程宪平 机电传动与控制(第三版)7第七章

1、1机电传动控制 2机电传动控制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 7.1 7.1 电力半导体器件电力半导体器件 7.2 7.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 7.3 7.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 7.4 7.4 逆变器逆变器 7.5 7.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 7.6 7.6 晶闸管的串并联和保护晶闸管的串并联和保护3机电传动控制 掌握晶闸管的基本工作原理、掌握晶闸管的基本工作原理、 特性和主要参数的含义；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 (

2、(特别是在不同性质负载下的工作特点特别是在不同性质负载下的工作特点) )； 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和触发电路的基本工作原理。4机电传动控制 晶闸管的导通与关断条件，可控性；晶闸管的导通与关断条件，可控性； 晶闸管单相和三相基本可控整流电路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；在不同性质负载下的工作特点； 晶闸管额定通态平均电流的含义及晶闸管额定通态平均电流的含义及 基本可控整流电路中的选择和额定电压的选择。基本可控整流电路中的

3、选择和额定电压的选择。 整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况；整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况； 额定通态平均电流的选择；额定通态平均电流的选择； 逆变器的工作原理。逆变器的工作原理。 5机电传动控制6机电传动控制7机电传动控制 和和两种两种 从公用电网直接得到的是交流，从公用电网直接得到的是交流， 从蓄电池和干电池得到的是直流。从蓄电池和干电池得到的是直流。8机电传动控制9机电传动控制10机电传动控制11机电传动控制12机电传动控制13机电传动控制 可看成可看成“”的技术，的技术， 是是“”， 控制理论是实现该接口的强有力纽带。控制理论是实现该接口的强有力纽带。 60年代

4、出现，年代出现， 1974年，美国的年，美国的W. Newell 用倒三角形对电力电子学用倒三角形对电力电子学 进行了描述，被全世界普遍接受。进行了描述，被全世界普遍接受。 连续、离散连续、离散 电路、器件电路、器件静止器、旋转电机静止器、旋转电机描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形14机电传动控制 15机电传动控制电力电子技术的发展分为四个阶段电力电子技术的发展分为四个阶段史前期（史前期（1957年以前）年以前） 使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。晶闸管时代（晶闸管时代（195870年代）年代） 晶闸管，又称晶闸管，又

5、称晶体闸流管或可控硅整流器晶体闸流管或可控硅整流器（SCR），）， 通过门极控制开通，但不能控制关断，通过门极控制开通，但不能控制关断， 属于半控型器件。属于半控型器件。 目前由于其能承受的电压电流容量仍是器件中最高的，目前由于其能承受的电压电流容量仍是器件中最高的， 而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。16机电传动控制 全控型器件时代（全控型器件时代（70年代后期）年代后期） 以下列几种为代表：以下列几种为代表： 可关断晶闸管可关断晶闸管( (GTO) )、 电力双极型晶体管电力双极型晶体管( (BJT) ) 、 电力场效应管电力场效应

6、管( (MOSFET) )。 这些器件可以通过门极（或栅极、基极）这些器件可以通过门极（或栅极、基极） 控制开通和关断，属于全控型器件。控制开通和关断，属于全控型器件。 复合器件时代（复合器件时代（80年代后期）年代后期） 以绝缘栅极双极型晶体管（以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表。）为代表。 发展：功率模块、功率集成电路、智能功率模块发展：功率模块、功率集成电路、智能功率模块等。等。17机电传动控制电力电子装置提供给负载的电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，恒频交流电源和变频交流电源，它对节省电能有重要意义，它对节省电能有重要

7、意义，因此电力电子技术研究的因此电力电子技术研究的就是就是，也被称为是也被称为是。18机电传动控制 按照器件能够按照器件能够，分为三类，分为三类： 半控型器件半控型器件 通过控制信号控制其导通而不能控制其关断。通过控制信号控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件全控型器件 通过控制信号控制其导通又控制其关断。通过控制信号控制其导通又控制其关断。 不可控器件不可控器件 不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。 按照按照的性质，分为两类的性质，分为两类： 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或抽出电流，实现通断控制。通过从控制端注入或抽出电流，实现通断控制

8、。 电压驱动型电压驱动型 通过在控制端施加电压信号，实现通断控制。通过在控制端施加电压信号，实现通断控制。 按照器件内部电子和空穴按照器件内部电子和空穴参与导电的情况分三类参与导电的情况分三类： 单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电的器件。由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 复合型器件复合型器件 由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。19机电传动控制 单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电的器件。由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件双极型器件 由

