12电力电子技术第2版张涛电子教案

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1、第第1章章 晶晶 闸闸 管管 内容提要内容提要：定义：晶闸管是晶体闸流管的简称，晶闸管是指具有三个以上的PN结，主电压-电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。广泛使用的普通晶闸管俗称可控硅整流器，简称可控硅。本章重点本章重点:（1）普通晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等元件的结构、工作原理、特性和使用方法。（2）晶闸管的驱动、过电压和过电流的保护及晶闸管的串、并联运用。晶闸管的结构和工作原理 晶闸管是一种既具有开关作用，又具有整流作用的大功率半导体器件，应用于可控整流、变频、逆变及无触点开关等多种电路。对它只需提供一个弱电触发信号，就能

2、控制强电输出。所以说，它是半导体器件从弱电领域进入强电领域的桥梁。晶闸管的结构晶闸管的结构 晶闸管是具有三个PN结的四层三端器件，器件外部有三个电极：阳极A、阴极K和门极G，其外形和电气符号如图所示。图1.1 晶闸管的外形及符号 晶闸管的结构如图所示，其内部由四层半导体（P1，N1，P2，N2），三个PN结J1，J2，J3组成。图1.3 晶闸管的内部结构晶闸管的工作原理 晶闸管的阳极A经负载（白炽灯）、变阻器R、双向刀开关Q1接至电源Ea的正极，元件的阴极K经毫安表、双向刀开关Q1接至电源Ea的负极，组成晶闸管主电路。流过晶闸管阳极的电流为Ia。晶闸管阳极、阴极两端电压Ua称为阳极电压。晶闸管

3、门极G经双向刀开关Q2接至门极电源Eg，元件的阴极K经Q2与Eg另一端连接，组成晶闸管的触发电路。流过门极的电流为Ig（也称触发电流），门极与阴极之间的电压称为门极电压Ug。图1.4 晶闸管导通关断实验电路图（1）当Q1拨向反向，Q2无论拨向何位置，灯都不会亮，说明晶闸管没有导通，此时晶闸管处在反向阻断状态。（2）当Q1拨向正向，Q2断开或拨为反向，灯还是不亮，说明晶闸管仍没有导通，此时晶闸管处在正向阻断状态。（3）当Q1拨向正向，Q2拨向正向，灯就亮了，说明晶闸管已导通，此时的晶闸管处在正向导通状态。（4）晶闸管导通后，断开门极刀开关Q2，灯仍然亮着，说明晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，门

4、极对管子不再具有控制作用。晶闸管导通的条件：在阳极与阴极之间加正向电压Ua，同时在门极与阴极之间加正向电压Ug（此时有一触发电流Ig流入门极）。在灯亮的情况下，逐渐调节变阻器R，使流过负载（灯泡）的电流逐渐减少，这时应按下停止按钮SB，注意观察毫安表的指针，当阳极电流降到某数值，毫安表的指针突然回到零，说明晶闸管已关断。从毫安表所观察到的最小阳极电流称为晶闸管的维持电流IH。晶闸管关断的条件：流过晶闸管的电流小于维持电流IH。晶闸管的特性 晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极伏安特性是指阳极与阴极之间电压和阳极电流的关系，如图所示。当门极电流Ig=0时，正向电压未上升到正向转

5、折电压UBO时，晶闸管都处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流。当电压上升到电压UBO时，晶闸管导通，正向电压降低。导通后元件的阳极伏安特性与整流二极管正向伏安特性相似，称为正向转折或“硬开通”。多次“硬开通”会损坏管子，晶闸管通常不允许这样工作。一般采用给门极输入足够的触发电流，使转折电压明显降低以使晶闸管导通。如图所示，由于Ig从Ig1到Ig5逐渐增大，相应的电压逐渐降低。晶闸管一旦导通，则其阳极伏安特性与整流二极管的正向伏安特性相似。图1.6 晶闸管阳极伏安特性晶闸管的反向伏安特性曲线如图中第象限所示，它与整流二极管的反向伏安特性相似。处于反向阻断状态时，只有很小的反向漏电流。若反向电压

