第2章+三相整流电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,电力电子技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,电力电子技术,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章第,*,页,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章第,*,页,电力电子技术,第二章 三相相控整流电路,第二章,三相相控整流电路,2.1,三相半波相控整流电路,2.2,三相桥式相控整流电路,2.3,整流电路的换相压降,2.4,晶闸管的保护与容量扩展,2.5,晶闸管相控整流电路（实验）,2.0,三相相控整流电路,引言,使用场合：负载容量较大（通常,4kw,以上），要求直流电压脉动较小，交流测由三相电源供电。,三相相控整流电路形式：三相半波、三相桥式、双反星形等，其中：,三相半波相控整流电路是最基本的组成形式；,三相桥式全控整流电路是应用最广泛的整流电路,三相半波相控整流电路,一、三相半波不可控整流电路,电路图及波形如图所示,由三相变压器供电，表达式为：,图,2-1,三相半波不可控整流电路及波形,工作过程：,整流二极管导通的条件是,。 如：对于,VD1,t1,t2:,A,相的瞬时电压值最高；,VD1,导通；,A,点,K,点电位相等，,VD2,和,VD3,承受的是反向压降，无法导通；,负载电压为：,u,d,=,u,a,导通角度：,120,图,2-1,三相半波不可控整流电路及波形,工作过程：,t2,t3: B,相电压最高，,VD2,导通,导通角度：,120,负载电压为,u,b,t3,t4: C,相电压最高，,VD3,导通,负载电压为,u,c,导通角度：,120,图,2-1,三相半波不可控整流电路及波形,二级管,VD,1,的电压波形,u,VD1,：,VD,1,导通期间：,为一管压降，,u,VD1,=0,VD,2,导通期间：,u,VD1,=,u,a,-,u,b,=,u,ab,，为线电压,最大反向电压为：,。,VD,3,导通期间：,为另一段线电压,u,ac,图,2-1,三相半波不可控整流电路及波形,由以上分析：,只有与阳极电压最高的一相相连的整流管导通,按电源相序,VD1,、,VD2,、,VD3,轮流导通，且导通时间为,120,o,负载,R,d,上得到的电压为三相二次相电压波形正半周包络线,自然换相点,：变压器二次相电压正半周相邻波形的交点即,t1,、,t2,、,t3,、,负载直流平均电压值为：,电路结构：晶闸管代替二极管；,三相半波不可控整流电路，相当于可控整流电路,a,=0,时的工作情况。,电路及波形图。,三相半波相控整流电路,二、三相半波可控整流电路 电阻负载,0,30,时的波形,特点：,负载电流断续，晶闸管导通角减小,= 150,-,a,小于,120,图,2-2-2,三相半波可控整流电路，,电阻负载，,a,=60,时的波形,30,30,时，负载电流断续，晶闸管导通角,减小， 此时,电压平均值,：,当,a,=150,时，,U,d,为,0,，移相范围为,0,150,图,2-3-1,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及,a,=30,时的波形,阻感负载，且,L,值很大，,i,d,波形基本平直。,a,30,时,电压波形与电阻负载时相同,电流波形基本为一直线,二、三相半波可控整流电路,-,阻感负载,图,2-3-2,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及,a,=60,时的波形,u,2,过零时，由于,L,的作用，,i,d,近似直线，,VT,1,不会自动关断,负载电压,u,d,波形,(,黑色,),出现负的部分,直到,VT,2,的触发脉冲到来，换流后由,VT,2,导通向负载供电,(,图中青色部分,),VT,1,承受反压而关断,三相半波可控整流电路,-,阻感负载,a,30,时,图,2-3-2,三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及,a,=60,时的波形,i,d,波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将,i,d,近似为一条水平线,晶闸管导通角度为,120,三相半波可控整流电路,-,阻感负载,a,30,时,数量关系,负载侧直流电压,U,d,（,2-4,）,当,a=90,时，,Ud=0,；此时电压波形正负面积相等，,所以大电感负载时，触发脉冲移相范围为,090,。,数量关系,晶闸管电流的有效值为：,流过晶闸管的平均电流为：,输出电流的平均值：,I,d,=,U,d,/,R,d,三、共阳极接法三相半波可控整流电路,电路及波形图如下，接法与共阴极类似；,图,2-5,共阴极、共阳极三相半波可控整流电路,三、共阳极接法三相半波可控整流电路,工作情况：在电源负半周期工作，注意,的起始位置；,特点：可以与共阴极接法的电路结合起来使用，从而在电源正负周期时，都能够工作,-,即三相桥式整流电路。