第十章电力电子学梁改

1、第十章第十章 电力电子学电力电子学晶闸管及其基本电路晶闸管及其基本电路掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；要参数的含义；基本要求：基本要求：掌握几种单相和三相基本可控整流电路掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及其特点；的工作原理及其特点；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；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。发电路的基本工作原理。第十章第十章 电力电子学电力电子学晶闸管及其基本电路晶闸管及其基本电路晶闸管的导通与关断条件、可控性；晶闸管的导通

2、与关断条件、可控性；重点：重点：整流电路接电感性负载、电动势负载时的整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况；工作情况；难点：难点：晶闸管单相和三相基本可控整流电路在晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点；不同性质负载下的工作特点；晶闸管额定通态平均电流晶闸管额定通态平均电流I I的含义及基本可的含义及基本可控整流电路中控整流电路中I I的选择和额定电压的选择；的选择和额定电压的选择；晶闸管优、缺点：晶闸管优、缺点：优点：很小的功率可以控制较大的功率。控制灵敏，反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级。损耗小，效率高，晶闸管本身的压降很小，总效率可达97。5%。体积小，

3、重量轻。电力电子学的任务是电力电子学的任务是利用电力半导体器件利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。和线路来实现电功率的变换和控制。缺点：缺点：晶闸管优、缺点：晶闸管优、缺点：过载能力弱，在过电流，过电压情况过载能力弱，在过电流，过电压情况下很容易损坏。下很容易损坏。抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，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。当外界干扰较强时，容易产生误动作。导致电网电压波形畸变，高次谐波分量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。增加，干扰周围的电气设备。控制电路比较复杂，对维修人员的技术控制电路比较复杂，对维修人员的

4、技术水平要求高。水平要求高。10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件10.1.1 10.1.1 晶闸管晶闸管(SCR)(SCR)晶闸管晶闸管(SCR)(SCR)是一种可控制的硅整流元件，是一种可控制的硅整流元件，又称为又称为可控硅可控硅。一、晶闸管的结构和符号一、晶闸管的结构和符号特点大电流高浪涌电流 应用大功率变流器 电机控制 充电设备 变电站 10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）阴阴极极控制极控制极阳极阳极二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理如图10.3所示。10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸

5、管（SCRSCR）综上所述可得结论：综上所述可得结论：晶闸管的阳极和控制极同时加正向电晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必压晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；须同时具备的两个条件；起始时若控制极不加电压，则不论阳起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压，晶闸管均不导通，这极加正向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正，反向阻断能力；说明晶闸管具有正，反向阻断能力；10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）在晶闸管导通之后，其控制极就失去在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，控制作用，欲使晶闸管恢

6、复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。断开，或反向）。10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）三、三、晶晶闸闸管管的的伏伏安安特特性性10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 额定通态平均电流（额定正向平均电流）额定通态平均电流（额定正向平均电流）I IT T ：简称为额定电流。10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）021)(sinttdII

7、mT2)(sin20221mmeIttdII正弦半波电流的平均值、有效值分别为：所以有：57122.IIKIImmTe 10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）晶闸管允许正向通过的电流有效值Ie 和它的额定通态平均电流IT之间的数量关系为：TeII57. 1维持电流维持电流I IH H 10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）五、晶闸管的型号及其含义五、晶闸管的型号及其含义国产晶闸管的型号一般表示为国产晶闸管的型号一般表示为3 C T /元件的额定通态平均电流元件的额定通态平均电流可控整流元件元件的断态重复峰值电压元件的断态重复峰值电压N型硅材料三个电极10

8、.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）六、如何判别管子的好坏六、如何判别管子的好坏一只良好的晶闸管，其阳极A与阴极K之间应为高阻值；GK间的逆向电阻比顺向电阻越大，表示晶闸管性能越好。10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）10.1.210.1.2 其他电力半导体器件其他电力半导体器件1.1.双向晶闸管双向晶闸管10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）10.1.1 10.1.1 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）1. G1. G极可控制元件导通与关断极可控制元件导通与关断（不同极性脉冲信号）（不同极性脉冲信号）2.2.发电流发电流(20mA)(2

