:掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。前言

电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。电力半导体器件弱电强电îíì®®电力（强）电子学电力半导体器件微（弱）电子学集成电路半导体器件

晶闸管（SiliconControlledRectifier简称SCR）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。大功率二极管功率晶体管可关断晶闸管双相晶闸管单相晶闸管电力半导体器件优点：(1)用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)可以控制较大的功率(电流自几十安～几千安，电压自几百伏～几千伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍；(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3)损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右；(4)体积小、重量轻。缺点：

(1)过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；(2)抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；(3)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；(4)控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。10.1晶闸管

晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。一、晶闸管的结构和符号

晶闸管的外形和结构图分别如图所示：其中：A—阳极，K—阴极，G—控制极。表示符号4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结结构示意图二、晶闸管的工作原理实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。（3）在t2~t3之间，uAK<0，尽管ug>0，但ud=0，即晶闸管关断；（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK>0，但ud=0，即晶闸管未导通；（2）在t1~t2之间:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，而，即晶闸管导通；（4）在t3~t4之间，uAK>0，这时时ug>0,而而，，所以，晶晶闸管又导导通；（5）当t=t4时，ug=0，但但uAK>0，，，即即晶闸管仍仍处于导通通状态；（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而而ud=0，即晶晶闸管关断断，晶闸管管处于阻断断状态。综上所述可可得出以下下结论：（1）起始始时若控制制极不加电电压，则不不论阳极加加正向电压压还是反向向电压，晶晶闸管均不不导通，这这说明晶闸闸管具有正正、反向阻阻断能力；；（2）晶闸闸管的阳极极和控制极极同时正向向电压时晶晶闸管才能能导通，这这是晶闸管管导通必须须同时具备备的两个条条件；（3）在晶晶闸管导通通之后，其其控制极就就失去控制制作用，欲欲使晶闸管管恢复阻断断状态，必必须把阳极极正向电压压降低到一一定值（或或断开，或或反向）。。晶闸管的PN结可通通过几十安安~几千安安的电流，，因此，它它是一种大大功率的半半导体器件件，由于晶晶闸管导通通时，相当当于两只三三极管饱和和导通，因因此，阳极极与阴极间间的管压降降为1V左左右，而电电源电压几几乎全部分分配在负载载电阻上。。三、晶闸管管的伏安特特性晶闸管阳极极对阴极的的电压和流流过晶闸管管的电流之之间的关系系称为晶闸闸管的伏安安特性。正向(uAK>0)正向阻断状状态:当ug=0，uAK<UDSM，元件中有有很小的电电流（正向向漏电流））流过，处处于截止状状态（称为为正向阻断断状态），，简称断态。正向击穿：当ug=0，uAK=UDSM，晶闸管突突然由阻断断状态转化化为导通状状态。UDSM称为断态不重复复峰值电压压，或用UBO表示称正向转折电电压。正向导通状状态：ug>0，uAK>0，晶闸闸管导通，，其电流的的大小由负负载决定，，阳极和阴阴极间的管管压降很小小。反向(uAK<0)反向截止状状态:当uAK<URSM，元件中有有很小的反反向电流（（反向漏电电流）流过过，处于截截止状态。。反向击穿：当uAK=URSM，晶闸管突突然由反向向截止状态态转化为导导通状态态。URSM称为反向不重复复峰值电压压，或用UBR表示称反向击穿电电压。四、晶闸管管的主要参参数为了正确选选用晶闸管管元件，必必须要了解解它的主要要参数，一一般在产品品目录上给给出了参数数的平均值值或极限值值，产品合合格证上标标有元件的的实测数据据。1.断态态重复峰值值电压UDRM晶闸管正向向阻断状态态下，可以以重复加在在晶闸管阳阳极和阴极极两端的正正向峰值电电压。UDRM=UDSM-1002.反向向重复峰值值电压URRM晶闸管反向向截止状态态下，可以以重复加在在晶闸管阳阳极和阴极极两端的反反向峰值电电压。