9、电子和空穴两种载流子参与导电的器件。由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 复合型器件复合型器件 由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。电力电子电力电子器件分类器件分类“ ” 按照器件内部电子和空穴按照器件内部电子和空穴参与导电的情况分三类参与导电的情况分三类：20机电传动控制电力电子器件电力电子器件分类分类“”n 单极型单极型：l SIT（静电感应晶体管静电感应晶体管）n 双极型双极型：l SITH（静电感应晶闸管静电感应晶闸管）l IRIAC（双向晶闸管双向晶闸管）l RCT（逆导（逆导晶闸管晶闸管）l LTT（光控晶闸管）（光控晶闸管）n 混合混

10、合型型：l MCT（MOS控制晶闸管）控制晶闸管）21机电传动控制电力电子器件电力电子器件分类分类“”可控性可控性驱动信号驱动信号二极管二极管不可控不可控无无晶闸管晶闸管半控半控脉冲电流脉冲电流（开通）（开通）GTO全控全控正、负正、负脉冲电流脉冲电流GTR全控全控正正( (负负) )电流电流MOSFET全控全控正正( (负负) )电压电压IGBT全控全控正正电压电压22机电传动控制外形有外形有螺栓型和平板型螺栓型和平板型两种封装。两种封装。螺栓型：螺栓型：螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型：平板型：可由两个散热器将其夹在中间。可由两

11、个散热器将其夹在中间。AAGGKK(b)(c)(a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3(a)晶闸管外形晶闸管外形(b)晶闸管结构晶闸管结构(c)晶闸管电气图形符号晶闸管电气图形符号晶闸管晶闸管( (SCR) )引出引出 阳极阳极A 阴极阴极K 门极门极( (控制端控制端) )G三个联接端。三个联接端。23机电传动控制 晶闸管工作原理的实验说明晶闸管工作原理的实验说明 由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路主电路； 由电源、开关由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成、晶闸管的门极和阴极组成控制电路控制电路 （触发电路触发电路）。）。

12、使晶闸管导通使晶闸管导通晶闸管导通后晶闸管导通后使晶闸管使晶闸管恢复阻断恢复阻断主电路主电路控制电路控制电路触发电路触发电路晶闸管电路晶闸管电路24机电传动控制 晶闸管是用很小的功率控制晶闸管是用很小的功率控制 大功率的可控整流元件，大功率的可控整流元件， 要使晶闸管导通必须在要使晶闸管导通必须在 其阳极和控制极其阳极和控制极 同时加正向电压，同时加正向电压， 晶闸管导通以后，晶闸管导通以后， 控制极就失去了控制极就失去了 控制作用。控制作用。 欲使晶闸管欲使晶闸管 恢复阻断状态，恢复阻断状态， 则必须把阳极正向电压则必须把阳极正向电压 降低到一定值降低到一定值( (断开或反向断开或反向) )

13、。25机电传动控制晶闸管的伏安特性曲线是非线性的。晶闸管的伏安特性曲线是非线性的。为了正确选用晶闸管，为了正确选用晶闸管，了解它的主要参数至关重要。了解它的主要参数至关重要。 断态重复峰值电压断态重复峰值电压 断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压 反向重复峰值电压反向重复峰值电压 反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压 通态通态( (峰值峰值) )电压电压 正向电流正向电流 额定通态平均电流额定通态平均电流 维持电流维持电流 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第第I象限象限正向特性正向特性第第

14、III象限象限反向反向特性特性IG2IG1IG26机电传动控制门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管（）门极门极G阳极阳极 A阴极阴极 K电力晶体管电力晶体管( ( ) )发射极发射极 e基极基极 b集电极集电极 c绝缘栅绝缘栅双极晶体管双极晶体管（）发射极发射极 E栅极栅极 G集电极集电极 C电力场效应晶体管电力场效应晶体管（ ）P沟道沟道N沟道沟道栅极栅极 G漏极漏极 D源极源极 SDGS27机电传动控制由由、电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的组成。组成。控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路28机电传动控制7.2.1 单相

15、半波可控整流电路单相半波可控整流电路1. 1.带电阻负载带电阻负载2.2.带阻感负载带阻感负载3.3.带阻感负载有续流二极管带阻感负载有续流二极管7.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路 1.1.单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路带电阻负载带电阻负载带阻感负载带阻感负载 2.2.单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路带电阻负载带电阻负载带阻感负载带阻感负载7.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载=0 时时=60 时时 2.2.带阻感负载带阻感负载=0 时时=90 时时=30 时时=30 时时=90 时时=30 时时7.3.1 三相半