9、0mA)比普通晶闸管比普通晶闸管大大(30uA(30uA）3.3.动态特性好（关断动态特性好（关断1us1us）而）而晶闸管需（晶闸管需（5-30us5-30us）4.4.应用直流调压和开关电路应用直流调压和开关电路。2 2、可关断晶闸管、可关断晶闸管10.2 10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路10.2.1 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路为控制角（0 0 ）：晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。为导通角（00）：晶闸管在一周期时间内导通的电角度。+ = + = 改变的大小就可以改

10、变负载上电压波形，也就改变了负载电压的大小。10.2 10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路移相：移相：改变改变的大小称为移相。通过移相控的大小称为移相。通过移相控制即可使输出电压制即可使输出电压Ud的平均值发生变化。的平均值发生变化。移相范围：移相范围：改变改变使输出电压平均值从最使输出电压平均值从最小到最大的范围。小到最大的范围。10.2.1 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路晶闸管承受的最大正向与反向电压为22U输出电压的平均值: 2145022122 cosU.ttdsinUUd 负载电流的平均值:214502 cosRU.RUIdd 二、带电感性负载的可控整流

11、电路二、带电感性负载的可控整流电路10.2.1 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路结论：1、晶闸管的导通角将大于-；2、负载电感越大，导通角越大，输出电压和输出电流的平均值越小。q当电源电压变负时，V导通，负载上由电感维持的电流流经二极管，此二极管称为续流二极管。三、续流二极管的作用三、续流二极管的作用10.2.1 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路作用：作用：提高大电感负载时的整流输出平均电压。10.2.1 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路设负载电流的平均值为Id，则流过晶闸管与续流二极管的电流平均值分别为：ddVddVSIIII

12、 222 10.2.1 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路一、单相半控桥式整流电路一、单相半控桥式整流电路1 1、电阻性负载、电阻性负载输出电压平均值与控制角的关系为：输出电压平均值与控制角的关系为： 21902122 cosU.ttdsinUUd 电流平均值：电流平均值：21902 cosRU.RUIdd 晶闸管承受的最大正反向电压为晶闸管承受的最大正反向电压为22U10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路2 2、电感性负载、电感性负载10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整

13、流电路单相桥式可控整流电路晶闸管的导通为晶闸管的导通为 ，则每周期续流二极，则每周期续流二极管导通时间为管导通时间为22 10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路采用加接续流二极管的措施，有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而失断，不会出现失控现象。晶闸管的平均电流为：流过续流二极管的平均电流为：dI2dI10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路晶闸管串联的半控桥式整流电路晶闸管串联的半控桥式整流电路流过流过V1，V2的电流：的电流

14、：ddVII2210.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路只用一只晶闸管的单相桥式整流电路只用一只晶闸管的单相桥式整流电路: 优点：晶闸管用得少，优点：晶闸管用得少，控制线路简单，晶闸控制线路简单，晶闸管不承受反向电压。管不承受反向电压。 缺点：装置尺寸加大，缺点：装置尺寸加大，损耗较大，必须选用损耗较大，必须选用维持电流较大的昌闸维持电流较大的昌闸管，否则容易失控。管，否则容易失控。10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路3、反电势负载、反电势负载只有当电源电压的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通。负载两端的电压平均值比

15、电阻性负载时高。当整流输出直接加于反电势负载时，输出平均电流为：REUIdd10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路例例1：电炉的电阻电炉的电阻 ，为调节加热温，为调节加热温度，用晶闸管组成单相半控桥式可控整流电度，用晶闸管组成单相半控桥式可控整流电路控制，接在电压路控制，接在电压 V V的交的交流电源上，试求：流电源上，试求： 绘出可控整流电路图；绘出可控整流电路图；当控制角当控制角 时，求加在电炉上的电压时，求加在电炉上的电压平均值平均值U Ud d及通过电炉的电流平均值及通过电炉的电流平均值I Id d ；绘出绘出 的波形。的波形。 15 Rtsinu 220

16、22 60 12VSdduiuu、10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路A.RUIV.V)cos(.)t(tdsinUUddd9915514851482312209022232 10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路二、单相全控桥式整流电路二、单相全控桥式整流电路10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路输出电压平均值为： 209022222 cosU.ttdsinUUd晶闸