,图,2-5,共阳极三相半波可控整流电路及波形图,2024/9/14,22,电力电子技术,第二章 整流电路,三相桥式全控整流电路,上节内容回顾,三相半波可控整流电路,Three-phase half-wave controlled rectifier,（一）电阻性负载,电压电流波形图,直流输出电压的计算,（二）大电感负载,电压电流波形图,电压平均值的计算,三相半波可控整流电路,Resistive load,=0,公共阴极，阳极电位最高的一相导通,Resistive load,= 30 ,Resistive load,= 60 ,Inductive load, L is large enough,a,30,电感性负载有哪些？,Inductive load, L is large enough,a,30,a, 30,时，,电阻负载,/,电感负载,电压波形均,连续,，有：,整流电压平均值的计算（,1,）,a, 30,时,整流电压平均值的计算（,2,）,电阻负载，,波形断续,电感,负载，电压波形,连续,电阻负载，,波形断续,电感,负载，电压波形,连续,电流波形及相关参数计算请自行复习。,学习方法,1,波形分析法：,学会利用波形分析来分析桥式整流电路工作原理。,2,分析计算法：,电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。,3,对比法：,将各种电路波形和工作原理对比分析。,4,讨论分析法：,要学习与他人讨论分析问题，并了解其他同学的学习方法和学习收获，提高学习效率。,同步：,每个周期内，触发信号相对于正弦波出现的位置相同；,由同步电路实现；,详见第一章单结晶体管触发电路。,本节内容：,不同负载时：,电路结构,工作原理,波形分析,相关计算,2.2,三相桥式全控整流电路,2.2,三相桥式全控整流电路,三相半波电路,共阴极组,共阳极组,2.2,三相桥式全控整流电路,组合在一起，当参数一致时,(,负载、晶闸管 控制角等,),两组的电流大小、波形相同，方向相反,零线电流为,0,，可以去除；即形成了桥式整流电路。,变压器：正负半周均有电流，利用率提高，无直流分量,图,2-6,三相半波电路串联形成桥式电路,2.2,三相桥式全控整流电路,图,2-6,三相桥式全控整流电路原理图,共阴极组,阴极连接在一起的,3,个晶闸管,（,VT,1,，,VT,3,，,VT,5,）,共阳极组,阳极连接在一起的,3,个晶闸管,（,VT,4,，,VT,6,，,VT,2,）,1.,带电阻负载,a,=0,时的工作情况,晶闸管,二极管,相当于触发角,a,=0,共,阴,极组（上）,阳极电压瞬时值最,高,的一个导通；,共,阳,极组：阴极电压最,低,的导通,任意时刻，共阳和共阴极组中,各有一个,导通,负载上的电压为一线电压,图,2-6-1,三相桥式整流电路,导通顺序,：,VT,1,VT,2,VT,3, VT,4,VT,5,VT,6,图,2-6-2,三相电路,相电压与线电压向量关系,及波形,图,2-6-2,三相电路相电压与线电压向量关系,U,AB,U,A,U,B,U,A,+(-,U,B,),图,2-6-3,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a = 0,时的输出电压波形,工作过程分析,图,2-6-3,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a = 0,时的输出电压波形,工作过程分析,图,2-6-3,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a = 0,时的输出电压波形,工作过程分析,图,2-6-3,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a = 0,时的输出电压波形,工作过程分析,u,d,晶闸管导通情况及输出整流电压值,时 段,I,II,III,IV,V,VI,共阴极组,VT,1,VT,1,VT,3,VT,3,VT,5,VT,5,共阳极组,VT,6,VT,2,VT,2,VT,4,VT,4,VT,6,整流输出电压,u,d,u,a,-,u,b,=,u,ab,u,a,-,u,c,=,u,ac,u,b,-,u,c,=,u,bc,u,b,-,u,a,=,u,ba,u,c,-,u,a,=,u,ca,u,c,-,u,b,=,u,cb,表,2-1,晶闸管导通情况,=0,时的自然导通顺序为,：,VT,1,VT,2,VT,3, VT,4,VT,5,VT,6,因此为,VT,4,，,VT,6,，,VT,2,VT1,仅在第,工作区间导通？,每周期导通,非导通期间，承受,电压,晶闸管电流、电压波形,直接,从线电压波形看：,u,d,为线电压中最大的一个，,u,d,波形为线电压的包络线；,晶闸管电流、电压波形,每个周期导通,120,导通期间，电流波形,i,VT,与负载电流,i,d,波形相同。