16、波可控整流电路三相半波可控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载=0 时时=60 时时 2.2.带阻感负载带阻感负载 （30 时与电阻负载时相同时与电阻负载时相同）=60 时时29机电传动控制 由晶闸管构成的可控整流电路由晶闸管构成的可控整流电路 可以把可以把变成大小可调的变成大小可调的。 晶闸管可控整流电路的共同特点是：晶闸管可控整流电路的共同特点是： 通过改变通过改变控制角控制角来改变晶闸管的来改变晶闸管的导通角导通角， 以达到改变以达到改变直流输出电压直流输出电压的目的。的目的。 但是对于不同的整流电路、不同的控制角、但是对于不同的整流电路、不同的控制角、 不同性质的负载，却使这种变换具

17、有不同的特点和指标。不同性质的负载，却使这种变换具有不同的特点和指标。 具体选用电路时，应根据具体选用电路时，应根据 负载性质、容量大小、电源情况、元件准备情况等，负载性质、容量大小、电源情况、元件准备情况等， 进行具体分析比较，全面衡量后再确定。进行具体分析比较，全面衡量后再确定。 30机电传动控制 单相半波整流电路单相半波整流电路最简单，但各项指标都较差，最简单，但各项指标都较差， 只适用于小功率和输出电压波形要求不高的场合。只适用于小功率和输出电压波形要求不高的场合。 单相桥式整流电路单相桥式整流电路各项性能较好，只是电压脉动频率较大，各项性能较好，只是电压脉动频率较大， 故最适合小功率

18、的电路。故最适合小功率的电路。 三相半波整流电路三相半波整流电路各项指标都一般，各项指标都一般，所以用得不多。所以用得不多。 三相桥式整流电路三相桥式整流电路各项指标都好，各项指标都好， 在要求一定输出电压的情况下，元件承受的峰值电压最低，在要求一定输出电压的情况下，元件承受的峰值电压最低， 因此，最适合于大功率高压电路。因此，最适合于大功率高压电路。 31机电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载带电阻负载的带电阻负载的单相半波单相半波可控整流可控整流电路及波形电路及波形输入输入电压电压控制控制脉冲脉冲输出输出电压电压器件器件电压电压32机

19、电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载带电阻负载的带电阻负载的单相半波单相半波可控整流可控整流电路及波形电路及波形n 也称也称触发角触发角或或控制角控制角。 从晶闸管开始承受从晶闸管开始承受 正向阳极电压起到施加正向阳极电压起到施加 触发脉冲止的电角度。触发脉冲止的电角度。 n 晶闸管在一个电源周期晶闸管在一个电源周期 中处于通态的电角度。中处于通态的电角度。 33机电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载带电阻负载的带电阻负载的单相半波单相半波可控整流可控整流电路及波形电路及波形 ud为

20、脉动直流，波形只在为脉动直流，波形只在u2 正半周内出现，称正半周内出现，称“”整流。整流。采用了可控器件晶闸管，采用了可控器件晶闸管， 且交流输入为单相，故为且交流输入为单相，故为整流电路。整流电路。ud波形在一个电源周期中波形在一个电源周期中 只脉动一次，故为只脉动一次，故为整流电路。整流电路。34机电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载带电阻负载的带电阻负载的单相半波单相半波可控整流可控整流电路及波形电路及波形 改变触发脉冲出现改变触发脉冲出现 时刻，即改变控制角大小。时刻，即改变控制角大小。（） 通过控制触发脉冲的相位通过控制触发脉

21、冲的相位 来控制直流输出电压的大小。来控制直流输出电压的大小。 整流输出电压整流输出电压Ud的的 平均值从最大值变化到零时，平均值从最大值变化到零时， 控制角控制角 的变化范围。的变化范围。 35机电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1.1.带电阻负载带电阻负载带电阻负载的带电阻负载的单相半波单相半波可控整流可控整流电路及波形电路及波形基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为：直流输出电压平均值为：2cos145. 0)cos1(2222 UU )(sin2212dttdUU36机电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2.2.带阻感负载带

22、阻感负载阻感负载的特点：阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，电感对电流变化有抗拒作用，使流过电感的电流不能发生突变。使流过电感的电流不能发生突变。带阻感负载的带阻感负载的单相半波单相半波可控整流可控整流电路及波形电路及波形当当u2为正时，电流为正时，电流id从零开始增加。从零开始增加。当当u2过零变负时，过零变负时， L储存的能量保证了电流储存的能量保证了电流id 在回路中继续流通，在回路中继续流通， VT不关断，不关断，ud为负电压。为负电压。当电流当电流id小于小于VT的维持电流时，的维持电流时， VT关断，关断，ud为零。为零。37机电传动控制7.2.1 单相半波可控整流电路单相半

