矿井维修电工高级技师理论培训2

矿井维修电工技师

理论培训讲义赵纯宝晶闸管变流技术

晶闸管是一种大功率的可控半导体器件。普通型晶闸管具有反向阻断特性，故又称为逆阻型晶问管。近年来，出现了许多派生型晶闸管，如快速型、双向型、关断型和逆导型等晶闸管。各种晶间管具有体积小、重量轻、效串高、寿命长、控制灵敏等优点，广泛应用于可控整流、逆变、斩波、调压及无触点开关等大功率的电能转换和自动控制领域。晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。ANN

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J1J2J3

AGK图2晶闸管的图形符号和内部结构

晶闸管的结构K常用晶闸管的外形结构螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构大电流螺旋式大电流平板式晶闸管模块小电流塑封式晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管Ｖ1（Ｐ1—Ｎ1—Ｐ2）与V2（N1—Ｐ2—Ｎ2）的组成。图4晶闸管工作原理

晶闸管的工作原理晶闸管的导通条件：

1、阳极与阴极之间加上正向电压；

2、门极（控制极）与阴极之间加上适当的正向电压，有足够的门极电流Ig流入。晶闸管导通后，控制极便失去作用，晶闸管维持导通状态。晶闸管的工作原理：可控的单向导电性。晶闸管关断的条件：

流过晶闸管的阳极电流Ia小于晶闸管规定的维持电流IH。

关断实现的方式：

⒈减小阳极电压

⒉增大负载电阻

⒊加反向阳极电压

(1)正向特性

1)IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。2)正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。3)随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。4)晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UBOUDSMUDRMURRMURSM图5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG2.3晶闸管的伏安特性(静态特性)

1)反向特性类似二极管的反向特性。2)反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。3)当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM(2)反向特性图5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG派生器件：双向晶闸管特点：相当与两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。通过控制极的电压可以实现双向导通。晶闸管整流电路

整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。整流电路单相单相半波单相全波单相桥式三相三相半控三相全控负载性质：电阻性电感性反电势性（一）电阻性负载单相半波可控整流电路及波形

单相变压器二次侧电压U2为50HZ正弦波;变压器起变换电压和电气隔离的作用。电路输出电压电流平均值下标均用d表示。晶闸管VT,当在电源正半周内且在门极加触发脉冲时导通.VT导通时，Ud=U2,截止时Ud=0。

电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。

首先，引入两个重要的基本概念：控制角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用α表示,也称触发角或触发延迟角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。α+θ=π移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的大小。移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º直流输出电压平均值为

VT的α移相范围为0～180

通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。延迟了晶闸管的关断时刻，使Ud波形上出现了负值。(二)电感性负载

整流电路直流负载的感抗ωLd和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。带电感性负载的单相半波可控整流电路及波形(二)电感性负载

在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电源电压U2负半周时，使晶闸管VT承受反压而关断。解决的办法是在负载两端并联一个二极管。加了续流二极管以后，输出直流电压Ud的波形与电阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半周时，电流由电源经导通的晶闸管供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负载电流由两部分合成。(三)续流二极管L储存的能量保证了电流id在Ld-Rd-VD回路中流通，此过程通常称为续流。

电感性负载接续流二极管时的电路及波形(三)续流二极管VT的a移相范围为180

。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。输出电压

单相半波可控整流电路的特点单相全控桥式整流电路

单相全波可控整流与单相全控桥式整流电路不同之处在于:全波电路只需两个晶闸管，但变压器二次侧需有中间抽头，晶闸管承受变压器二次侧全部电压；桥式整流需四只晶闸管，变压器不需抽头，两种电路输出直流电压相等。单相全控桥式整流电路(一)电阻性负载VT3VT4VT1VT2Rd

工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4单相桥式全控带电阻负载时的电路及波形a)(一)电阻性负载数量关系a角的移相范围为0~180

。

向负载输出的平均电流值为：

流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：pwtwtwt000i2udidb)c)d)aauVT1,4流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由上述两式得：

不考虑变压器的损耗时，要变压器的容量S=U2I2。选择晶闸管的额定电流为：pwtwtwt000i2udidb)c)d)aauVT1,4u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图12单相全控桥带感性负载时的电路及波形