,电压,u,VT,为两个相电压相减,仍可以分段考虑,图,2-6-3,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,= 0,时的波形,三相桥式全控整流电路的特点,（,1,）,2,个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各,1,个，且不能为同一相的器件,（,2,）对触发脉冲的要求：,按,VT,1,-VT,2,-VT,3,-VT,4,-VT,5,-VT,6,的顺序，相位依次差,60,共阴极组,VT,1,、,VT,3,、,VT,5,的脉冲依次差,120,共阳极组,VT,4,、,VT,6,、,VT,2,也依次差,120,同一相的上下两个桥臂,即,VT,1,与,VT,4,，,VT,3,与,VT,6,，,VT,5,与,VT,2,，,脉冲相差,180,。,（,3,）,u,d,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,）需要保证同时导通的,2,个晶闸管均有触发脉冲,宽脉冲触发,双脉冲触发（图,2-7c,）,可采用两种方法,（,5,）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，,晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,晶闸管一周期中有,120,0,处于通态，,240,0,处于断态,电阻负载时，导通时的电流波形与相应时段的,u,d,波形相同。,带电阻负载,a,为不同值时的工作情况,当,a,60,时,，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续,波形图：,a,=0,（图,2-6-3,）,a,=30,（图,2-6-4,）,a,=60,（图,2-6-5,）,图,2-6-3,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,= 0,时的波形,a = 30,0,晶闸管起始导通时刻推迟了,30,每一段导通晶闸管的编号仍符合表,2-1,的规律,区别在于：,组成,u,d,的每一段线电压推迟,30,0,u,d,平均值降低。,图,2-6-4,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,= 30,0,时的波形,a = 60,0,u,d,波形中每段线电压的波形继续向后移，平均值降低。,a = 60,0,时,U,d,出现了零点,图,2-6-5,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,= 60,0,时的波形,a,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零；,u,d,0,时，,i,d,0,i,VT,0,时，晶闸管关断，则,u,d,为零，波形,u,d,不会出现负值。,带电阻负载时三相桥式全控整流电路,a,角的移相范围是,120,图,2-6-5,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,= 90,0,时的波形,a,60,时,2.2,三相桥式全控整流电路,小结电阻负载,当,a,60,时，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续,当,a,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零，,u,d,波形不能出现负值,带电阻负载时三相桥式全控整流电路,a,角的移相范围是,120,图,2-7,三相桥式全控整流电路带阻感负载,a = 0,时的波形,a,=0,负载电流为一直线,晶闸管,VT,1,导通段，,i,VT1,波形由负载电流,i,d,波形决定,i,VT1,波形与,u,d,波形不同，为一矩形波,2,阻感负载时的工作情况,图,2-7,三相桥式全控整流电路,变压器二次侧的电流波形,变压器二次侧电流波形,正负半周均有电流流过,图,2-7,三相桥式全控整流电路,变压器一次侧的电流波形,变压器一次侧电流波形,角,-,星型接法,变比,1:1,i,b1,=,i,a,-,i,b,a,=30,变压器二次侧,a,相电流,i,d,波形,图,2-7-2,三相桥式全控整流电路带阻感负载,a = 30,0,时的波形,a,=60,电压波形与电阻负载时相同,当,a,60,时，如：,图,2-7,a,=0,；图,2-7-2,a,=30,u,d,波形均连续，电路的工作情况与电阻负载时相似,各晶闸管的通断情况,输出整流电压,u,d,波形,晶闸管承受的电压波形,一样,区别,:,负载不同时，得到的负载电流,i,d,波形不同,小结,电阻负载时,i,d,波形与的,u,d,波形形状一样。,阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流,i,d,的波形可近似为一条水平线。,a,60,时,由于电感,L,的作用，,u,d,波形会出现负的部分,当,a,=90,时,U,d,=0,带阻感负载时，,a,角移相范围为,90,图,2-8-2,三相桥式整流电路带阻感负载，,a,=90,时的波形,2.2,三相桥式全控整流电路,3,定量分析,当整流输出电压,连续,时,带阻感负载时，或带电阻负载,a,60,时,每段导通角度为,60,2.2,三相桥式全控整流电路,带电阻负载且,a,60,时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为 ：,I,d,=,U,d,/,R,三相桥式半控整流电路,1,电路,2.,工作原理,三相桥式全控整流电路中，,共阳极组晶闸管换为整流二极管管,，就构成为三相桥式半控整流电路，右图,3,为其主电路图。,该电路适用于只要求输出电压大小可控的整流电源，由于结构简单、经济，得到了广泛应用。,该电路由共阴极组的一相晶闸管和共阳极组的另一相整流二极管构成一条可控整流回路，整流回路电源为两个元件所在相间的线电压。,该电路共有,6,条可对负载供电的整流回路，按电源电压相序轮流工作，实现整流目的。,三相桥式半控整流电路,从换相规律看,，共阴极组三相元件为晶闸管按自然换相点出现顺序控制换相；,共阳极组三相元件为整流二极管，在自然换相点处自然换相，总是相电压最低的一相元件导通。,在稳定工作状态下，三相晶闸管元件将以相同的控制角触发换相。通过改变控制角可以实现对输出整流电压平均值的控制。由于一组元件是相位控制换相，,组元件是自然换相，,6,条整流回路中的,1,、,3,、,5,与,2,、,4,、,6,的工作通时间不同。,电路输出电压，随共阴极组元件导通状态变化，随共阳极组元件导通状态变化。,阻感负载时与单相桥式半控整流电路相似，在电路工作过程中，整流回路的电源电压过零变负时，会形成自然续流现象。,因此，采用切除触发方式使输出整流电压下降为零时将产生失控工作状态。,为了防止出现失控工作状态，必须在负载两端反并联一个续流二极管。,第二章,第三节,整流电路的换相压降,、外特性和直流电动机的机械特性,电力电子技术,1,整流电路的换相压降,前面的分析，认为,晶闸管的换流,(Commutation between thyristors),都是瞬时完成,实际上电源也存在内阻抗，主要是,变压器漏感,(Transformer leakage inductance),及线路的,杂散电感,(Stray inductances),考虑这些因素对整流电路的影响时，换流过程不能瞬间完成；,VT,1,换相至,VT,2,的过程分析，如图：,因,a,、,b,两相均有漏感,故,i,a,、,i,b,均不能突变，,i,a,、,i,b,。于是,VT,1,和,VT,2,同时导通；,图,2-10,考虑变压器漏感时的,三相半波可控整流电路及波形,考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的,电感,L,B,表示,如图,2-10,。,以三相半波为例介绍。,1,整流电路的换相压降,VT,1,换相至,VT,2,的过程分析，如图：,由于,VT,1,和,VT,2,同时导通；,相当于将,a,、,b,两相经,2,L,B,短路，两相间电压差为,u,b,u,a,，,在两相组成的回路中产生环流,i,k,；,i,k,=,i,b,：,0,I,d,逐渐增大,i,a,=,I,d,-,i,k,：,I,d,-0,逐渐减小,当,i,k,I,d,时，,i,a,=0,，,VT,1,彻底,关断,换流过程结束。,图,2-10,考虑变压器漏感时的,三相半波可控整流电路及波形,换相压降,换相导致,u,d,均值降低多少，用,U,d,表示,换相重叠角,换相过程持续的时间，用电角度,g,表示。,在换相期间，整流输出电压瞬时值为,（,2-10,）,（,2-11,）,换重叠角,g,的计算，由,（,2-10,）式得,（,2-12-1,）,由上式得,（,2-12-2,）,（,2-12-3,）,进而得出,当 时，,i,k,= I,d,于是,（,2-12-4,）,（,2-12,）,g,随其它参数变化的规律：,1,）,当,a,一定时，,I,d,越大则,g,越大；换流时间增加；,2,）,X,B,越大,g,越大；,3,）当,I,d,X,B,一定,时，,越大则,g,越小。,表,2-2,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流,i,k,是从,-,I,d,变为,I,d,。,本表所列通用公式不适用,；,三相桥等效为相电压等于,3U,2,的,6,脉波整流电路，故其,m,=6,，相电压按,3U,2,代入。