电力电子器件教学课件PPT.ppt

第19章电力电子器件 19 1电力电子器件 19 2可控整流电路 19 3逆变电路 19 4交流调压电路 19 5直流斩波电路 19 1电力电子器件 19 1 1电力电子器件的分类 1 不控器件 导通和关断无可控的功能 2 半控器件 通过控制信号只能控制其导通而不能控制其关断 3 全控器件 通过控制信号既能控制其导通又能控制其关断 19 1 2晶闸管 晶闸管 又称可控硅整流器 SiliconControlledRectifier 是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件 主要用于可控整流 逆变 调压及开关等方面 常用晶闸管的外形图 一 基本结构 晶闸管是具有三个PN结的四层结构 结构图 外形 二 工作原理 开关S断开 灯不亮 开关S合上 灯亮这时再断开S 灯仍亮 无论开关S断开还是合上 灯都不亮 1 晶闸管的等效电路 晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合 2 晶闸管导通原理 形成正反馈过程 在极短时间内使两个晶体管均饱和导通 此过程称触发导通 2 晶闸管导通原理 形成正反馈过程 晶闸管导通后 去掉UG 依靠管子本身的正反馈 仍可维持导通状态 3 晶闸管导通条件 1 晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压 2 控制极电路加适当的正向电压 一般为正触发脉冲信号 晶闸管导通后 控制极便失去了控制作用 4 晶闸管关断条件 必须使阳极电流减小到不能维持正反馈过程 或者将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压 三 伏安特性 在不同的IG值的条件下 IA f UA 正向特性 正向转折电压 导通压降约1V左右 IG1 IG2 IG2 IG1 IG0 反向特性 反向转折电压 维持电流 四 主要参数 UDRM 正向重复峰值电压 晶闸管耐压值 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下 允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压 IH 维持电流在规定的环境和控制极断路时 晶闸管维持导通状态所必须的最小电流 五 晶闸管的型号和含义 导通时平均电压组别共九级 用字母A I表示0 4 1 2V 额定电压 用百位数或千位数表示 取UDRM或URRM较小者 额定正向平均电流 IF 如KP5 7表示额定正向平均电流为5A 额定电压为700V的晶闸管 练习 3 晶闸管导通后 其正向压降约等于 a 0 b 0 3V c 1V左右 c 1 晶闸管导通后 若仅使控制极电流消失 则晶闸管处于 a 导通状态 b 关断状态 c 放大状态 a 2 晶闸管导通后 其阳极电流的大小 a 受控制电流控制 b 受控制电压控制 c 不受控制极控制 即控制极失去控制作用 c 4 一般晶闸管导通后 要使其阻断 则必须 a 去掉控制极的正向电压 b 使阳极与阴极之间的正向电压降到零或加反向电压 c 控制极加反向电压 b 19 2可控整流电路 整流电路 将交流电能变换成直流电能的电路 可控整流电路 将交流电能变换成可调的直流电能 常见的可控整流电路 单相可控半波整流 单相可控桥式整流 三相可控桥式整流 19 2 1可控整流电路 1 电路结构 当u 0时 若uG 0 晶闸管不导通 当u 0时 晶闸管承受反向电压不导通 控制极加触发信号 晶闸管承受正向电压导通 一 单相半波可控整流电路 1 电阻性负载 uo 0 uT u uo u uT 0 uo 0 uT u 故称可控整流 2 工作原理 t1 当u 0时 晶闸管承受反向电压不导通 当u 0时 在 0 t1 uG 0 晶闸管不导通 uo 0 uT u 在 t1 uG加触发脉冲 晶闸管导通 uo u uT 0 uo 0 uT u 3 工作波形 O 控制角 t1 t2 2 导通角 180 4 整流输出电压及输出电流的平均值 改变控制角 可改变输出电压Uo 当 0时 Uo 0 45U 即为单相半波整流电压 当 180 时 Uo 0 晶闸管全关断 输出电压的范围为 0 Uo 0 45U 例1 单相半波可控整流电路 已知交流电压有效值U 220V 输出电压平均值UO 90V 输出电流平均值IO 45A 计算 1 晶闸管的导通角 2 通过晶闸管的平均电流 3 晶闸管承受的最高正向 反向电压 解 1 晶闸管的导通角 3 晶闸管最高正向电压UFM 最高反向电压URM均为 2 通过晶闸管的平均电流 2 电感性负载 未接续流二极管 1 电路结构 当晶闸管刚触发导通时 电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势 电流不能跃变 将由零逐渐上升 当电流达到最大值时 eL 0 而后电流减小 电感电动势改变极性 当电压u过零后 由于eL的存在 晶闸管在一段时间内仍维持导通 2 工作波形 180 3 电感性负载 