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电力电子技术,杨红梅,第五章晶闸管电路,第1节晶闸管,（一）晶闸管的种类,晶闸管的结构、符号,硅晶体闸流管简称晶闸管，俗称可控硅。晶闸管的种类较多，有普通型、双向型、可关断型等。,（二）普通型晶闸管的结构及符号,晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极G。,第五章晶闸管电路,晶闸管的内部结构及等效电路,第1节晶闸管,第五章晶闸管电路,晶闸管的工作原理,（一）晶闸管的工作状况,第1节晶闸管,1.门极不加正向电压晶闸管阳极加正向或反向电压，它都处于关断状态。,2.门极加正向电压晶闸管完全导通（在阳极也加正向电压时），之后，即使将门极电压取消，晶闸管仍处于导通状态。,综述晶闸管的四个特性：正向阻断、反向阻断、可控导通、持续导通。,第五章晶闸管电路,（二）通过对门极不加正向电压和门极加正向电压两种分析可得如下结论,晶闸管的工作原理,1.晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管的正向导通必须有一定的条件阳极加正向电压，同时门极还必须加正向触发电压。,2.晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。要使晶闸管关断，有两种方法：一是将阳极电流减小到小于其维持电流IH，二是将阳极电压减小到零或使之反向。,第1节晶闸管,第五章晶闸管电路,KP系列普通晶闸管的型号及其含义,晶闸管的型号,第1节晶闸管,KP,通态平均电压组别,额定电压等级,额定电流系列,普通型K快速型、S双向型,晶闸管,晶闸管的选用和简单检测,1.极性检测,第6节晶闸管的选用和保护,第五章晶闸管电路,（三）晶闸管的简单检测,（2）将万用表置于欧姆档的,测量门极和阳极间的正向和反向电阻，其值均应在几百千欧以上，若电阻小，则管是坏的。,将万用表置于欧姆档的,测量门极和阴极间的正向和反向电阻，其差别较小（如果没有差异，则该管是坏的），测试阻值较小时黑棒对应的为门极，红棒对应的为阴极。,2.好坏检测,（1）将万用表置于欧姆档的,测量阳极和阴极间的正向和反向电阻，其值均应在几百千欧以上，若电阻小，则管是坏的。,晶闸管的选用和简单检测,3.对小功率的晶闸管可以按图示方法进行检测,第6节晶闸管的选用和保护,第五章晶闸管电路,电力晶体管（GTR),缺点：易出现二次击穿的问题。使用时要注意工作电压比反向击穿电压低得多，必须有电压电流缓冲保护措施。,应用：低压变频电路中使用较多,可关断晶闸管（GTO）,工作：门极正信号触发导通、门极负信号触发关断的全控型电力电子器件,优点：耐压高、电流大、可关断。缺点：导通后管压降比普通晶闸管大，工作频率低，触发功率、特别是门极反向触发关断电流较大。,应用：高电压、中频率、大中容量的直流斩波电路中广泛应用。,电力场效应晶体管(MOSFET),优点：输入阻抗高，属于电压型控制器件，可以直接与数字逻辑集成电路联接，驱动电路简单、功耗小。开关速度快，工作频率高，开关损耗小。热稳定性好，不存在二次击穿问题，工作可靠。缺点：电压不能太高、电流容量也不能太大。适用：小功率电力电子变流装置。,绝缘栅双极型晶体管(IGBT）,工作：以N沟道场效应晶体管作为基极和一个PNP电力晶体管作为发射极与集电极复合而成。当栅极G施加正偏信号时，场效应晶体管首先导通，从而给PNP电力晶体管提供了基极电流使之导通。反之，给栅极G施加反偏信号，场效应晶体管关断，使PNP电力晶体管基极电流为零而关断。IGBT属于全控型电力电子器件。,优点：综合了MOSFET和GTR的优点使用：很有发展前途的大功率自关断电力器件(电机控制、中频电源、开关电源等）,可控整流装置原理框图,单相半波可控整流电路,将单相半波整流电路中的整流二极管换成晶闸管即成单相半波可控整流电路。,第五章晶闸管电路,单相半波可控整流电路,式中U2是变压器二次电压的有效值。