,cos,a-,cos,(a+ g),电路形式,单相,全波,单相全控桥,三相,半波,三相全控桥,m,脉波,整流电路,d,U,D,d,B,I,X,p,d,B,2,I,X,p,2,B,d,2,U,X,I,2,B,d,2,2,U,X,I,2,d,B,6,2,U,I,X,2,d,B,6,2,U,I,X,m,U,X,I,p,sin,2,2,B,d,d,B,2,3,I,X,p,d,B,3,I,X,p,d,B,2,I,mX,p,变压器漏感对各种整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论,:,1),出现换相重叠角,g,，整流输出电压平均值,U,d,降低。,2),整流电路的工作状态增多。,3),晶闸管的,d,i/,d,t,减小，有利于晶闸管的安全开通。,有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的,d,i/,d,t,。,4),换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的,d,u/,d,t,，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。,5),换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。,2.3,晶闸管直流电动机系统,晶闸管直流电动机系统,晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一；,对该系统的研究包括两个方面：,带电动机负载时整流电路的工作情况；,由整流电路供电时电动机的工作情况。,1.,从整流电路的角度分析,相控整流电路，对负载来说，是一个带有内阻的可变直流电源。,直流输出电压表达式：（,2-13,）,以上各项分别表示：理想状态下输出电压、晶闸管导通压降（,n,）、变压器内电阻及漏感引起的压降，后者即是换相压降,参考,p51,例题。,由,I,d,引起的压降有下列四部分：,变压器的电阻压降,I,d,R,T,，其中,R,T,为变压器的等效电阻，它包括变压器二次绕组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻；,晶闸管本身的管压降,U,，它基本上是一恒值；,电枢电阻压降,I,d,R,a,；,由重叠角引起的电压降 。,此时，整流电路直流电压的平衡方程为,（,2-13-2,）,式中，,整流电路接反电动势负载,2.,晶闸管相控整流电路供电的直流电动机机械特性,整流电路接反电动势负载时，可分为电流连续和电流断续两种情况；电动机的机械特性也各不相同。,通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图,2-11-1,。,图,2-11-1,三相半波带电动机负载,且加平波电抗器时的电压电流波形,转速与电流的机械特性关系式为,1),电流连续时电动机的机械特性,在电机学中，已知直流电动机的反电动势为,可根据整流电路电压平衡方程式，得,图,2-11,三相半波电流连续时以,电流表示的电动机机械特性,其机械特性是一组,平行的直线,斜率小，属于硬特性,;,调节,a,角，即可调节电机转速。,2),电流断续时电动机的机械特性,当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。,电流连续时的理想空载反电动势（,=60,忽略晶闸管管压降）：,电动机的实际空载反电动势都是 。,时为： 。,主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。,当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性来近似处理，等效电阻要大一个数量级。,当,I,d,减小至某一定值,I,d min,以后，电流变为断续，这个 是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。,图,2-12-1,电流断续时电动势的特性曲线,电流断续时电动机机械特性的特点：,电动机的理想空载转速抬高,机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化,随着,a,的增加，进入断续区的电流值加大,这是由于,愈大，变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈长，,电流要维持导通，必须要求平波电抗器储存较大的磁能，而电抗器的,L,为一定值的情况下，要有较大的电流,I,d,才行,图,2-12,考虑电流断续时,不同,a,时反电动势的特性曲线,1,a,2,a,3,a,4,60,电流断续时电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出,式中，,arctan,， ，,L,为回路总电感,。