17、管承受的最大正反向电压为22U控制角移相范围为：全控桥每半周期要求触发两只晶闸管。010.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压 ，电流 。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流的有效值，并选择整流元件。VVU18000 AAI1000 例例-1-1解：输出电压的平均值为：21902 cosU.Ud 所以当晶闸管导通角为（控制角=0）时，输出电压最大，则交流电压有效值为：V./.UU200901809002 10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路所以取交流电压为220V

18、，则交流电流有效值为A.RUIL212101802202 晶闸管承受的最高正向、反向电压和二极管所承受的最高反向电压相等，即AIIIV.UUUVVSRMFM521310220411202 平均电流平均电流流过晶闸管和二极管的流过晶闸管和二极管的10.2.2 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，根据下式选取晶闸管的RRMDRMUU和和VUUVUURMRRMFMDRM6003102260031022 所以晶闸管选用3CT10/600，二极管选用2CZ10/300。10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路10.3.1 10.3.

19、1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路一、电阻性负载一、电阻性负载 自然换相点：自然换相点：相相邻相电压波形的邻相电压波形的交点；三相可控交点；三相可控整流电路的控制整流电路的控制角角从自然换相点从自然换相点算起。算起。10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路晶闸管承受的最大正向电压为 ，可能承受的最大反向电压为pU22ppUU22632 10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路当 时（触发脉冲在自然换相点加入）0 PPdU.ttdsinUU265621712321 当三只晶闸管共阴极连接时，哪一相电压最高，则来触发脉冲时，与那一相

20、相连接的晶闸管就导通，这只管子导通后将使其他管子承受反压而处于阻断状态。负载上电压平均值为：10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路60当 时，在一个周期内三相轮流导通,负载上得到脉动直流电压,其波形是连续的；每只晶闸管的导通角为1200负载上电压的平均值为： cosU.ttdsinUUPPd265621712321 10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路当 时656如图为 时的输出电压波形图。三相轮流导通，负载上电压波形是断续的。2输出电压的平均值为： 330117123210262 cosU.ttdsinUUPPd10.3.1 10

21、.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 结论： 带电阻性负载情况下，当 在 内移相时，输出平均电压由最大值 下降到零，输出电流的平均值为 ，流过每只晶闸管元件的电流平均值为 。650pU217. 1RUIdd3dI10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路一、电感性负载一、电感性负载 这时每只晶闸管导通角为 ，输出电压的平均值为：32 cosU.ttdsinUUPPd265621712321 10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 当 时， 这时，电压 波形正，负面积相等，即 。故三相半流整流电路带电感负时要求触发脉冲的移相范

22、围是 。20dUdu0dU2010.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 加接续流二极管，电流波形将接近于一条平行于横轴的直线。10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路只用三只晶闸管元件优点：接线简单，易控制。缺点：1各晶闸管元件承受的反向电压高；2变压器的利用率低3直流分量引起零线电流大，并在铁心饱和，引起附加损耗和发热。10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路把三只晶闸管的阳极接在一起，叫作共阳极组整流电路。10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路负载上的输出电

23、压等于共阴极组和共阳极组的输出电压之和。10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路将变压器的两组次级绕组共用一个绕组，就是三相桥式全控整流电路。10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路)30(cos34. 22pdUU一般与电动机连接时总是串联一定的电感，以减小电流的脉动和保证电流连续，这时负载的性质可以看作是电感性的。10.4 10.4 逆变器逆变器整流：把交流电变成可调的直流电供给负载。逆变：种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。逆变可分为有源逆变有源逆变和无源逆变无源逆变。在许多场合，同一套晶闸管的电路既可实现整

24、流，又可实现逆变，这种装置称为变流器。10.4.1 10.4.1 有源逆变器有源逆变器10.4 10.4 逆变器逆变器整流：电能由交流侧传送到直流侧逆变：电能由直流侧传送到交流侧10.4.1 10.4.1 有源逆变器有源逆变器20整流状态整流输出电压为：EUUudtdiLRIEUdtdiLRIEuddddddddd 10.4.1 10.4.1 有源逆变器有源逆变器逆变状态（ ）要使电路工作于逆变状态，必须使 及 的极性与整流状态相反，并且要求 。只有满足这个条件才能将直流侧电能反送到交流电网实现有源逆变。dUE 20dUdUE10.4.1 10.4.1 有源逆变器有源逆变器逆变角逆变角：它与控