URRM=URSM-100在选择晶闸闸管时还要要考虑留有有足够的余余量，一般般：晶闸闸管的UDRM应等于所承承受的正向向电压的（（2~3））倍。3.额定定通态平均均电流（额额定电流））IT在环境温度度不大于40度的标标准散热及及全导通的的条件下，，晶闸管元元件可以连连续通过的的工频正弦弦半波电流流（在一个个周期内））平均值，，称为额定定通态平均均电流，简简称为额定定电流。4.维持持电流IH在规定的环环境温度和和控制极断断路时，维维持元件继继续导通的的最小电流流称维持电电流。一般般为几mA～一百多多mA10.3可可控整整流电路整流－将交交流电变为为直流电的的过程；整流电路－－将交流电电变为直流流电的电路路；整流单相三相可控不可控可控不可控10.2.1单单相半波可可控整流电电路一、带电阻阻性负载的的可控整流流电路u2－输入电压压；ud－输出电压压；α－控制角；；晶闸管管元件承受受正向电压压起始点到到触发脉冲冲的作用点点之间的电电角度。θ－导通角；是晶闸管在在一周期时时间内导通通的电角度度。对单相半波波可控整流流电路：α的范围θ的范围输入电压：负载电压：负载电流：晶闸管承受受的最大正正反向电压压：二、带电感感性负载的的可控整流流电路单相半波可可控整流电电路用于大大电感性负负载时，如如果不采取取措施，负负载上就得得不到所需需要的电压压和电流。。三、续流二二极管的作作用为了提高大大电感负载载时的单相相半波可控控整流电路路整流输出出平均电压压，可采取取负载两端端并联一只只二极管措措施。晶闸管电流流平均值：：续流二极管管的电流平平均值：10.2.2单相相半控桥式式整流电路路晶闸管组成成的半控桥桥式整流电电路，如图图所示。(a)单单相桥式整整流电路(b)电阻阻性负载时时的电压电电流波形1.电阻阻性负载负载电压：负载电流：：晶闸管承受受的最大正正反向电压压：2.电感感性负载如图所示半半控桥式整整流电路在在电感性负负载时采用用加接续流流二极管的的措施。有了续流二二极管，当当电源电压压降到零时时，负载电电流流经续续流二极管管，晶闸管管因电流为为零而关断断，不会出出现失控现现象。流过每只晶晶闸管平均均电流：流过续流二二极管的平平均电流：：如图所示半半控桥式整整流电路在在电感性负负载时，可可以不加续续流二极管管。这是因为在在电源电压压过零时，，电感中的的电流通过过V1和V2形成续续流，确保保VS1或或VS2可可靠关断，，这样也就就不会出现现失控现象象。流过每只晶晶闸管平均均电流：流过续流二二极管的平平均电流：为了节省晶晶闸管元件件，还可采采用如图所所示的接线线，它由四四只整流二二极管组成成单相桥式式电路，将将交流电整整流成脉动动的直流电电，然后用用一只晶闸闸管进行控控制，改变变晶闸管的的控制角，，即可改变变其输出电电压。3.反电势势负载当整流电路路输出接有有电势负载载时,只有有当电源电源的的瞬时值大大于反电势势，同时又有有触发脉冲冲时，晶闸闸管才能导导通，整流流电路才有有电流输出出，在晶闸管关断断的时间内内，负载上上保留原有有的反电势势。因为导通角角小，导电电时间短，，回路电阻阻小，所以以，电流的的幅值与平平均值之比比值相当大大，晶闸管管元件工作作条件差，，晶闸管必必须降低电电流定额使使用。另外外，对于直直流电动机机来说整流流子换向电电流大，易易产生火花花，对于电电源则因电电流有效值值大，要求求的容量也也大，因此此，对于大大容量电动动机或蓄电电池负载，，常常串联联电抗器，，用以平滑滑电流的脉脉动，如图图所示。a.负载载两端的电电压平均值值比电阻性性负载时高高b.负载载电流平均均值比电阻阻性负载时时低10.2.3单相相全控桥式式整流电路路单相全控桥桥式整流电电路如图所所示。把半半控桥中的的两只二极极管用两只只晶闸管代代替即构成成全控桥。。例10.1欲装一一台白炽灯灯泡调光电电路，需要要可调的直直流电源，，调节范围围：电压U0=0V~180V,电流I0=0~10A。现采采用单相半半控桥式整整流电路，，试求最大大输入交流流电压和电电流有效值值，并选择择整流元件件。解:设在在晶闸管导导通角θ为π(控制制角为0)时输出出电压值为为最大（180V）），则对对应的输入交流电电压有效值值为最大。实际上还要要考虑电网网电压波动、管压降以及导通角常常到不了了1800，交流电压压要比上述述计算而得得到的值适适当加大10%左右右，即大约约为220V。因此此，在本例例中可以不不用整流变变压器，直直接接到220V的的交流电源源上。交流电流有有效值：：晶闸管所承承受的最大大正向电压压、最大反反向电压和和二极管所所承受的最最大反向电电压相等，即：：流过晶闸管管和二极管管的平均电电流：10.3.3三相相半波可控控整流电路路三相半波可可控整流电电路图如图图所示。自然换相点点：触发相序：：ABC触发脉冲的的相位：1200设输入电压压为：可能承受的的最大反向向电压为：：当晶闸管没没有触发信信号时，晶晶闸管承受受的最大正正向电压为为:10.4逆逆变器器利用晶闸管管电路把直直流电变成成交流电，，这种对应应于整流的的逆向过程，称之为逆逆变，把直直流电变成成交流电的的装置，叫叫做逆变器。变流器交流流侧接到负负载，把直直流电逆变变为某一频频率或可变变频率的交交流电供给给负载有源逆变逆变无源逆变变流器的交交流侧接到到交流电源源上，把直直流电逆变变为同频率率的交流电电反馈到电电网去一、无源逆逆变电路的的工作原理理无源逆变器器的工作原原理，可以以用如图所所示的开关关电路来说说明。1.无源源逆变器的的简单工作作原理2.单相晶晶闸管桥式式逆变器二、单相无无源逆变器器的电压控控制1.控控制逆变器器的输入直直流电压2.在逆逆变器内部部的电压控控制（1）脉宽宽控制不改变逆变变器输入直直流电压的的大小，而而是通过改改变逆变器