机电传动控制第十章.ppt

第十章 电力电子学晶闸管及其基本电路,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。,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 了解逆变器的基本工作原理、用途和控制,电力半导体器件,弱电,强电,10.1 电力半导体器件,10.1.1 晶闸管（ Silicon Controlled Rectifier SCR）： 60年代发展起来的一种电力半导体器件，是一种可控制的硅整流元件，又称可控硅。 1. 晶闸管的结构和符号：,2.晶闸管的工作原理,综上所述，可得下面的结论： 晶闸管电流只能从阳极流向阴极。 阳极和控制极都加正向电压，晶闸管才能导通。 晶闸管导通后，控制极失去作用。 欲使晶闸管关断，必须使阳极正向电压降到一定值（或断开，或反向）,强烈的正反馈,触发导通过程不超过几微秒,导通后阳极与阴极间管压降为1V左右,晶闸管PN结可通过几十安几千安电流,晶闸管工作实验图,正向漏电流If,正向阻断状态(断态),断态不重复峰值电压,导通状态（通态）,反向漏电流Ir,反向转折电压,导通时电流大小由限流电阻决定,维持电流,正向特性：电压为A，K,反向特性,管压降,3.晶闸管的伏安特性,晶闸管阳极电压与阳极电流的关系,实际规定：阳极阴极之间加6伏直 流电压时，使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。,正向转折电压,4.晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压VDRM 控制极断路，晶闸管正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。其数值规定为比正向转折电压小100伏。 反向重复峰值电压VRRM 控制极断路时，可重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。其电压数值规定为比反向击穿电压小100伏。 选晶闸管时，电压参数应超出正常工作峰值电压的23倍，作为安全裕量。 维持电流IH 在控制极断路及规定的环境温度下，维持元件继续导通的最小电流。一般为几十毫安几百毫安。数值与温度成反比。 额定通态平均电流(额定正向平均电流，简称额定电流) IT 在环境温度不大于40、标准散热、晶闸管全导通条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,K= Ie /IT1.57 Ie=1.57IT,K称为波形系数(与电路结构和导通角有关)。,额定电流为100A的晶闸管，能通过电流的有效值为157A。,流过器件的电流的有效值表征器件发热情况,电流的有效值/电流的平均值=K,在额定情况下，波形系数为1.57,晶闸管额定电流选择原则： 根据电流有效值相等的原则，允许流过晶闸管的实际电流有效值等于额定电流时的电流有效值。 一般，留一定余量 IT(1.52)Ie/1.57,例：通过晶闸管的电流波形如图示，试确定晶闸管额定电流。,先根据波形图求实际电流有效值 再根据上式求出额定电流。,Ie=(1/2 )(3002/3)2)1/2=250.6V,6.晶闸管的主要优缺点 小功率输入控制大功率输出。 几十毫安一百多毫安；2V4V几十安几千安；几百伏几千伏 控制灵敏，反应快。（晶闸管导通截止时间都在微妙级） 损耗小，效率高。（晶闸管导通时压降在1V左右，总效率可达97.5%以上，而一般机组效率为85 % ） 体积小，重量轻。 过载能力弱。 抗干扰能力差 对电网和周围用电设备干扰大。 控制电路较复杂,5.晶闸管的型号及其含义 国产型号表示： 3CT/,三个电极,N型硅材料,可控整流元件,额定通态平均电流,断态重复峰值电压,10.1.2 其他电力半导体器件,一、双向晶闸管（TRIAC）,双方向均可由控制极触发导通,相当于两只普通的晶闸管反并联，故称为双向晶闸管或交流晶闸管。,二、可关断晶闸管（GTO）,三、功率晶体管（GTR）,在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为功率晶体管,目前现有的功率晶体管的电压和电流额定值还没有晶闸管那么高,四、大功率二极管,亦即整流二极管，是指能在很高的室温下工作的硅整流元件。,在门极加正脉冲电流能导通，加负脉冲电流就能关断的元件。,10.2单相可控整流电路,可控整流电路：一种把交流电源电压变换成大小可调的直流电压的电路,单相、三相、多相,半波、零式、桥式,电阻负载 电感负载 反电势负载,可控整流电路一般结构：,10.2.1单相半波可控整流电路,1）工作原理：,1.带电阻性负载的单相半波可控整流电路,控制角。晶闸管承受正向电压的起点到触发脉冲的作用点之间的电角度。移相范围：0 ,导通角。晶闸管在一周时间内导通的电角度。 的变化范围： 0, ,2）数量关系：,晶闸管承受的最大正、反向电压：,2,2.带电感性负载的单相半波可控整流电路,负载的感抗L和电阻R的大小相比不可忽略时，称为电感性负载。,电感负载整流电路的特点： 整流电压波形出现负值部分，导致输出直流电压减小。（L越大，负半周导通时间越长。当wLR时，晶闸管正、负半周的导通时间几乎相等。这时，整流电压平均值趋近于零。） - ，即电源电压为负时晶闸管仍然可能继续导通。L越大， 越大。 L使输出电流波形峰值降低，导通时间延长，波形变平稳。,工作原理： 流过电感中的电流变化时，电感产生自感电势阻止其变化。从而使电感中电流不能突变，总是滞后于电压。（id增加时，el上正下负； id减少时，el上负下正）,3.续流二极管的作用,Ud、 与电阻负载时一样，Id有很大不同。 若WLR，id 的脉动很小。近似看成一条直线。,如果某电阻负载要求很平稳的直流电流，可串接一大电感，再并一续流管。,为了使大电感负载时，整流输出电压不出现负值，提高输出平均电压，可在大电感负载两端并一续流二极管。,10.2.2单相桥式可控整流电路 1.单相半控桥式可控整流电路 1) 电阻性负载,是单相半波整流时的两倍,晶闸管承受的最大正、反向电压：,例：由单相半控桥式整流电路为一白咫灯调光供电。要求电压和电流调节范围 U00V180V；I00A10A。求：所需交流电源的最大电压和电流有效值，并选择晶闸管元件参数。,已知:电阻性负载、单相半控桥式整流电路、负载的平均电压和电流。