实验六 单相半波可控整流电路实验.ppt

实验六单相半波可控整流电路实验 指导教师 黄琴 一 实验目的 1 掌握单结晶体管触发电路的调试步骤和方法 2 掌握单相半波可控整流电路在电阻负载及电阻电感性负载时的工作 3 了解续流二极管的作用 二 实验所需挂件及附件 三 实验线路及原理 单结晶体管触发电路的工作原理及线路图已在1 3节中作过介绍 将DK05挂件上的单结晶体管触发电路的输出端 G 和 K 接到DK03挂件面板上的反桥中的任意一个晶闸管的门极和阴极 并将相应的触发脉冲的钮子开关关闭 防止误触发 三 实验线路及原理 单结晶体管触发电路的工作原理及线路图已在1 3节中作过介绍 将DK05挂件上的单结晶体管触发电路的输出端 G 和 K 接到DK03挂件面板上的反桥中的任意一个晶闸管的门极和阴极 并将相应的触发脉冲的钮子开关关闭 防止误触发 三 实验线路及原理 图中的R负载用DQ27三相可调电阻 将两个900 接成并联形式 二极管VD1和开关S1均在DK08挂件上 电感Ld在DK03面板上 有100mH 200mH 700mH三档可供选择 本实验中选用700mH 直流电压表及直流电流表从DK03挂件上得到 四 实验内容 四 实验内容 1 单结晶体管触发电路的调试 2 单结晶体管触发电路各点电压波形的观察并记录 3 单相半波整流电路带电阻性负载时Ud U2 f 特性的测定 4 单相半波整流电路带电阻电感性负载时续流二极管作用的观察 五 预习要求 1 阅读电力电子技术教材中有关单结晶体管的内容 弄清单结晶体管触发电路的工作原理 2 复习单相半波可控整流电路的有关内容 掌握单相半波可控整流电路接电阻性负载和电阻电感性负载时的工作波形 3 掌握单相半波可控整流电路接不同负载时Ud Id的计算方法 五 预习要求 六 思考题 1 单结晶体管触发电路的振荡频率与电路中电容C1的数值有什么关系 2 单相半波可控整流电路接电感性负载时会出现什么现象 如何解决 七 实验方法 1 单结晶体管触发电路的调试将TKDD 1电源控制屏的电源选择开关打到 直流调速 侧 使输出线电压为200V 用两根导线将200V交流电压接到DK05的 外接220V 端 按下 启动 按钮 打开DK05电源开关 用双踪示波器观察单结晶体管触发电路中整流输出的梯形波电压 锯齿波电压及单结晶体管触发电路输出电压等波形 调节移相电位器RP1 观察锯齿波的周期变化及输出脉冲波形的移相范围能否在30 170 范围内移动 七 实验方法 2 单相半波可控整流电路接电阻性负载触发电路调试正常后 按电路图接线 将电阻器调在最大阻值位置 按下 启观察 30 60 90 120 150 时Ud UVT的波形 并测量直流输出电压Ud和电源电压U2 记录于下表中 Ud 0 45U2 1 cos 2 七 实验方法 3 单相半波可控整流电路接电阻负载 3 单相半波可控整流电路接电阻负载 七 实验方法 3 单相半波可控整流电路接电阻电感性负载 3 单相半波可控整流电路接电阻电感性负载 3 单相半波可控整流电路接电阻电感性负载将负载电阻R改成电阻电感性负载 由电阻器与平波电抗器Ld串联而成 暂不接续流二极管VD1 在不同阻抗角 阻抗角 tg 1 L R 保持电感量不变 改变R的电阻值 注意电流不要超过1A 情况下 观察并记录 30 60 90 120 时的直流输出电压值Ud及UVT的波形 没有接续流二极管时的电压值 接入续流二极管VD1 重复上述实验 观察续流二极管的作用 以及UVD1波形的变化 计算公式 Ud 0 45U2 l十cos 2 七 实验方法 八 实验报告 1 画出 90 时 电阻性负载和电阻电感性负载的Ud UVT波形 2 画出电阻性负载时Ud U2 f 的实验曲线 并与计算值Ud的对应曲线相比较 3 分析实验中出现的现象 写出体会 九 注意事项 双踪示波器有两个探头 可同时观测两路信号 但这两探头的地线都与示波器的外壳相连 所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上 否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路 为此 为了保证测量的顺利进行 可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘 只使用其中一路的地线 这样从根本上解决了这个问题 当需要同时观察两个信号时 必须在被测电路上找到这两个信号的公共点 将探头的地线接于此处 探头各接至被测信号 只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号 而不发生意外 九 注意事项 2 由于脉冲 G K 输出端有电容影响 故观察输出脉冲电压波形时 需将输出端 G 和 K 分别接到晶闸管的门极和阴极 或者也可用约100 左右阻值的电阻接到 G K 两端 来模拟晶闸管门极与阴极的阻值 否则 无法观察到正确的脉冲波形 2 在本实验中触发电路选用的是单结晶体管触发电路 同样也可以用锯齿波同步移相触发电路来完成实验 3 在实验中 触发脉冲是从外部接入DK03面板上晶闸管的门极和阴极 此时 应将所用晶闸管对应的正桥触发脉冲或反桥触发脉冲的开关拨向 断 的位置 避免误触发 九 注意事项 4 为避免晶闸管意外损坏 实验时要注意以下几点 在主电路未接通时 首先要调试触发电路 只有触发电路工作正常后 才可以接通主电路 在接通主电路前 必须先将控制电压Uct调到零 且将负载电阻调到最大阻值处 接通主电路后 才可逐渐加大控制电压Uct 避免过流 要选择合适的负载电阻和电感 避免过流 在无法确定的情况下 应尽可能选用大的电阻值 九 注意事项 5 由于晶闸管持续工作时 需要有一定的维持电流 故要使晶闸管主电路可靠工作 其通过的电流不能太小 否则可能会造成晶闸管时断时续 工作不可靠 在本实验装置中 要保证晶闸管正常工作 