6、增大到反向击穿电压URO时，晶闸管将造成永久性的损坏。晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性 晶闸管的门极和阴极间有一个PN结J3，它的伏安特性称为门极伏安特性。这个特性表示了晶闸管确定产生导通门极电压、电流的范围。因晶闸管门极特性偏差很大，即使同一额定值的晶闸管之间其特性也不同，所以在设计门极电路时必须考虑其特性。图1.5 晶闸管的工作原理图1.7 晶闸管门极伏安特性曲线晶闸管的主要参数 晶闸管的电压参数晶闸管的电压参数 1晶闸管的额定电压UTn（重复峰值电压）当门极断开、元件处在额定结温时，管子阳极电压Ua升到正向转折电压UBO之前，管子的正向漏电流开始急剧增大，此时对应的阳极电压称为正

7、向阻断不重复峰值电压，用UDSM表示，其值的80%称为正向重复峰值电压，用UDRM表示。晶闸管铭牌标出的额定电压通常是元件实测UDRM与URRM中较小的值，取相应的标准电压级别。2通态平均电压UT(AV)（管压降）当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和处于稳定的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均值称为通态平均电压，简称管压降UT(AV)。管压降愈小，表明晶闸管耗散功率愈小，管子质量就愈好。3门极触发电压UGT 在室温下，晶闸管施加6V正向阳极电压时，使管子完全开通所必需的最小门极电流相对应的门极电压，称为门极触发电压UGT。晶闸管的电流参数晶闸管的电流参数 1额定电流IT(AV)（晶

8、闸管的额定通态平均电流）在室温为40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170的电路中，当结温不超过额定结温且稳定时，所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流IT(AV)。将此电流按晶闸管标准系列取相应的电流等级，称为晶闸管的额定电流。2维持电流IH与擎住电流IL 在室温下门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流称为维持电流IH。在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态时就去除触发电压，此时要保持元件维持导通所需要的最小阳极电流，称为擎住电流IL。3门极触发电流IGT 门极触发电流IGT是指在室温下，晶闸管施加6V正向

9、阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流。晶闸管的动态参数晶闸管的动态参数 1门极的开通时间tgt和关断时间tq 当触发电流输入门极，先在J2结靠近门极附近形成导通区，逐渐才向J2结的全区域扩展，这段时间称为门极开通时间，用tgt表示。普通晶闸管的门极开通时间为几十微秒以下。在额定结温下，元件从切断正向阳极电流到元件恢复正向断态能力为止，这段时间称为关断时间，用tq表示，它一般为几百微秒。2断态正向电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极断路情况下，使元件从断态转入通态，元件所加的最小正向电压上升率称为断态正向电压临界上升率，用du/dt表示。3通态电流临界上升率di/dt 在规

10、定条件，元件在门极开通时能承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率。器件的型号器件的型号 KP型普通晶闸管的型号及其含义如下：例如，KP100-12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降为1V 的普通晶闸管。晶闸管的测试与使用 测试晶闸管的简易方法测试晶闸管的简易方法 1万用表测试法 晶闸管是四层三端半导体器件，根据PN结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试晶闸管三个电极之间的阻值（如图所示），即可以初步判断管子是否损坏。好的管子，用万用表的R1k挡测量阳极与阴极之间正反向电阻都应很大（若用R10或R100档测量一般为无穷大）；用R10或R100挡测量门极与阴极

11、之间阻值，其正向电阻rGK应小于或接近于反向电阻rKG。图1.9 用万用表测试晶闸管2电珠测试法在图所示电路中，电源E由四节1.5 V干电池串联而成，或使用直流稳压电源；指示灯HL选用；VT为被测晶闸管。刀开关Q未合上时，指示灯不应亮，否则表明晶闸管阳极、阴极之间已短路。合上刀开关Q，指示灯亮了，再断开刀开关Q，指示灯仍然亮，表明管子正常，否则可能门极已损坏或阳极、阴极间已击穿而断路。图1.10 用电珠测试晶闸管双向晶闸管 定义：双向晶闸管（TRIAC，Triode AC Switching Thyristor）是把两个反向并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门极控制触发的组合型器件。特性：这