,0时，Ud、Id最大,Ud=0.9U2=180,U2 =200,选220V,I= U2/RL=220/(180/10)=12.2A,流过晶闸管的平均电流IVS Id /2=5A,晶闸管承受的最大正、反向电压UFM=URM 1.41220v=310v,2) 电感性负载,流过晶闸管的平均电流为：,流过续流二极管的平均电流为：,a.带电感性负载的单相半控桥式整流电路及电压、电流波形:,b.晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、电流波形:,流过V1、V2的平均电流为：,C.只用一只晶闸管的单相桥式整流电路:,单向脉动直流电,3) 反电势负载,为了平滑电流的脉动，串电抗器。,小，id严重不连续。,电源电压的瞬时值反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通。,负载两端电压平均值比电阻性负载时高。,a.带反电势负载的单相半控桥式整流电路及电压、电流波形：,b.带反电势负载有电感滤波时的整流电路及电压、电流波形：,103 三相可控整流电路 1031 三相半波可控整流电路,整流变压器副边接成星形，有个公共零点”0”，所以也叫三相零式电路。,1、2、3点是相邻相电压波形的交点，也是不控整流的自然换相点。 对三相可控整流而言，控制角就是从自然换相点算起。 （1）当 0时,（2）当O/6时,/6时的波形,（3）当 /6 5/6时,10.3.2 三相桥式全控整流电路,三相桥式全控负载平均电压 Ud=Ud阴+Ud阳,10.3.2 三相桥式全控整流电路,共阴 Vs1, Vs3, Vs5, 共阳 Vs2, Vs4, Vs6,单相半波电路简单，指标差，只适用 于小功率要求不高的场合。 单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大,适用小功率电路。 晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，小功率的反电势负载。 三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。 三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。 三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状态。,可控整流电路(顺变器)小结,10.4 逆 变 器,上面讨论的是把交流电变成可调的直流电供给负载，也都是整流，它的应用范围很广但在生产实践中，例如，直流可逆的电力拖动系统中和交流电动机的变颇调速系统中，还有相反的要求，即利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。 在许多场合，同一套晶闸管电路既可实现整流，又可实现逆变，这种装置通常称为变流器。交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电反馈到电网去，叫有源逆变；如果变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。 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器、交流电动机的变频调速等方面。,为了了解晶闸管有源逆变电路的工作原理，下面将它与整流工作状态对应起来讨论。常用的交流器，一侧联系着交流电源，另一侧联系着直流电源。为此，“整流”与“逆变”用交流一周期平均电能的流向来定义。即“整流”是指电能由交流侧传送到直流侧；“逆变”是“整流”的逆过程。电能由直流侧传送到交流侧。,10.4.1 有源逆变电路,逆变状态（ /20 ）,整流状态（0 /2）,逆变状态（ /20 ）,1042 无源逆变电路 一、无源逆变电路的工作原理 1无源逆变器的简单工作原理,交流电的频率取决于两组开关在每秒内闭合和断开的次数，即改变两组开关每秒内闭合和断开的次数，就可改变输出电压的频率，这就是它的变频作用。,电路中的二极管有两个作用： 一是起反馈作用，即把负载中的无功能量反馈回直流电源； 二是防止逆变器的输出峰值过分地超过直流电源电压，以维持输出电压为恒定值。,2单相晶闸管桥式逆变器,二、单相无源逆变器的电压控制,将在124中介绍的交流变颇调速，要求保持异步电动机的输入端电压与电压频率的比例关系在调速过程中不能变，即在改变频率时必须改变端电压的大小，因此，要求逆变器必须进行电压控制。,1.控制逆变器的输入直流电压 如果电源为交流，则可以通过可控整流电路，把交流变成可调的直流输入到逆变器而控制逆变器的输出交流电压。这在交直交变频器中常用。 若为直流电源，则可利用直流变成交流，控制逆变器或斩波器来改变直流输入电压的大小。这些方法的缺点是逆变器输出交流电压波形的谐波成分随着输出电压的减少而增加。,2在逆变器内部的电压控制 这种电压控制有两种方法： (1)脉宽控制。不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管(或晶体管)的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压。此方法称脉宽控制。,从波形图看出，若使延迟角从0变到，将可以使逆变器的输出电压从零变到最大值。,当输出脉冲宽度减小(即输出电压减小)时，输出电压波形的谐波分量却随着增加。,(2)脉冲宽度调制(PWM)。 对于图10.33(a)所示电路，如果使VS1与VS4 ， VS2与VS3通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通相关断N次则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲(称载波)，如图1035(b)所示(这时N5)。逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲总的导通时间与总的关断时间的比率来控制的，这有两种基本的方法： 第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数； 第二种方法是改变脉宽，而维待每一半周期内的脉冲数不变。,为了实现频率、电压协调控制，应使脉冲重复的频率随输出电压成比例地变化。比如当频率降低时，每半周包含的等宽脉冲数不变(以保持半周内总的脉冲面积不变)、而各脉冲宽度间的间隔加大了，因此，输出电压也降低了。 但上述方法，并没有改