25、制角它与控制角的关系是：的关系是：对三相半波逆变电路，有：对三相半波逆变电路，有：当当0 0时，时， 当当 时，时，一般一般 时逆变电路工作可靠。所以时逆变电路工作可靠。所以逆变角的变化范围：逆变角的变化范围：2 cosU.Upd2171 maxddUU 0 dU26 6 min10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器10.4 10.4 逆变器逆变器无源逆变电路的工作原理无源逆变电路的工作原理10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器2 2、单相晶闸管桥式逆变器、单相晶闸管桥式逆变器10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器单无源逆变电路的电压控制单无源逆变电路的电压控制交

26、流变频调速，要求保持交流变频调速，要求保持U/fU/f不变。即在改不变。即在改变频率时必须改变端电压的大小因此，要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。求逆变器必须进行电压控制。其控制方法有：其控制方法有：在逆变器内部的电压控制：在逆变器内部的电压控制：脉宽控制脉宽控制和和脉脉冲宽度调制（冲宽度调制（PWMPWM）。）。控制逆变器的输入直流电压控制逆变器的输入直流电压10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器1 1、控制逆变器的输入直流电压、控制逆变器的输入直流电压1电源为交流可控整流电路可调的直流输入到逆变器，从而控制逆变器的输出交流电压。这在交直交变频器中常用

27、。2若为直流电源，则可利用直流变成交流，控制逆变器来改变直流输入电压的大小。缺点：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。10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器2 2、在逆变器内部的电压控制、在逆变器内部的电压控制脉宽控制：脉宽控制：不改变逆变器输入直流电压的大小，而通过改变逆变器中晶闸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。10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWMPWM）：逆变器输出电）：逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲总的导通时间与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，有两种方总

28、的关断时间的比率来控制的，有两种方法：一是维持恒定的脉冲宽度而改变每一法：一是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数；二是改变脉宽，而维半周期内的脉冲数；二是改变脉宽，而维持每半周期内的脉冲数不变。持每半周期内的脉冲数不变。10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器10.5 10.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路向晶闸管供给触发脉冲的电路叫触发电路，常用的有：单结晶体管触发电路，是最早应用的，基本的常用的一种。（输出脉冲不够宽）小容量晶闸管触发电路，其输出脉冲用于触发大功率晶闸管。（用元件比较多）晶体管触发电路。（应用很广）10.5.1 10.5.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸

29、管对触发电路的要求为了保证晶闸管的可靠触发为了保证晶闸管的可靠触发, ,晶闸管对晶闸管对触发电路的要求有触发电路的要求有: :触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流有一定的脉冲宽度，触发脉冲的宽度必须在10s以上（最好有20s 50s）10.5.1 10.5.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求不触发时，触发电不触发时，触发电路的输出电压应该小路的输出电压应该小于于0.15V0.15V0.20V0.20V触发脉冲的前沿要触发脉冲的前沿要陡，前沿最好在陡，前沿最好在10s10s以下以下在晶闸管整流等移相控制的触发电路在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉

30、冲中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围要足够宽。（移相），移相的范围要足够宽。10.5.1 10.5.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求10.5.2 10.5.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路一、单结晶体管的结构和一、单结晶体管的结构和特性（双基极二极管）特性（双基极二极管） b1b1第一基极第一基极 b2b2第二基极第二基极 ee发射极发射极211bbbrrr bbbbbbbAUUrrrU 211 称为单结晶体管的分压系数分压系数（或分压比。（一般在0.30.9之间），由结构决定。10.5.2 10.5.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路如果两个基极间加入一定电压Ubb(b1接负，b2接正），则A点电压为：10.5.2 10.5.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路UeUUeUA A时：时：PNPN结承受反结承受反向电压，故发射极只有极向电压，故发射极只有极小的反向电流，这时，小的反向电流，这时，rb2rb2呈现很大的阻值。呈现很大的阻值。Ue=