12、种结构使它在两个方向都具有和单只晶闸管同样的对称的开关特性，且伏安特性相当于两只反向并联的分立晶闸管，不同的是它由一个门极进行双方向控制，因此可以认为是一种控制交流功率的理想器件。双向晶闸管的基本结构和伏安特性双向晶闸管的基本结构和伏安特性 双向晶闸管的内部结构、等效电路及电气符号分别如图所示。图1.11 双向晶闸管内部结构、等效电路及电气符号 双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性，如图所示。T1相对于T2既可以加正向电压，也可以加反向电压，这就使得门极G相对于T1端无论是正电压还是负电压，都能触发双向晶闸管。图中标明了四种门极触发方式，即+、+和，同时也注明了各种触发方式下主电极T1和

13、T2的相对电压极性以及门极G相对于T1的触发电压极性。图1.12 双向晶闸管的伏安特性双向晶闸管的主要参数双向晶闸管的主要参数 1额定电流、通态压降 在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT(RMS)表示。双向晶闸管额定电流与普通晶闸管额定电流之间的换算关系式为：双向晶闸管每个半波都有各自的通态压降。由于结构及工艺的原因，其正、反两个通态压降值可能有较大的差别，使用时应尽量选用偏差小的，即具有比较对称的正、反向通态压降的器件。T(AV)T(RMS)T(RMS)20.45III 2动态参数（1）电流上升率di/dt。双向晶闸管通常不用于逆变电

14、路，对di/dt的要求不高。（2）开通时间tgt和关断时间tq。双向晶闸管的触发导通过程需经过多个晶体管的相互作用后才能完成，故载流子渡越时间较长，导致开通延迟时间较长。关断时间与存储电荷有关。反映换向能力强弱的重要参数。（3）电压上升率du/dt。du/dt是双向晶闸管的一个重要参数。国产双向晶闸管用KS表示。如型号KS50-10-21表示额定电流50A，额定电压10级（1000V），断态电压临界上升率du/dt为2级（不小于200V/s），换向电流临界下降率di/dt为1级（不小于1%IT(RMS)）的双向晶闸管。光控晶闸管 定义：光控晶闸管是利用一定波长的光照信号来开通器件，从而在主电路

15、与控制电路间进行了完全的电气隔离。特性：它具有优良的绝缘和抗电磁干扰性能。光控晶闸管的工作原理、结构和特性与般的晶闸管类同。图为光控晶闸管电气符号和伏安特性曲线。图1.13 光控晶闸管电气符号和伏安特性晶闸管的驱动电路 晶闸管由阻断转为导通，除在阳极和阴极间加正向电压外，还须在控制极和阴极间加合适的正向触发电压。提供正向触发电压的电路称为触发电路。触发控制电路与主电路间有必要进行有效的电气隔离，保证电路可靠地工作，隔离可采用变压器、光耦隔离器。图1.14 变压器隔离的晶闸管驱动电路 图1.15 光耦隔离的晶闸管驱动电路晶闸管的过电压保护 晶闸管的过载能力差，凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰

16、值电压都是过电压。1.晶闸管的关断过电压及其保护晶闸管的关断过电压及其保护 由于晶闸管换相关断时产生的过电压叫关断过电压，如图所示。图1.16 晶闸管关断过程过电压波形 关断过电压保护最常用的方法是，在晶闸管两端并接RC吸收电路，如图所示。利用电容的充电作用，可降低晶闸管反向电流减小的速度，使过电压数值下降。电阻可以减弱或消除晶闸管阻断时产生的过电压，R、L、C与交流电源刚好组成串联振荡电路，限制晶闸管开通时的电流上升率。因晶闸管承受正向电压时，电容C被充电，极性如图所示。当管子被触发导通时，电容C要通过晶闸管放电，如果没有R限制，这个放电电流会很大，以致造成管子损坏。图1.17 用RC吸收抑

