电力电子学晶闸管及基本电路

,第七章 机电传动控制系统中 电动机的选择,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 机电传动控制系统中 电动机的选择,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,主要内容：,10.1,电力半导体器件,10.2,单相可控整流电路,10.3,三相可控整流电路,10.4,逆变器,10.5,晶闸管的触发电路,10.6,晶闸管的串并联和保护,1,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,学习要求,:,掌握晶闸管的基本工作原理、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 的工作原理及特点；,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发 电路的基本工作原理。,2,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,重 点：,1.,晶闸管的导通与关断条件，可控性；,2.,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；,3.,晶闸管额定通态平均电流,I,T,的含义及基本可控整流电路中,I,T,的选择和额定电压的选择。,3,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,难 点：,1.,整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作状况；,2.,晶闸管额定通态平均电流,I,T,的选择；,3.,逆变器的工作原理。,4,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,前,言,电力（强）电子学,电力半导体器件,微（弱）电子学,集成电路,半导体器件,电力电子学的任务：,利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。,电力半导体器件,弱电,强电,5,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,大功率二极管,功率晶体管,可关断晶闸管,双相晶闸管,单相晶闸管,电力半导体器件,晶闸管（,Thyristor,可控整流器，,Silicon Controlled Rectifier,简称,SCR,）是,60,年代发展起来的一新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了,弱电控制,与,强电输出,之间的,桥梁,作用。,6,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,优点：,(1),用很小的功率,（电流约几十毫安一百多毫安，电压约,24V,）,可以控制较大的功率（,电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏）,功率放大倍数可以达到,几十万倍,；,(2),控制灵敏、反应快,晶闸管的导通和截止时间都在微秒级,；,(3),损耗小、效率高,晶闸管本身的压降很小（仅,1V,左右）总效率可达,97.5%,，而一般机组效率仅为,85%,左右；,(4),体积小、重量轻。,7,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,缺点：,(1),过载能力弱,在过电流、过电压情况下很容易损坏，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；,(2),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；,(3),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；,(4),控制电路较复杂,，,对维修人员技术水平要求高。,8,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,用途：,(1),可控整流电路,-,交流变固定或可调的直流电压,直流电机调速，,成套产品 冶金、机械、造纸、纺织,高压直流输电。,(2),交流调压电路,固定的交流电压变可调的交流电压,灯光控制、温度控制、交流电机调速等。,(3),逆变电路,直流变固定或可调频率的交流,不间断电源（,UPS,）,高压直流输电终端。,(4),变频电路,中、高频加热，交流电机变频调速,(5),斩波电路,直流电压从固定变可调 直流电机控制,(6),电子开关,开关状态，无触点，代替继电器、接触器,9,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,1.,晶闸管结构与符号,2.,晶闸管的工作原理,3.,晶闸管的伏安特性,4.,晶闸管的主要参数,5.,晶闸管的应用,10,1.,晶闸管结构与符号,阳极,控制极,阴极,控制极,200A,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,11,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,1.,晶闸管结构与符号,12,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,2.,晶闸管的工作原理,实验电路,:,主电路交流电压,u,2,，,控制极电路接入,E,g,。,在,t,1,瞬间合上开关,S,，,在,t,4,瞬间拉开开关,S,。