23、波可控整流电路3.3.带阻感负载有续流二极管带阻感负载有续流二极管 为避免为避免Ud太小，在整流电路太小，在整流电路 的负载两端并联续流二极管。的负载两端并联续流二极管。输入输入电压电压输出输出电压电压输出输出电流电流器件器件电流电流器件器件电压电压38机电传动控制2cos145. 02 U )(sin2212dttdUU39机电传动控制单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路电阻负载时的电路及波形电阻负载时的电路及波形7.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路1.1.单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路（1 1）电阻负载时）电阻负载时直流输出电压的平均值为：直流输出电压的平均值

24、为：桥式半控桥式半控：VT1和和VT2为可控；为可控；VD3和和VD4为不可控。为不可控。u2正半周时，正半周时， VT1和和VD4导通导通=-u2为半周时，为半周时， VT2和和VD3导通导通=-40机电传动控制单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路有续流二极管有续流二极管阻感负载时的电路及波形阻感负载时的电路及波形7.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路1.1.单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路（2 2）阻感负载时）阻感负载时桥式半控桥式半控：VT1和和VT2为可控；为可控；VD3和和VD4为不可控。为不可控。u2正半周时，正半周时， VT1和和VD4导通导通=-u2负

25、半周时，负半周时， VT2和和VD3导通导通=-41机电传动控制比较比较此全控电路此全控电路 在电阻负载时的工作情况相同，在电阻负载时的工作情况相同，与与上述半控电路上述半控电路 ： 而半控电路的结构则更简单。而半控电路的结构则更简单。7.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路2.2.单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路（1 1）电阻负载时）电阻负载时桥式全控桥式全控：VT1VT4均为可控。均为可控。u2正半周时，正半周时， VT1和和VT4导通导通=-u2负半周时，负半周时， VT2和和VT3导通导通=-42机电传动控制7.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路2.2

26、.单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路（2 2）阻感负载时）阻感负载时桥式全控桥式全控：VT1VT4均为可控。均为可控。VT1和和VT4导通导通:=(-)+ =VT2和和VT3导通导通:=直流输出电压的平均值为：直流输出电压的平均值为：43机电传动控制单相桥式单相桥式半控半控整流整流电阻负载时电阻负载时电路及波形电路及波形单相桥式单相桥式半控半控整流整流有续流二极管有续流二极管阻感负载时阻感负载时电路及波形电路及波形单相桥式单相桥式全控全控整流整流电阻负载时电阻负载时电路及波形电路及波形单相桥式单相桥式全控全控整流整流阻感负载时阻感负载时电路及波形电路及波形44机电传动控制7.3.1 三相

27、半波可控整流电路三相半波可控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=0 时时三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路共阴极接法共阴极接法电阻负载时的电阻负载时的电路电路= =0 时的时的波形波形idu2 =0 O t1OOuab tuacuGudiVT1uVT1 t2 t3OO t t t tuaubuc自然换相点自然换相点45机电传动控制7.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=30 时时u2 t1uab tuacuGudiVT1uVT1 t2 t3 t t t tuaubucuacOOOOO =30 id三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路共阴极接

28、法共阴极接法电阻负载时的电阻负载时的电路电路= =30 时的时的波形波形46机电传动控制7.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=60 时时u2 t1 tuGudiVT1 t2 t3 t t tuaubucOOOO =60 id三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路共阴极接法共阴极接法电阻负载时的电阻负载时的电路电路= =60 时的时的波形波形47机电传动控制三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路共阴极接法共阴极接法阻感负载时的阻感负载时的电路电路= =30 时的时的波形波形7.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.2.带阻感负载带阻感

29、负载30 时时整流电压波形整流电压波形与电阻负载时相同与电阻负载时相同u2 t1uab tuacuGudiVT1uVT1 t2 t3 t t t tuaubucuacOOOOO =30 48机电传动控制7.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.2.带阻感负载带阻感负载=60 时时iauab tuacuVT1 t t t tuaubucuacOOOOO =60 tOibicidud三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路共阴极接法共阴极接法阻感负载时的阻感负载时的电路电路= =60 时的时的波形波形49机电传动控制7.3.1 三相半波三相半波可控整流电路可控整流电路60 时的波形时