17、制关断过电压 2.晶闸管交流侧过电压及其保护晶闸管交流侧过电压及其保护 交流侧过电压分交流侧操作过电压和交流侧浪涌过电压。1交流侧操作过电压 定义：由于接通和断开交流侧电源时会使电感元件积聚的能量骤然释放引起的过电压称为操作过电压。（1）整流变压器一次、二次绕组之间存在分布电容，当在一次侧电压峰值时合闸，将会使二次侧产生瞬间过电压。可在变压器二次侧并联适当的电容器或在变压器星形的三个出线端和地之间加一电容器，也可采用变压器加屏蔽层，这在设计、制造变压器时就应考虑。（2）与整流装置相联的其他负载切断时，由于电流突然断开，会在变压器漏感中产生感应电动势，造成过电压；当变压器空载，电源电压过零时，一

18、次拉闸造成二次绕组中感应出很高的瞬时过电压。这两种情况产生的过电压都是瞬时的尖峰电压，常用阻容吸收电路或整流式阻容加以保护。2交流侧浪涌过电压 定义：由于雷击或从电网侵入的高电压干扰而造成晶闸管过电压，称为浪涌过电压。浪涌过电压可采用压敏电阻或硒堆元件来保护。硒堆由成组串联的硒整流片构成，在正常工作电压时，硒堆总有一组处于反向工作状态，漏电流很小，当浪涌电压来到时，硒堆被反向击穿，漏电流猛增以吸收浪涌能量，从而限制了过电压的数值。硒片击穿时，表面会烧出灼点，但浪涌电压过去之后，整个硒片自动恢复，所以可反复使用，继续起保护作用。图1.19 硒堆保护的接法 金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧

19、结制成的非线性电阻元件，具有正、反向相同的很陡的伏安持性。正常工作时，漏电流仅是微安级，故损耗小；当浪涌电压来到时，反应快，可通过数千安培的放电电流。因此抑制过电压的能力强。加上它体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的保护元件，可以用它取代硒堆。图1.21 压敏电阻的几种接法 3.晶闸管直流侧过电压及其保护晶闸管直流侧过电压及其保护 当整流器上的快速熔断器突然熔断或晶闸管烧断时，因大电感释放能量而产生过电压，并通过负载加在关断的晶闸管上，有可能使管子硬开通而损坏。直流侧保护采用与交流侧保护同样的方法。对于容量较小装置，可采用阻容保护抑制过电压；如果容量较大，选择硒堆或压敏电阻。晶闸管的过电流保

20、护与电压、电流上升率的限制 1.晶闸管的过电流保护晶闸管的过电流保护 定义：流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，都叫过电流。产生过电流的原因有：直流侧短路；生产机械过载；可逆系统中产生环流或逆变失败；电路中管子误导通及管子击穿短路等。常用的过电流保护方法有下面几种。（1）在交流进线中串接电抗器（无整流变压器时）或采用漏抗较大的变压器是限制短路电流、保护晶闸管的有效措施。但它在负载上有电压降。（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号去控制触发器，使触发脉冲快速后移（即控制角增大）或瞬时停止使晶闸管关断，从而抑制了过电流。（3）交流侧经电流互感器接入过流继电器或直流侧接入过流继电器，可

21、以在过电流时动作，自动断开输入端。（4）对于大、中容量的设备及经常发生逆变的情况，可用直流快速开关作直流侧过载或短路保护。（5）快速熔断器（简称快熔），是最简单有效的过电流保护元件。2.电压与电流上升率的限制电压与电流上升率的限制 1电压上升率的限制 晶闸管侧的RC保护电路可以起到抑制电压上升率的作用。在每个桥臂串入桥臂电抗器，也是防止电压上升率过大造成晶闸管误导通的常用办法。2电流上升率的限制 限制电流上升率与限制电压上升率方法相同。（1）串接进线电感。（2）采用整流式阻容保护。（3）增大阻容保护中的电阻值可以减小电流上升率，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。晶闸管的串联和并联 1.