,(a,),实验电路,13,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,2.,晶闸管的工作原理,波形图,u,2,、,u,g,、,u,d,的波形关系：,（,1,）在,0,t,1,之间,:,开关,S,未合上，,u,g,=0,，尽管,u,AK,0,，但,u,d,=0,，即晶闸管未导通；,（,2,）在,t,1,t,2,之间,:,u,AK,0,，由于开关,S,合上，使,u,g,0,，而 ， 即晶闸管导通；,（,3,）在,t,2,t,3,之间，,u,AK,0,，但,u,d,=0,，即晶闸管关断；,（,4,）在,t,3,t,4,之间，,u,AK,0,，这时,u,g,0 ,而 ，所以，晶闸管又导通；,（,5,）当,t,=,t,4,时，,u,g,=0,，但,u,AK,0,， ，即晶闸管仍处于导通状态；,（,6,）当,t,=,t,5,时，,u,AK,=0,，,u,g,=0,，而,u,d,=0,，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,14,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,2.,晶闸管的工作原理,结论,：,1.SCR,具有双向阻断能力,;,2.SCR,的,A,、,G,两极正电压,才,导通,;,3.SCR,导通后，,G,极失去作用；欲使,SCR,再次阻断，则须将阳极（,A,极）电压降低、断电或反向。,15,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,3.,晶闸管的伏安特性,-SCR,的阳极电压与阳极电流的关系,触发电压,（电流）,-A,、,K,间加直流,6V,时，,G,极最小电压（电流）,16,17,18,19,20,21,在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几,mA,一百多,mA,22,23,24,10.1,电力半导体器件,-,晶闸管,5.,晶闸管的应用,1),整流装置,（交流电变成直流电）,可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源,2),逆变装置,（直流变成交流电源）,频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电源、不间断电源、交流电机电源。,3),变频装置,（顺变和逆变的组合）,用于同步机和异步机的调速。,4),直流电动机的调速,（可代替直流发电机）,效率高、响应快、体积小、重量轻。,25,10.1,电力半导体器件,10.1.2,其它电力半导体器件,1.,双向晶闸管,26,10.1,电力半导体器件,10.1.2,其他电力半导体器件,2,可关断晶闸管,Gate-Turn-Off Thyristor, GTO,1.G,极可控制元件导通与关断（,不同极性,脉冲信号）,2.,触发电流,(20mA),比普通晶闸管大,(30uA,）,3.,动态特性好（关断,1us,）而晶闸管需（,5-30us,）,4.,用于直流调压和开关电路,。,27,10.1,电力半导体器件,10.1.2,其他电力半导体器件,3,绝缘栅双极晶体管,IGBT,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),， 复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有电力场效应晶体管,MOSFET,的通断控制功率小和电力晶体管,GTR,的低导通压降两方面的优点：驱动功率小而饱和压降低。,非常适合应用于直流电压为,600V,及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。,28,10.1,电力半导体器件,10.1.2,其他电力半导体器件,3,绝缘栅双极晶体管,IGBT,IGBT,的开关作用是通过加正向栅极电压（,C-E,）形成沟道，给,PNP,晶体管提供基极电流，使,IGBT,导通。,加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使,IGBT,关断。,选用,IGBT,模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。,还应注意正确使用和保管,29,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,主要内容：,10.1,电力半导体器件,10.2,单相可控整流电路,10.3,三相可控整流电路,10.4,逆变器,10.5,晶闸管的触发电路,10.6,晶闸管的串并联和保护,30,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,10.2,单相可控整流电路,12.1,单相半波可控整流电路,带电阻性负载的可控整流电路,带电感性负载的可控整流电路,12.2,单相桥式可控整流电路,单相半控桥式整流电路,单相全控桥式整流电路,31,10.2.1,单相半波可控整流电路,1.,带电阻性负载的 可控整流电路,u,2,输入电压,；,u,d,输出电压,；,32,1.,带电阻性负载的 可控整流电路,控制角,；,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。,导通角,；,是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。,10.2.1,单相半波可控整流电路,33,1.,带电阻性负载的 可控整流电路,输入电压,：,负载平均电压,：,输出电压平均值,负载平均电流,：,晶闸管承受的最大正反向电压,：,10.2.1,单相半波可控整流电路,34,2.,带电感性负载的 可控整流电路,负载上得不到所需要的电压和电流。,10.2.1,单相半波可控整流电路,35,3.,续流二极管的作用,10.2.1,单相半波可控整流电路,如图所示半波可控整流电路，在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。