30、的波形0 时的波形时的波形30 时的波形时的波形50机电传动控制7.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流三相桥式全控整流电路原理图电路原理图三相桥三相桥是应用最广泛的是应用最广泛的整流电路整流电路51机电传动控制7.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路时时 段段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=uc

31、auc-ub=ucb晶闸管及晶闸管及输出整流电压输出整流电压的情况的情况52机电传动控制7.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路n每一时段每一时段2个晶闸管个晶闸管 同时导通同时导通 形成供电形成供电 回路，回路， 其中共阴极组其中共阴极组 和共阳极组各和共阳极组各1管，管， 且不能为同一相器件；且不能为同一相器件；uG1uG2uG3uG4uG5uG6tttttt共阴极组共阴极组共阳极组共阳极组n6管脉冲相位依次相差管脉冲相位依次相差60 ，顺序：，顺序： VTVT1 1VTVT2 2VTVT3 3VTVT4 4VTVT5 5VTVT6 6VTVT1 1n保证同时导通的保证同时导通

32、的 2个晶闸管均有脉冲。个晶闸管均有脉冲。53机电传动控制7.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路n ud一周期脉动一周期脉动6次，次， 每次脉动每次脉动 的波形都的波形都 一样，故该一样，故该 电路为电路为6脉波整流电路。脉波整流电路。n id波形与波形与ud波形形状一样，波形形状一样， 根据根据iVT1可以得到可以得到id波形。波形。n 晶闸管承受的电压波形，晶闸管承受的电压波形， 即晶闸管承受的最大正、反向电压即晶闸管承受的最大正、反向电压 与三相半波时与三相半波时相同。相同。54机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=

33、0 时时三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路电阻负载时的电阻负载时的电路电路=0 时的时的波形波形55机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=30 时时1 t1 =30 OOOO t t t tuaubucuVT1iaud1udud2 uacuabubcubaucaucbuabuacuacuabubcubaucaucbuabuacuabuac三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路电阻负载时的电阻负载时的电路电路=30 时的时的波形波形56机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=

34、60 时时OOO t1 =60 t t tuaubucuVT1ud1udud2 uacuabubcubaucaucbuabuacuabuacuacuabubcubaucaucbuabuac三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路电阻负载时的电阻负载时的电路电路=60 时的时的波形波形57机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路1.1.带电阻负载带电阻负载=90 时时uacuabubcubaucaucbuabuacOOOOOuaubuc t1 =90 t t t t tiVT1ud1udud2idia三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路电阻负载时的电阻负载时的电路电

35、路=90 时的时的波形波形58机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路2.2.带阻感负载带阻感负载=0 时时 t t t tOOOO =0 uaubuc uacuabubcubaucaucbuabuac t1iVT1ud1udu2Lud2u2id三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路阻感负载时的阻感负载时的电路电路=0 时的时的波形波形59机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路2.2.带阻感负载带阻感负载=30 时时 t t t tuaubuc uacuabubcubaucaucbuabuacia t1 =30 ud1udud2idOOO

36、O三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路阻感负载时的阻感负载时的电路电路=30 时的时的波形波形60机电传动控制7.3.2 三相桥式三相桥式 全控整流电路全控整流电路2.2.带阻感负载带阻感负载=90 时时 t t tuaubuc uacuabubcubaucaucbuabuac t1 =90 ud1udud2OOOuacuabuacuVT1三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路阻感负载时的阻感负载时的电路电路=90 时的时的波形波形61机电传动控制 逆变器工作是整流器工作的逆过程，把直流电变成交流电。逆变器工作是整流器工作的逆过程，把直流电变成交流电。 逆变器分有源逆变器和无源逆变器：逆

37、变器分有源逆变器和无源逆变器： 有源逆变有源逆变交流侧和电网连结。交流侧和电网连结。 有源逆变器主要用于直流电动机的可逆调速等场合。有源逆变器主要用于直流电动机的可逆调速等场合。 无源逆变无源逆变交流侧不与电网联接，而直接接到负载。交流侧不与电网联接，而直接接到负载。 无源逆变器用作变频器，主要用于交流电动机变频调速系统，无源逆变器用作变频器，主要用于交流电动机变频调速系统， 为实现既可调频又能调压的目的，逆变器必须进行电压控制，为实现既可调频又能调压的目的，逆变器必须进行电压控制， 控制电压可以从逆变器的外部或内部进行，控制电压可以从逆变器的外部或内部进行， 改变直流输入电压是从外部进行控制