假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。（由于电感的感应电动势，保持两个管子开通）至ωt=π+α

时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。(二)带感性负载的工作情况u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4晶闸管移相范围为0~90

。

晶闸管导通角θ与α无关，均为180。电流的平均值和有效值：

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180

的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为。数量关系(三)反电动势负载反电动势负载有如下特点：

只有整流电压ud的瞬时值大于负载电动势E时，整流桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有电流id输出，当晶闸管导通时，ud=u2=E+idＲ0；当晶闸管关断时ud=E。因此，在反电动势负载时，电流不连续，负载端直流电压Ｕd升高。单相全控桥式整流反电动势负载

电路结构

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相半控桥式整流电路。(一)电阻负载

半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。单相半控桥式整流电路(二)带感性负载的工作情况

在u2正半周，u2经VT1和VD2向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD1续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT2，VT2导通VT1关断，u2经VT2和VD1向负载供电。

u2过零变正时，VD2导通，VD1关断。VT2和VD2续流，ud又为零。单相桥式半控整流电路带感性负载时波形i2并联续流二极管时的单相桥式半控整流电路感性负载时波形单相半控桥带感性负载接续流二极管时电路及波形续流二极管的作用避免可能发生的失控现象

若无续流二极管，则当α突然增大至180

或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。VT的a移相范围为180

。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中不含直流分量，因而不会造成变压器铁芯直流磁化。负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。平波电抗器电感值可由下式求出。单相桥式全控整流电路特点电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接法。

图17三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及α=0

时的波形

自然换相点：把晶闸管换成二极管时，二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0

。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca

=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)(一)电阻负载

α=0

时的工作原理分析变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成。α=30

的波形（图18-a）

特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。α>30

的情况（图18-b）

特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120

。a)b)c)d)e)f)u2Riduaubuca

=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt

图17三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及α=0

时的波形

图18-aα=30

时的波形

图18-bα>30

时的波形

当α=0°时整流电压最大,增大α,整流电压便减小。当α=150°时,整流电压为零,所以电阻负载时,移向范围为0~150°。当α≤30°时,负载电流连续,各相晶闸管每周期导电120°,即导通角θ=120°。当α>30°时,负载电流断续,各晶闸管导电时间小于120°,即导通角θ=150°-α。(二)感性负载图19三相半波可控整流电路带阻感负载时的电路及a=60

时的波形特点：感性负载，L值很大，id波形基本平直。a≤30

时：整流电压波形与电阻负载时相同。a>30

时（如a=60

时的波形如图所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，——ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。感性负载时的移相范围为90

。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt三相桥式电路实质:是三相半波共阴与共阳极组的串联。共阴极组在电源正半周导通，流经变压器二次侧绕组的是正向电流，共阳极组在电源负半周导通，流经变压器二次侧绕组的是反向电流，因此一周期中变压器绕组中没有直流磁势，且每相绕组的正、负半周都有电流流过，从而提高了变压器绕组利用率。

三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路对触发脉冲有特定要求。为了使六个晶闸管的触发导通顺序符合自然顺序，在三相电源正序情况下，编号为VT1、VT4管分别接A相(A相可任意指定但相序不能反)，VT3、VT6接B相，VT5、VT2接C相，这样触发脉冲与管子导通的顺序为1→2→3→4→5→6，间隔为60o。

导通顺序：

VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6自然换向时，每一时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。

a=0

时，各晶闸管均在自然换相点换相。分析ud波形，可从相电压波形分析，也可从线电压波形分析。wtu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OOOOa=

0°iVT1uVT1wtwtwt三相桥式全控整流电路及a=0

时的波形图从相电压波形

共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线。共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线。总的输出电压ud=ud1-ud2是两条包络线的差值。将其对应在线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。wtu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OOOOa=

0°iVT1uVT1wtwtwt三相桥式全控整流a=0

时的波形图从线电压波形

共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压。共阳极组处于通态的晶闸管对应最小的相电压。输出整流电压ud为这两个相电压相减输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线wtu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OOOOa=

0°iVT1uVT1wtwtwt晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示

6个晶闸管导通顺序VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6

时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb三相桥式全控整流电路a=0时晶闸管工作情况（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60

。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120

，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120

。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180

。

三相桥式全控整流电路的特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种