负载电流必须大于500mA以上 九 注意事项 6 在实验中要注意同步电压与触发相位的关系 例如在单结晶体管触发电路中 触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周 而在锯齿波触发电路中 触发脉冲产生的位置是在同步电压的下半周 所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题 否则实验就无法顺利完成 7 使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A 保证线性 九 注意事项 2 晶闸管单相半波可控整流 设交流电压有效值为U 频率为f 负载为电感性负载 延迟角为 如图所示 绘出输出电压的波形以及输出电流的波形 并求出值来 答 晶闸管在延迟角 处导通后下面电压方程式成立 如果电流的初相位为 则 其中 当 时 成为正弦半波电流 或 结束 谢谢 1 6电力电子器件器件的驱动 1 6 1电力电子器件驱动电路概述1 6 2晶闸管的触发电路1 6 3典型全控型器件的驱动电路 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 使电力电子器件工作在较理想的开关状态 缩短开关时间 减小开关损耗 对装置的运行效率 可靠性和安全性都有重要的意义 一些保护措施也往往设在驱动电路中 或通过驱动电路实现 驱动电路的基本任务 按控制目标的要求施加开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号 又要提供关断控制信号 驱动电路 主电路与控制电路之间的接口 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节 一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器 图1 25光耦合器的类型及接法a 普通型b 高速型c 高传输比型 1 6 1电力电子器件驱动电路概述 按照驱动信号的性质分 可分为电流驱动型和电压驱动型 驱动电路具体形式可为分立元件的 但目前的趋势是采用专用集成驱动电路 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路 为达到参数最佳配合 首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路 分类 1 6 2晶闸管的触发电路 作用 产生符合要求的门极触发脉冲 保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通 晶闸管触发电路应满足下列要求 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通 触发脉冲应有足够的幅度 不超过门极电压 电流和功率定额 且在可靠触发区域之内 有良好的抗干扰性能 温度稳定性及与主电路的电气隔离 t 图1 26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1 t2 脉冲前沿上升时间 1 s t1 t3 强脉宽度IM 强脉冲幅值 3IGT 5IGT t1 t4 脉冲宽度I 脉冲平顶幅值 1 5IGT 2IGT 晶闸管的触发电路 1 6 2晶闸管的触发电路 V1 V2构成脉冲放大环节 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节 V1 V2导通时 通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲 图1 27常见的晶闸管触发电路 常见的晶闸管触发电路 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 1 GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似 GTO关断控制需施加负门极电流 图1 28推荐的GTO门极电压电流波形 1 电流驱动型器件的驱动电路 正的门极电流 5V的负偏压 GTO驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡 可得到较陡的脉冲前沿 目前应用较广 但其功耗大 效率较低 图1 29典型的直接耦合式GTO驱动电路 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态 使之不进入放大区和深饱和区 关断GTR时 施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值 6V左右 的负偏压 图1 30理想的GTR基极驱动电流波形 2 GTR 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 GTR的一种驱动电路 包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 图1 31GTR的一种驱动电路 驱动GTR的集成驱动电路中 THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 为快速建立驱动电压 要求驱动电路输出电阻小 使MOSFET开通的驱动电压一般10 15V 使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡 2 电压驱动型器件的驱动电路 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 1 电力MOSFET的一种驱动电路 电气隔离和晶体管放大电路两部分 图1 32电力MOSFET的一种驱动电路 