38、，改变直流输入电压是从外部进行控制， 而脉宽控制和脉宽调制则是从逆变器内部进行的。而脉宽控制和脉宽调制则是从逆变器内部进行的。 在逆变器中为了能使晶闸管关断，在逆变器中为了能使晶闸管关断， 一般要设置专门环节进行强迫关断和换流。一般要设置专门环节进行强迫关断和换流。 62机电传动控制 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变， 其电路形式未变，只是电路工作条件转变。其电路形式未变，只是电路工作条件转变。 既既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。 产生有源逆变的两个条件：产生有源逆变

39、的两个条件： 有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致， 其值大于变流器直流侧平均电压；其值大于变流器直流侧平均电压； 晶闸管的控制角晶闸管的控制角 / /2，使，使Ud为负值。为负值。 实现有源逆变，只能采用全控电路。半控桥或有续流二实现有源逆变，只能采用全控电路。半控桥或有续流二 极管的电路，因其整流电压极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许不能出现负值，也不允许 直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。 逆变和整流的区别：控制角逆变和整流的区别：控制角 不同不同0 / /2 时，电路

40、工作在整流状态时，电路工作在整流状态 / /2 OutOutOutSPWM波波面积等效面积等效原理原理电压型全桥逆变电路的工作原理电压型全桥逆变电路的工作原理74机电传动控制 PWM变频调压方式变频调压方式面积等效面积等效原理原理l 根据面积等效原理，根据面积等效原理， 正弦波还可等效为正弦波还可等效为 右图中的右图中的PWM波。波。l 这种方式在实际中这种方式在实际中 应用更广泛。应用更广泛。l 正弦波正弦波 一个完整周期的一个完整周期的 等效等效PWM波如右图。波如右图。 tO- -UdUd tO- -UdUd单极性单极性PWM控制方式控制方式双极性双极性PWM控制方式控制方式电压型全桥逆

41、变电路的工作原理电压型全桥逆变电路的工作原理75机电传动控制单极性单极性PWM控制方式控制方式 PWM变频调压方式变频调压方式电压型全桥逆变电路的工作原理电压型全桥逆变电路的工作原理在在和和的的 交点时刻控制交点时刻控制V1V4的通断。的通断。tuOtUduoO- -Ud76机电传动控制单极性单极性PWM控制方式控制方式 PWM变频调压方式变频调压方式电压型全桥逆变电路的工作原理电压型全桥逆变电路的工作原理tuOtUduoO- -Ud ur正半周，正半周， uc为正，为正， 当当uruc时，使时，使u0Ud 当当uruc时，使时，使u00 ur负半周，负半周， uc为负，为负， 当当ur uc

42、时，使时，使u00 当当uruc时，使时，使u0Ud77机电传动控制双极性双极性PWM控制方式控制方式 ur正半周，正半周， uc有正有负，有正有负， 当当uruc时，使时，使u0Ud 当当uruc时，使时，使u0Ud ur负半周，负半周， uc有正有负，有正有负， 当当ur uc时，使时，使u0Ud 当当uruc时，使时，使u0Ud PWM变频调压方式变频调压方式电压型全桥逆变电路的工作原理电压型全桥逆变电路的工作原理uructuOtUduoO- -Uduouof78机电传动控制电压型全桥逆变电压型全桥逆变 电路的工作原理电路的工作原理 一般变频一般变频调压方式调压方式 移相变频移相变频调压

43、方式调压方式 PWM变频变频调压方式调压方式uG1uG2uG3uG4uotOuouofuotOuouof79机电传动控制晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角晶闸管可控整流电路，通过控制触发角的大小，的大小， 即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。 触发电路是供给晶闸管所需触发电压之用。触发电路是供给晶闸管所需触发电压之用。 为保证触发可靠，对触发电路的主要要求是：为保证触发可靠，对触发电路的主要要求是：脉冲幅度要足够大且要有一定的脉宽，脉冲幅度要足够大且要有一定的脉宽，脉冲前沿要陡且具有一定的触发功率，脉冲前沿要陡且

44、具有一定的触发功率，移相范围要足够宽且要求与主电源同步等。移相范围要足够宽且要求与主电源同步等。 触发电路的种类很多，各种触发器一般都是由触发电路的种类很多，各种触发器一般都是由 同步波形产生、移相控制与脉冲形成三个环节组成。同步波形产生、移相控制与脉冲形成三个环节组成。 目前用得最多的是集成触发电路。目前用得最多的是集成触发电路。 80机电传动控制晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路同步信号为锯齿波的触发电路 输出：可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲。输出：可为双窄脉冲，也可为单窄脉冲。 三个基本环节：三个基本环节：脉冲的形成与放大；脉冲的形成与放大； 锯齿波的形成和脉冲移相