,负载上直流平均电压Ud与平均电流Id,第2节晶闸管单相可控整流电路,负载中流过的平均电流为：,单相半波可控整流电路,负载上电压有效值U与电流有效值I,I=U/Rd,单相半波可控整流电路,晶闸管电流有效值IT,管子两端可能承受的最大正反向电压UTM,IT=I=U/Rd,UTM=U2,单相半波可控整流电感性负载,单相半波可控整流电感性负载加续流二极管,单相半波可控整流电感性负载加续流二极管,电流的平均值和有效值,单相全波可控整流电路,单相全波电阻性负载可控整流,单相全波电阻性负载可控整流,负载上直流平均电压Ud与平均电流Id,Id=Ud/Rd,单相全波电阻性负载可控整流,负载上电压有效值U与电流有效值I,I=U/Rd,单相全波电阻性负载可控整流,晶闸管电流有效值IT,管子两端可能承受的最大正反向电压UTM,IT=,UTM=U2,单相全波大电感负载可控整流,单相全波大电感性负载可控整流,负载上直流平均电压Ud与平均电流Id,idI=Ud/Rd,单相全波大电感性负载可控整流,晶闸管的电流平均值、有效值、管子承受到的最大电压,单相全波大电感性负载可控整流加续流二极管,Id=Ud/Rd,UTM=U2,单相全控桥式电阻性负载整流电路,单相全控桥式整流电阻性负载,负载上直流平均电压Ud与平均电流Id,I=Ud/Rd,单相全控桥式整流电阻性负载,负载上电压有效值U与电流有效值I,I=U/Rd,单相全控桥式整流电阻性负载,晶闸管电流有效值IT,管子两端可能承受的最大正反向电压UTM,IT=,UTM=U2,单相全控桥式整流大电感负载,单相全控桥式整流大电感负载,负载上直流平均电压Ud与平均电流Id,Id=Ud/Rd,单相全控桥式整流大电感负载,晶闸管的电流平均值、有效值、管子承受到的最大电压,单相半控桥电阻性负载可控整流,单相半控桥电阻性负载可控整流,负载上直流平均电压Ud与平均电流Id,Id=Ud/Rd,单相半控桥电阻性负载可控整流,负载上电压有效值U与电流有效值I,I=U/Rd,单相半控桥电阻性负载可控整流,晶闸管、整流管的电流平均值、有效值、管子承受到的最大电压,单相半控桥电感性负载可控整流,单相半控桥电感性负载接续流二极管可控整流,单相半控桥电感性负载可控整流,Id=Ud/Rd,UTM=U2,一个晶闸管的半控桥整流电路,一个晶闸管的半控桥整流电路,Id=Ud/Rd,触发电路要求,1、触发电路送出的触发信号应有足够大的电压和功率2、门极正偏压愈小愈好3、触发脉冲的前沿要陡、宽度应满足要求4、满足主电路移相范围的要求5、触发脉冲必须于晶闸管的阳极电压取得同步,单结晶体管自励振荡电路,练习,1、通态平均电压值是衡量晶闸管质量好坏的指标之一，其值（A）。、越大越好、越小越好、适中为好2、在三相半控桥式整流电路中，要求共阴极晶闸管的触发脉冲之间相位差为（）。（A）60（B）120（C）150（D）1803、电力场效应管MOSFET是理想的（A）控制器件。（A）电压（B）电流（C）电阻（D）功率4、电力晶体管在使用时，要防止（A）。（A）二次击穿（B）静电击穿（C）时间久而失效（D）工作在开关状态5、电力场效应管MOSFET适于在（B）条件下工作A、直流B、低频C、中频D、高频6、电力场效应管MOSFET在使用和存放时，要防止（C）A、时间久而失效B、二次击穿C、静电击穿D、饱和7、电力晶体管GTR有（B）个PN结A、1B、2C、3D、48、绝缘栅双级晶体管属于（A）控制元件A、电压B、电流C、功率D、频率9、要求各项整流指标好，但不要逆变的小功率场合应采用（B）电路。A、单相全控桥B、单相半控桥C、三相半波D、三相半控桥,练习,10、改变单结晶体管触发电路的振荡频率一般采用（AB）。A、变电阻B、变电容C、变电感D、变电压11、晶闸管由导通变为截止的条件是（D）。A、控制电压减小B、控制电压反向C、控制电压为零D、阳极电压为零12、(对)晶闸管加正向电压，触发电流越大，越容易导通。13、（对）电力晶体管属于双极型晶体管。14、（对）绝缘栅双极晶体管属于电流控制元件。15、晶闸管在什么条件下才会导通？导6、通后怎样使它关断？（只讲普通晶闸管）。,三相半波不可控整流电路,三相半波不可控整流电路,输出直流平均电压：,整流二极管承受的最大反向电压：,三相半波可控整流电阻性负载电路,三相半波可控整流电阻性负载电路,三相半波可控整流电阻性负载电路,输出电压平均值：,负载平均电流：,晶闸管平均电流与承受的最大电压：,三相半波可控整流大电感负载不接续流二极管电路,三相半波可控整流大电感负载不接续流二极管电路,输出电压平均值：,负载平均电流：,晶闸管平均电流、有效电流与承受的最大电压：,三相半波可控整流大电感负载接续流二极管电路,三相半波可控整流大电感负载接续流二极管电路,电路各物理量的计算,共阳极三相半波可控整流电路,三相全控桥可控整流电路,三相全控桥可控整流电路原理,三相全控桥可控整流电路原理,三相全控桥可控整流电路原理,三相全控桥可控整流电路,直流平均电压Ud：,直流平均电流Id：,三相全控桥可控整流电路,整流变压器二次绕组电流有效值I2：,晶闸管电流平均值IdT、有效值IT和承受的最大电压UTM：,三相半控桥可控整流电路,三相半控桥可控整流电路电阻性负载,三相半控桥可控整流电路电阻性负载,逆变电路,将直流电变换成交流电的相应电路成为逆变电路将直流电逆变成与交流电源同频率的交流电馈送到电网中去，称为有源逆变将直流电逆变成某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变,两电源间的能量传递,有源逆变的工作原理,三相半波有源逆变电路,三相全控桥有源逆变电路,练习,1、三相电动机负载及对整流电源要求较高的场合一般采用()整流电路。