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L 其输入信号电流幅值为16mA 输出最大脉冲电流为 2A和 3A 输出驱动电压 15V和 10V 1 6 3典型全控型器件的驱动电路 2 IGBT的驱动 图1 33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 常用的有三菱公司的M579系列 如M57962L和M57959L 和富士公司的EXB系列 如EXB840 EXB841 EXB850和EXB851 多采用专用的混合集成驱动器 1 7电力电子器件器件的保护 1 7 1过电压的产生及过电压保护1 7 2过电流保护1 7 3缓冲电路 1 7 1过电压的产生及过电压保护 外因过电压 主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起雷击过电压 由雷击引起内因过电压 主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后 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 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 电力电子装置可能的过电压 外因过电压和内因过电压 1 7 1过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施 图1 34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RCD电路 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施 属于缓冲电路范畴 1 7 2过电流保护 过电流 过载和短路两种情况保护措施 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 图1 37过电流保护措施及配置位置 1 7 2过电流保护 全保护 过载 短路均由快熔进行保护 适用于小功率装置或器件裕度较大的场合 短路保护 快熔只在短路电流较大的区域起保护作用 对重要的且易发生短路的晶闸管设备 或全控型器件 需采用电子电路进行过电流保护 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节 响应最快 快熔对器件的保护方式 全保护和短路保护两种 1 7 3缓冲电路 关断缓冲电路 du dt抑制电路 吸收器件的关断过电压和换相过电压 抑制du dt 减小关断损耗 开通缓冲电路 di dt抑制电路 抑制器件开通时的电流过冲和di dt 减小器件的开通损耗 复合缓冲电路 关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合 按能量的去向分类法 耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 无损吸收电路 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路 将开通缓冲电路叫做di dt抑制电路 缓冲电路 SnubberCircuit 又称吸收电路 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 1 7 3缓冲电路 缓冲电路作用分析无缓冲电路 有缓冲电路 图1 38di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a 电路b 波形 图1 39关断时的负载线 1 7 3缓冲电路 充放电型RCD缓冲电路 适用于中等容量的场合 图1 38di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a 电路 其中RC缓冲电路主要用于小容量器件 而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件 图1 40另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路放电阻止型RCD吸收电路 1 8电力电子器件器件的串联和并联使用 1 8 1晶闸管的串联1 8 2晶闸管的并联1 8 3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点 1 8 1晶闸管的串联 问题 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 静态不均压 串联的器件流过的漏电流相同 但因静态伏安特性的分散性 各器件分压不等 动态不均压 由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压 目的 当晶闸管额定电压小于要求时 可以串联 1 8 1晶闸管的串联 静态均压措施 选用参数和特性尽量一致的器件 采用电阻均压 Rp的阻值应比器件阻断时的正 反向电阻小得多 图1 41晶闸管的串联a 伏安特性差异b 串联均压措施 动态均压措施 选择动态参数和特性尽量一致的器件 用RC并联支路作动态均压 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异 1 8 2晶闸管的并联 问题 会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀 均流措施 挑选特性参数尽量一致的器件 采用均流电抗器 用门极强脉冲触发也有助于动态均流 当需要同时串联和并联晶闸管时 通常采用先串后并的方法联接 目的 多个器件并联来承担较大的电流 1 8 3电力MOSFET