45、；锯齿波的形成和脉冲移相；同步环节。同步环节。 此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。集成触发器集成触发器 可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。 晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，取代分立式电路。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，取代分立式电路。 目前国内常用的有目前国内常用的有KJ系列和系列和KC系列。系列。 组成环节与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，有：组成环节与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，有： 同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大。同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分

46、选及脉冲放大。81机电传动控制晶闸管的串并联和保护晶闸管的串并联和保护l 为了满足大容量生产机械拖动控制的需求，为了满足大容量生产机械拖动控制的需求， 晶闸管要进行串、并联应用。晶闸管要进行串、并联应用。 当晶闸管额定电压小于要求时，可以将多个器件串联；当晶闸管额定电压小于要求时，可以将多个器件串联； 当晶闸管额定电流小于要求时，可以将多个器件并联。当晶闸管额定电流小于要求时，可以将多个器件并联。l 为克服晶闸管性能参数分散性对串、联应用中的影响，为克服晶闸管性能参数分散性对串、联应用中的影响， 必须采取均流、均压措施；必须采取均流、均压措施；l 过载能力较差是晶闸管的缺点，过载能力较差是晶闸

47、管的缺点， 所以使用时要采取过流、过压保护。所以使用时要采取过流、过压保护。 82机电传动控制 83机电传动控制 84机电传动控制掌握自动调速系统中各个基本环节、掌握自动调速系统中各个基本环节、 各种反馈环节的作用与特点；各种反馈环节的作用与特点；掌握各种常用的自动调速系统的掌握各种常用的自动调速系统的 调速原理、特点及适用场所；调速原理、特点及适用场所；能根据生产机械的特点和要求来能根据生产机械的特点和要求来 正确选择机电传动控制系统，正确选择机电传动控制系统， 能处理控制系统运行时所出现的一般问题。能处理控制系统运行时所出现的一般问题。85机电传动控制 几种常用反馈几种常用反馈( (转速负

48、反馈、转速负反馈、 电压负反馈与电流正反馈、电流截止负反馈电压负反馈与电流正反馈、电流截止负反馈) ) 系统的工作原理，特点与作用；系统的工作原理，特点与作用； 晶体管脉宽调速系统晶体管脉宽调速系统 的组成基本工作原理与主要特点。的组成基本工作原理与主要特点。 比例积分调节器比例积分调节器(PI(PI调节器调节器) )的调节作用；的调节作用； 晶体管脉宽调速系统中主电路晶体管脉宽调速系统中主电路( (功率开关放大器功率开关放大器) ) 工作时的电压、电流波形分析。工作时的电压、电流波形分析。86机电传动控制 系统中采用比例调节器。系统具有以下性质：系统中采用比例调节器。系统具有以下性质：一、单

49、闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降 仅为开环系统转速降的仅为开环系统转速降的1(1K )倍倍 (K 是闭环系统的开环放大倍数是闭环系统的开环放大倍数)。 从而大大提高了机械特性的硬度，从而大大提高了机械特性的硬度， 使系统的静差度大为减小。使系统的静差度大为减小。 在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速 仅为开环时的仅为开环时的1(1K )倍。倍。 为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速， 闭环时的给定电压须

50、比开环时的提高闭环时的给定电压须比开环时的提高(1K )倍。倍。 87机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 在相同的最高转速和相同的低速在相同的最高转速和相同的低速 最大允许静差度的条件下，最大允许静差度的条件下， 闭环系统的调速范围为开环系统的闭环系统的调速范围为开环系统的(1+K)倍。倍。所以所以： 提高开环放大倍数提高开环放大倍数K是减小闭环系统静差度、是减小闭环系统静差度、 扩大调速范围的有效措施。扩大调速范围的有效措施。 但但K太大，对系统的动态稳定性不利。太大，对系统的动态稳定性不利。 88机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 1.