,j,q,j,q,j,a,p,j,q,a,p,j,ctan,ctan,M,e,e,U,E,-,-,-,-,+,-,-,+,+,=,1,),6,sin(,),6,sin(,cos,2,2,j,q,j,q,j,a,p,j,q,a,p,j,ctan,ctan,e,e,M,e,e,C,U,C,E,n,-,-,-,-,+,-,-,+,+,=,=,1,),6,sin(,),6,sin(,cos,2,2,2,),6,cos(,),6,cos(,cos,2,2,3,2,2,n,U,C,Z,U,I,e,d,q,q,a,p,a,p,j,p,-,+,+,-,+,=,R,L,w,j,=,3.,临界电流与平波电抗的选择,临界电流,机械特性上连续区与断续区交界线上对应的电流。,为了得到较为理想的机械特性，需要减小临界电流，使电动机始终保持工作在电流连续区域。,常用的方法：串入平波电抗器,L,d,。,L,d,选取方法：,根据直流电动机拖动的生产机械在最小负载时对应的最小电流来选择。,I,dmin,一般取电动机额定电流的,5%,10%,。,整流电路为三相半波时，在最小负载电流为,I,d min,时，为保证电流连续所需的主回路电感量为,（,mH,）,（,2-16,）,对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有,（,mH,）,min,2,46,.,1,d,I,U,L,=,min,2,693,.,0,d,I,U,L,=,具体计算公式详见课本。,本节小结,理解：整流电路的换相压降,了解：电路分析，波形分析，公式计算。,了解：由于换相压降引起的整流电路外特性和直流电动机的机械特性,2024/9/14,92,电力电子技术,电子教案,第,2,章 整流电路,2.4,晶闸管的保护与容量扩展,2.4,电力电子器件器件的保护,2.4.1,过电压的产生及过电压保护,2.4.2,过电流保护,2.4.3,电压及电流上升率的限制,2.4.4,晶闸管的容量扩展,2.4,晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。,晶闸管的热容量很小,，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将,PN,结烧坏，造成元件内部短路或开路。,例如一只,100A,的晶闸管过电流为,400A,时，仅允许持续秒，否则将因过热而损坏；,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,P,1,N,1,P,2,N,2,J,1,J,2,J,3,A,G,K,A,K,G,晶闸管耐受过电压的能力极差，,电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。,若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,图,1-8,晶闸管的伏安特性,I,G,=0,-U,A,0,I,A,U,bo,正向,导通,反向,击穿,I,H,-I,A,+U,A,U,DSM,U,DRM,I,G1,I,G2,U,RRM,U,RSM,I,G2,I,G1,I,G,正向电压超过临界极限即正向转折电压,U,bo,，漏电流急剧增大，器件开通。,称“硬开通”，一般不允许硬开通；,正,向特性,反,向特性,什么是过电压？,-,超过正常工作时晶闸管应承受的最大峰值电压，称为过电压。,电力电子装置过电压,外因过电压、内因过电压,外因过电压,如来自雷击,(Thunder lightening),、电网激烈波动或干扰；,内因过电压,主要来自装置内部器件的开关过程，比如晶闸管的关断过电压（换相过电压）；,2.4.1,过电压保护,Over-voltage protection,产生原因：,晶闸管在换相结束后不能立刻恢复阻断，有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该,反向电流急剧减小,，,di/dt,很大，即使线路电感,L,很小，也会在器件两端感应出较大的电动势,L*,di/dt,。,关断电流电压波形如图,2-13,所示。,感应电动势与正常的外电压叠加，反向加在阻断的晶闸管上。,叠加后的波形如图,2-14,所示。,1,） 晶闸管的关断过电压（换相过电压）,第,1,章第,100,页,1.2.2,晶闸管的基本特性,2.,动态特性,图,1-9,晶闸管的开通和关断过程波形,处理,关断过电压,的方法：晶闸管两端并接阻容，利用,电容电压不能够突变,的特性，吸收尖峰过电压，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。,如图,2-15,所示。阻容参数经验数据见表,2-2,。,Snubber circuit,2,） 交流侧过电压及其保护,产生原因：交流侧电路在接通、断开时会出现过电压。,处理方法：外因过电压抑制措施中，,RC,过电压抑制电路最为常见,;,典型连接形式：如图,2-16,所示。大容量电力电子装置可采用图,2-16 d,所示的,整流式,RC,电路,3,） 过电压保护器件,阻容吸收保护用于峰值不高、过电压能量不很大以及要求不高的场合。,对于电网遭受,雷击,或从电网侵入的干扰过电压，在要求高的场合常采用阀型,避雷器,lightning arrester,；,3,） 过电压保护器件,常用,压敏电阻,VDR,吸收过电压。