A、单相半波B、三相半波C、三相桥式半控D、三相桥式全控2、在三相半控桥式整流电路中，要求共阴极晶闸管的触发脉冲之间相位差为（）。（A）60（B）120（C）150（D）1803、在带平衡电抗器的双反星形可控整流电路中，两组三相半波电路是（）工作的。A、同时并联B、同时串联C、不能同时并联D、不能同时串联4、三相半控桥整流电路晶闸管承受的最大正反向电压为（）。A、6U2B、3U2C、2U2D、U25、三相全控桥电路最大导通角是（）。A、2B、23C、D、326、三相全控桥电阻加大电感电流移相范围是（）。A、0-2B、0-23C、0-D、0-327、三相半控桥整流电路a=0时脉动电压，最低脉动频率是（）。A、2fB、3fC、4fD、6f8、三相半波可控整流电路各相触发脉冲相位差（）。A、60B、90C、120D、180,练习,10、在三相半波可控整流电路中，当负载为感性时，负载电感越大，其（）导通角越大。A、输出电压越低B、输出电压越高C、输出电压恒定不变D、输出电压11、三相桥式晶闸管可控硅整流电路每次每隔（）换流一次。A、60B、120C、150D、18012、电感足够大的负载三相桥式晶闸管可控整流电路，当控制角a=90时，直流输出平均电压为（）。A、0.9U2B、1.17U2C、2.34U2D、0U213、三相桥式全控整流电路，同一相所接的两只晶闸管触发脉冲之间的相位差是（）。A600B1200C1500D180014、三相全控桥接大电感负载时输出电流的波形是（）。A正弦波B断续波C连续近似直线D近似矩形波15、三相全控桥接大电感负载时，晶闸管的导通角为（）。A小于900B900C大于900是D1200,变频器的定义,交流异步电动机的同步转速为n0=60f1/p电机的转速与同步转速间存在一个转差率n=60f1(1-s)/p由公式n=60f1(1-s)/p可知，改变定子频率f1可实现电机的调速。将三相50Hz交流电经过一定电子设备变换，得到不同频率的三相交流电，则可使普通的交流电动机获得不同的转速。这种设备我们称这为变频器。,变频器的工作原理,换相方式：交流电网换相、负载谐振式换相、脉冲换相、器件换相,变频器的分类,1按变换环节分：交交、交直交（1）交交变频器把固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2）交直交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节易控制，因此，在频率的调节范围、以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这种。,变频器的分类,2按直流环节的滤波方式分：电流型、电压型（1）电流型电流型变频器的中间直流环节采用电感元件作滤波元件。这种形式的突出优点是当电动机处于再生发电状态时，可方便的把电能回馈到交流电网。缺点是电感元件对整流器输出的电压的交流成分的滤除受负载的影响较大。这种变频器主要用于频繁加减速的大容量传动中，目前应用面不如电压型广。（2）电压型电压型变频器的中间直流环节采用电容元件作滤波元件，这种结构可获得平稳的直流电压，提供给逆变器。这种结构受负载的影响较小，可在空载至满载范围内均获得良好的性能。缺点是当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的电能难于回馈到交流电网，必须采用相应的电路加以解决。3按电压的调制方式分：PAM、PWM（1）PAM（脉幅调制）（2）PWM（脉宽调制）,电流型逆变器,并联谐振逆变器,电压型逆变器,两种逆变器的比较,变频器的基本组成及工作原理,一、交直交变频器的基本组成及作用1整流器将三相（或单相）交流电整流成直流。2直流环节负责将整流器输出的交流成分滤除掉获得纯直流电提供给逆变器。电流型采用电感元件作滤波元件，主要用于频繁加减速成的大容量传动中；电压型采用电容元件作为滤波元件，目前的应用面比电流型广。3逆变器将直流电重新逆变为新的频率的三相交流电，驱动负载电动机转动。4控制电路由检测电路、信号输入、信号输出、功率管驱动、各种控制信号计算等部分组成，目前这部分环节主要由高性能微机与外围设备组成的微机控制系统完成。它具有控制功能强、硬件简单的特点，目前的变频器实际是一个高性能的计算机系统。