51、转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统（1）系统组成）系统组成+ +- -放放大大器器MTG+ +- -+ +- -+ +- -UtgUdIdn+ +- - -+ +U Ug+ +- -MTGUfUku整整流流器器触触发发器器测速发电机测速发电机电动机电动机负反馈负反馈电压电压给定电压给定电压偏差偏差电压电压控控制制角角控控制制电电压压输出输出电压电压转速转速89机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统（2）调节原理）调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，在反馈控制的闭环直流调速系

52、统中， 与电动机同轴安装一台测速发电机与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ， 从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf ， 与给定电压与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压相比较后，得到转速偏差电压 U ， 90机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统 经过放大器经过放大器 ，产生控制电压，产生控制电压Uk， 通过触发器，改变控制角通过触发器，改变控制角， 使整流器的输出电压使整流器的输出电压Ud改变，改变，从而控制电动机的转速从而控制电动机的转速n。（2）调

53、节原理）调节原理91机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统（3）闭环系统的）闭环系统的 稳态结构框图稳态结构框图KpKs1/ /CeUgUkUEnUdUf+ + +- -IdR- -92机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs1/ /CeUgUkUEnUdUf+ + +- - IdR- -各种各种扰动作用扰动作用最终都要最终

54、都要影响到转速影响到转速（4）扰动作用与影响）扰动作用与影响93机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：例如： UkUd n UfUUkUd n Id n UfUUkUd n KpKs1/ /CeUgUkUEnUdUf+ + +- - IdR- -（5）抗扰能力）抗扰能力94机电传动控制一、单闭环有静差调速系统一、单闭环有静差调速系统 2. 电压负反馈单闭环有静差调速系统电压负反馈单闭环有静差调速系统（

55、见教材（见教材P282图图7-38） 它只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落，它只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落， 故它主要不是用来稳速，而是用它来防止过电压，故它主要不是用来稳速，而是用它来防止过电压， 改善动态特性、加快过渡过程。改善动态特性、加快过渡过程。3. 电压负反馈与电流正反馈组成的电压负反馈与电流正反馈组成的 转速负反馈单闭环有静差调速系统转速负反馈单闭环有静差调速系统（见教（见教材材P278图图7-39） 电流正反馈可以补偿电动机电枢电阻压降电流正反馈可以补偿电动机电枢电阻压降IaRa， 因而扩大了调速范围，提高了转速的稳定性。因而扩大了调速范围，提高了

56、转速的稳定性。 只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。95机电传动控制系统组成见教材系统组成见教材P281图图7-43。单闭环无静差调速系统中采用比例积分单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，调节器， 比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快， 积分部分最终消除静态偏差。积分部分最终消除静态偏差。 因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。 对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，对于反馈检测元件和给定电源误差的消除， 闭环系统是无

57、能为力的，故高精度的自动调速系统必须闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须 有高精度的检测元件和给定电源作保证。有高精度的检测元件和给定电源作保证。 单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题，单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题， 所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。 二、单闭环无静差调速系统二、单闭环无静差调速系统 96机电传动控制二、单闭环无静差调速系统二、单闭环无静差调速系统 电流截止负反馈单闭环无静差调速系统电流截止负反馈单闭环无静差调速系统 (见：教材见：教材P281图图7-43、 P282图图

58、7-45) 有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。 例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬 的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若没有限流的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若没有限流 环节，硬运行下去，电流将远远超过允许值。环节，硬运行下去，电流将远远超过允许值。 如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸， 也会给正常工作带来不便。也会给正常工作带来不便。 采取电流截止负反馈调速系统，可以获得采取电流截止负反馈调速系统，可以

59、获得“堵转堵转”特性特性 ( (常称常称“挖土机挖土机”特性特性) )，防止电流过大而烧坏电机。防止电流过大而烧坏电机。 97机电传动控制二、单闭环无静差调速系统二、单闭环无静差调速系统 电流截止负反馈单闭环无静差调速系统电流截止负反馈单闭环无静差调速系统 (见：教材见：教材P281图图7-43、 P282图图7-45) 调速系统静特性调速系统静特性Ia0I0n0IOn0 Ia0n0IOn0A-转速转速负反馈特性负反馈特性B-电流负反馈特性电流负反馈特性当挖土机遇到当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，坚硬的石块而过载时， 电动机停下，电动机停下， 电流也只是电流也只是 堵转电流堵转电流Ia0。这样

60、的两段式静特性常称作这样的两段式静特性常称作下垂特性下垂特性或或挖土机特性挖土机特性。98机电传动控制系统组成见教材系统组成见教材P283图图7-48。转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 是一个具有电流调节器为内环是一个具有电流调节器为内环 和转速调节器为外环的串级调速系统。和转速调节器为外环的串级调速系统。 两个调节器都采用比例积分调节器，两个调节器都采用比例积分调节器， 它具有良好的静态、动态特性。它具有良好的静态、动态特性。99机电传动控制 就静态特性而言，就静态特性而言， 电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。