,36,37,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,10.2,单相可控整流电路,12.1,单相半波可控整流电路,带电阻性负载的可控整流电路,带电感性负载的可控整流电路,12.2,单相桥式可控整流电路,单相半控桥式整流电路,单相全控桥式整流电路,38,1.,单相,半控桥式,整流电路,1),电阻性负载,整流电路 电流、电压波形,10.2.2,单相桥式可控整流电路,39,1.,单相半控桥式整流电路,1),电阻性负载,晶闸管承受的最大正反向电压值,负载平均电压,：,负载平均电流,：,10.2.2,单相桥式可控整流电路,40,1.,单相半控桥式整流电路,2),电感性负载,a,10.2.2,单相桥式可控整流电路,41,1.,单相半控桥式整流电路,2),电感性负载,b,10.2.2,单相桥式可控整流电路,10.15,晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、电流波形,42,1.,单相半控桥式整流电路,2),电感性负载,c,单向脉动直流电,图,10.16,用一只晶闸管的单相桥式整流电路,10.2.2,单相桥式可控整流电路,43,1.,单相半控桥式整流电路,3),反电势负载,10.2.2,单相桥式可控整流电路,44,1.,单相半控桥式整流电路,3),反电势负载,图,10.18,有电感滤波时的电路及电流、电压波形,10.2.2,单相桥式可控整流电路,45,2.,单相全控桥式整流电路,10.2.2,单相桥式可控整流电路,46,10.2,单相可控整流电路,例,10.2,一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，,U,0,=0,180V,，电流,I,0,=0,10A,，采用半控桥式整流电路如图，试求最大交流电压和电流的有效值，并选用元件。,解,：设导通角,=0 U,0,=180V,I,0,=10A,有效值,U=U,0,/0.9=180V/0.9=200V,I=U/R,L,=220/(180V/10A)=12.2A,平均电流,I,vs,=I,v,=10A/2=5A,U,FM,=U,Rm,=1.414U=1.414220=310V2310 600V,选用,3cT10/600, 2cz10/300,47,10.3,三相可控整流电路,10.3.1,三相半波可控整流电路,1.,电阻性负载,(=0),48,10.3,三相可控整流电路,10.3.1,三相半波可控整流电路,1.,电阻性负载,(0/6),49,10.3,三相可控整流电路,10.3.1,三相半波可控整流电路,1.,电阻性负载,(05/6),50,10.3,三相可控整流电路,10.3.1,三相半波可控整流电路,2.,电感性负载,51,10.3,三相可控整流电路,10.3.1,三相半波可控整流电路,2.,电感性负载,52,10.3,三相可控整流电路,10.3.1,三相半波可控整流电路,2.,电感性负载,变压器利用率低，易产生变压器铁芯饱和,53,10.3,三相可控整流电路,10.3.2,三相桥式全控整流电路,三相桥式全控负载平均电压,U,d,=U,d,阴,+U,d,阳,54,10.3,三相可控整流电路,10.3.2,三相桥式全控整流电路,共阴,Vs,1,Vs,3,Vs,5,共阳,Vs,2,Vs,4,Vs,6,55,56,可控整流电路小结,单相半波电路简单，指标差，只适用,于小功率要求不高的场合。,单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大,适用于小功率电路。,晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，适用于小功率的反电势负载。,三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。,三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。,三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状态。,57,10.4,逆 变 器,10.4.1,有源逆变电路,1.,整流状态,(0/2),58,10.4,逆变器,10.4.1,有源逆变器,2.,逆变状态,(/2),59,10.4,逆变器,10.4.2,无源逆变器,1).,无源逆变器的简单工作原理,60,10.4,逆变器,10.4.2,无源逆变器,2).,单相晶闸管桥式逆变器,61,10.4,逆变器,10.4.2,无源逆变器,2.,单相无源逆变器的电压控制,(1),控制输入直流电压,(2),内部控制,脉宽控制,62,10.4.,2,无源逆变器,2.,单相无源逆变器的电压控制,脉宽调制,改变脉冲数,改变脉冲宽度,频率、电压协调控制,(U/f,保持不变,),如,f,降低则保持脉冲数不变，间隔拉大使输岀电压,U,降低,63,10.4.,2,无源逆变器,2.,单相无源逆变器的电压控制,波形的改善,64,10.4.,2,无源逆变器,3.,无源逆变器的换相（换流）,65,10.4.,2,无源逆变器,3.,无源逆变器的换相（换流）,66,10.5,晶闸管的触发电路,晶闸管对触发电路的要求,(1),触发电压和触发电流,，要求触发电压,4VU,g,10V,；,(2),触发时间,(,一般在,10us,以下,),，因此，触发脉冲的宽度必须在,10us,以上,(,最好有,20us,一,50us),，才能保证晶闸管可靠触发。,67,10.5,晶闸管的触发电路,晶闸管对触发电路的要求,(3),提高抗干扰能力,不触发时，,触发电路的输出电压应该小于,0.15V,0.20V,，必要时可,在控制极上加上一个,1V,2V,的,负偏压,(,就是在控制极上加一个,对阴极为负的电压,),(4),触发脉冲的前沿要陡,，前沿,最好在,10us,以下，否则将会,因温度、电压等因素的变化而,造成晶闸管的触发时间前后,不一致。,68,本 章 小 结,基本要求,掌握晶闸管的基本工作原理、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的工作原理及其特点,(,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；,了解晶闸管工作时对触发电路的要求。,69,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,小 结,1,重点,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在不同性质负载下的工作特点。,晶闸管额定通态平均电流,I,T,=I,e,/K(,波形系数,K=I,e,/I,d,),的含义,(I,d,平均值,，,I,e,有效值,),2,难点,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,I,T,的选择；,逆变器的工作原理。,70,第十章 电力电子学,-,晶闸管及基本电路,习 题,10.1 10.6,71,