接续流二极管 1 电路结构 当u 0时 D反向截止 不影响整流电路工作 2 工作波形 加续流二极管 iL 2 二 单相半控桥式整流电路 1 电路结构 2 工作原理 T1和D2承受正向电压 T1控制极加触发电压 则T1和D2导通 a 1 在电压u的正半周时 此时 T2和D1均承受反向电压而截止 电流通路为 2 在电压u的负半周时 T2和D1承受正向电压 T2控制极加触发电压 则T2和D1导通 电流通路为 b 此时 T1和D2均承受反向电压而截止 3 工作波形 T1 D2导通 T2 D1导通 4 整流输出电压及输出电流的平均值 例2 有一纯电阻负载 需要可调的直流电源 电压Uo 0 180V 电流Io 0 6A 现采用单相半控桥式整流电路 试求变压器二次侧电压的有效值 并选择整流器件 解 二极管选用2CZ56F 3A 400V 当晶闸管的控制角 0 时 Uo 180V 考虑电网电压波动 管压降以及导通角等原因 通常加大10 左右 即U 220V 晶闸管 二极管的平均电流 晶闸管选用KP5 7型 晶闸管最高正向电压UFM 最高反向电压URM 二极管承受的最高反向电压均为 选取晶闸管的UDRM和URRM 通常取 19 2 2晶闸管的保护 主要缺点 晶闸管承受过电压 过电流的能力很差 一 晶闸管的过电流保护 快速熔断器保护 过电流继电器保护 过电流截止保护 1 快速熔断器保护 与晶闸管串联 接在输入端 接在输出端 有三种接入方式 2 过流继电器保护 3 过电流截止保护 在输出端 直流侧 或输入端 交流侧 接入过电流继电器 当电路发生过流故障时 继电器动作 使电路自动切断 利用过电流信号控制触发电路 当电路发生过流故障时 使晶闸管导通角减小或停止触发 二 晶闸管的过压保护 阻容保护 利用电容吸收过压 其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中 然后释放到电阻中消耗掉 晶闸管元件的阻容保护 输入端的阻容保护 输出端的阻容保护 19 2 2单结晶体管触发电路 一 单结晶体管 晶体管的触发电路 产生触发电压的电路 1 外形 又称双基极二极管 单结晶体管的常用型号有BT31 BT33 BT35等 N型硅片 第二基极 第一基极 P PN结 发射极E 2 结构与符号 3 等效电路 4 工作原理 测量单结晶体管的实验电路 分压比 约为0 5 0 9 1 当UE UBB UD UP时 PN结反偏 E与B1之间的不能导通 IE很小 2 当UE UBB UD UP时 PN结导通 IE迅速增大 UP 峰点电压 5 单结晶体管的伏安特性 UP UBB UD Ip 峰点电流 IV谷点电流 6 单结晶体管的特点 1 UE UP时单结管截止 UE UP时单结管导通 导通后当UE UV时恢复截止 2 单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比 有关 3 不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样 谷点电压大约在2 5V之间 二 单结晶体管触发电路 1 单结晶体管组成的张弛振荡电路 利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路 2 振荡过程分析 设通电前uC 0 接通电源U 电容C经电阻R充电 电容电压uC按指数规律升高 当uC UP时 单结管导通 电容C放电 R1上得到一脉冲电压 当放电至uC Uv时 单结管重新关断 使uG 0 电源再次向电容C充电 3 振荡电压波形 三 单结管触发的半控桥式整流电路 1 电路结构 2 工作原理 1 整流削波 削波 整流 2 触发电路 3 输出电压uL 1 单结管触发的可控整流电路中 主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上 目的 保证主电路和触发电路的电源电压同时过零 即两者同步 2 触发电路中 整流后为什么加稳压管 稳压管的作用 是将整流后的电压变成梯形 即削波 使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上 从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间 不受交流电源电压变化的影响 3 一系列触发脉冲中 为什么只有第一个起作用 如何改变控制角 4 如何调节输出电压 根据晶闸管的特性 它一旦触发导通 在阳极电压足够大的条件下 即使去掉触发信号 仍能维持导通状态 因此 每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用 改变充电时间常数即可改变控制角 改变电位器RP的电阻值即可输出电压 晶闸管的应用 调光台灯 桥式整流 单结晶体触发电路 改变晶闸管的触发角 的大小 从而改变输出电压 给晶闸管阳极和阴极间提供正向电压 同时给单结晶体管触发电路提供电源 工作原理 接通电源后 交流电经桥式整流后给单向晶闸管阳极提供正向电压 并经过R2 R3加在单结晶体管的基极上 同时经过电阻R