,压敏电阻特性：正常电压时呈现高阻状态，仅有很小漏电流；过电压时，呈低阻态，迅速吸收过电压。,压敏电阻应用场合：与阻容吸收回路相同在交、直流侧完全可代替阻容吸收，但不能够作为限制,du/dt,保护，所以不并接于晶闸管两端。,瞬态电压抑制器,：原理同压敏电阻类似，可吸收能量更大的过电压。,2.4.2,过电流保护,Over-,current,protection,过电流产生原因：,主要是,过载,和,短路,两种情况,常用措施（如图,2-18,）,串接交流进线电抗,，限制短路电流。不足之处：电流大时压降大。,电流检测和过流继电器,，检测到过流时切断交流开关,K,，需要数百毫秒，适用于短路电流不大的场合。或控制晶闸管触发脉冲快速后移至,a90,度区域，使装置工作在逆变状态，迫使故障电流迅速下降。也称为拉逆变保护。,直流快速开关,，用于装置功率大，且短路常发生的场合，动作快，仅,2ms,，可先于熔断器。但昂贵。,快速熔断器,Fuse,，当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。最简单有效的过流保护器件。,快熔选取：,I,T(AV),I,RD,I,TM,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性,电子电路,作为第一保护措施；,直流快速开关,整定在电子电路动作之后实现保护；,过电流继电器,整定在过载时动作；,快熔,仅作为短路时的部分区段的保护。,2.4.3,电压及电流上升率的限制,电压上升率,d,u,/d,t,的限制,为何限制？晶闸管阻断时，阴阳极之间相当于一个结电容；当突加正向阳极电压时会产生充电电流；当此电流流过门极时，相当于触发电流，可能会导致晶闸管误导通。因此需要对管子的最大正向电压上升率加以限制。,如何限制？利用变压器漏感及管子的阻容吸收电路；或串入交流进线电抗等。,2.4.3,电压及电流上升率的限制,电流上升率,d,i,/d,t,的限制,限制原因：晶闸管开通时，如果,d,i,/d,t,太大，使电流来不及扩展到整个管子的,PN,结面，造成门极附近因电流密度过大而烧毁。,限制方法：串接进线电感或者桥臂电感等。,2.4.4,晶闸管的容量扩展,1,） 晶闸管的串联,2,） 晶闸管的并联,3,） 变压器分组串并联,Series and parallel connections,目的,：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联,问题,：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀,静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等,承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用,反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿,1,）,晶闸管的串联,Series,connection,选用参数和特性尽量一致的器件,采用电阻均压,，,R,j,的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多,图,2-19,晶闸管的串联,a),伏安特性差异,b),串联均压措施,静态均压措施,动态均压措施,动态不均压,由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压，是器件开通关断过程中的瞬时电压分配。,动态均压措施：,选择动态参数和特性尽量一致的器件,用,RC,并联支路作动态均压,采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异,由于晶闸管两端已有阻容吸收电路，串联时可起动态均压作用。,2,）晶闸管的并联,Parallel connection,目的,：多个器件并联来承担较大的电流,问题,：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀,均流措施,p59,挑选特性参数尽量一致的器件,采用均流电阻、均流电抗器,用门极强脉冲触发也有助于动态均流,当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接,3,）变压器分组串并联,对于大电流高电压设备，常采用变压器二次侧分组整流，然后再成组串联或并联的方法。如图,2-21,所示。,如级联型多电平变频调速系统,主电路结构图如下：,过压、过流的原因及应对措施；,问答，绘图、分析等题型。,作业,12 13,第五节 晶闸管相控触发电路,实验内容：锯齿波移相触发电路实验,实验要求：锯齿波同步移相触发电路的调试及各点波形观察分析，如图,2-28,；,预习，分析电路图，掌握电路工作原理，明白各点波形的来历。,