,电压型交直交变频器的调制方式,（一）脉冲幅值调制PAM（PulseAmplitudeModulation）方式通过控制整流器晶闸管的导通角，可获得不同整流电压Ud；控制电路控制GTO导通的频率即可获得不同同步转速的旋转磁场，达到变频调速的目的。进而控制输出三相交流电压的幅值。又称脉冲幅度调制方式。(所以PAM方式中逆变器完成VF，整流器完成VV作用特点：PAM在大容量变频器中有着广泛的应用。优点是每周期内开关次数少。电路相对简单、对功率器件的要求不高、容易实现大功率变频。缺点是输出电压的谐波万分较高，在低频时，由于电流的断续，不能形成平滑的旋转磁场，造成电动机的蠕动步进现象。随着现代电力电子器件产品的不断改进，以及控制策略和控制技术的不断发展，PWM方式的交直交变频器已经成为变频调速的主流。,电压型交直交变频器的调制方式,（二）脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）方式把每半个周期内，输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度的为t1,每两个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比为：这时，电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现VV的效果。故称脉宽调制PWM。PWM只须控制逆变电路便可实现VVVF。为了使输出电流的波形接近于正弦波，目前常用的是正弦波脉宽调制的方式SPWM。这种方法输出的电压经滤波后，可获得纯粹的正弦波形电压，达到真正的三相正弦交流电压输出的目的。,电压型交直交变频器的调制方式,1SPWM变频器的电路原理：整流器由不可控器件（二极管）组成。它输出的电压经电容滤波后，提供恒定直流电压供给逆变器，逆变器由6个可控功率器件大功率晶体管GTR（或绝缘栅双极型晶体管IGBT）及反并联的续流二极管组成。控制回路中参考信号振荡器产生三相对称的三个正弦参考电压，其频率决定逆变输出电压的频率，其幅值满足逆变器输出电压的幅度要求。即这个振荡器可发出VVVF信号。三角波振荡器能发出频率比正弦波高出许多的三角波信号。这两种信号经电路的作用后，产生PWM功率输出电压。在通讯技术中，这里的正弦波称之为调制波，三角波称为载波，输出为PWM信号。,在SPWM电压脉冲序列中，各个脉冲的幅度相等而脉冲的宽度不相等，宽度的变化取决于两个比较电压的交点及交点间的距离（时间）。在这个脉冲序列中，占空比按照正弦规律变化，因此脉冲序列的瞬时电压平均值是按正弦规律变化的。SPWM就是用幅值相等而宽度不等的矩形脉冲序列去逼近和等效所需要的正弦交流信号。SPWM调制方式可分为：单极性式和双极性式。输出交流电的电压大小的调节是由改变参考信号的电压大小来实现的；输出交流电的频率调节是由改变参考控制波的频率来实现的并且这两个频率同样大小。,变频调速的控制方式（U/f控制方式）,（一）U/f控制方式由电机学可知，定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果。本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电机定子每相电动势的有效值是：如果定子每相电动势的有效值E1不变，改变定子频率时就会出现下面两种情况：如果f1f1N，那么MMN。其结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，电动机的最佳工作状态就是磁通处于额定值。若M为常值时，必须保持E1与f1成正比的变化。电机在较高频率时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，可认为：U1=E1，因此一般可控制压频比：U1/f1=C（常数），即可获得恒定磁通的工作状态。这即所谓的U/f控制方式变频器的工作原理。,变频调速的控制方式（U/f控制方式）,1基频以下调速由上面分析可知，要保持M不变，当频率f1向下调节时，必须同时降低E1，使E1/f1=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。当电机较高频率时，可以满足U1/f1=C。当电机频率降低时，电动机内部阻抗也改变，所以U1=E1不再满足，需增加一定的输入电压，补偿掉定子阻抗的压降，则可保持E1/f1=C。在负载没有变化的情况下，保持主磁能M恒定，则电磁转矩保持恒定，一般将这种具有恒磁通调速方式称为恒转矩调速。,变频调速的控制方式（U/f控制方式）,2基频以上调速当定子绕组的交流电频率f1由基频向上调节时，由于受到额定电压的限制，由可见，主磁通M不断减小，导致电动机转矩减小。在这种控制方式下，转速随之提高。但近似不变，