22、晶闸管的串联晶闸管的串联 当要求晶闸管应有的电压值大于单个晶闸管的额定电压时，可以用两个以上同型号的晶闸管相串联。串联的晶闸管除要选用特性比较一致的管子外，还要采取均压措施。2.晶闸管的并联晶闸管的并联 当要求晶闸管应有的电流值大于单个晶闸管的额定电流时，就需要将同型号的晶闸管并联使用。并联使用的晶闸管除了选用特性尽量一致的管子外，还要采取均流措施。本 章 小 结 普通晶闸管内部为PNPN四层结构，向外引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。导通条件：在晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在晶闸管的门极和阴极两端也加正向电压。关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。正确使用和选择晶闸管元件

23、。选择晶闸管的额定电压应为元件在电路中可能承受的最大瞬时电压的23倍。选择额定电流参数时，应使额定电流有效值大于元件电路中可能流过的最大电流有效值，一般取2倍的安全余量。双向晶闸管内部结构可看成两只普通晶闸管反并联，引出的三个端子为主电极T1、T2和门极G。它具有正、反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压和额定通态电流。双向晶闸管的额定电流的定义，不用平均值而是用有效值来表征。双向晶闸管有四种触发方式：、，使用时一般采用、接法。晶闸管的过载能力差，关断过程中的过电压可能会使管子反向击穿，一般在晶闸管两端并接RC吸收电路加以保护。在晶闸管工作过程中，交流侧将产生操作过电压和浪涌过电压，常

24、采用硒堆或压敏电阻保护晶闸管。晶闸管流过的电流大大超过其正常工作电流时叫过电流，常用的过电流保护有：在交流侧进线中串接电抗器；控制触发脉冲；电路串接过流继电器；直流侧过电流可用直流快速开关，快熔是最有效的过电流保护元件。在高电压或大电流的晶闸管电路中，如果要求的电压、电流额定值超过一个管子所能承受的额定值时，可以将管子串联或并联使用。晶闸管串联使用时应采取均压措施，通常在串联的晶闸管上并联阻值相等的均压电阻；晶闸管并联使用时应在并联的晶闸管中串入均流电阻或均流电抗器。第第2章章 可控整流电路可控整流电路 定义：把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。单相可控整流电路特点：电路

25、简单，投资少和制造、调试、维修方便，一般4kW以下容量的可控整流装置采用较多。三相可控整流电路特点：当负载功率超过4kW，要求直流电压脉动较小时，多采用三相可控整流电路。三相可控整流电路的类型：三相半波、三相全控桥、三相半控桥。三相半波可控整流电路是最基本的电路，其他电路可看作是三相半波以不同方式串联或并联组合而成的电路。单相半波可控整流电路 晶闸管可控整流装置主要由整流变压器、晶闸管、触发电路、负载等部分组成。只要改变触发电路所提供的触发脉冲到来的时刻，就能改变晶闸管在交流电压u2一个周期内导通的时间，从而调节负载上得到的直流电压平均值的大小。图2.1 可控整流装置原理图1.电阻性负载电阻性

26、负载 电阻性负载的特点：负载两端电压波形和流过的电流波形相似，其电流、电压均允许突变。例如：电炉、白炽灯等。图（a）所示为单相半波阻性负载可控整流电路，由晶闸管VT、负载电阻Rd及单相整流变压器Tr组成。Tr用来变换电压，将一次侧电网电压u1变成与负载所需电压相适应的二次侧电压u2,u2为二次侧正弦电压瞬时值；ud,id分别为整流输出电压瞬时值和负载电流瞬时值；uT,iT分别为晶闸管两端电压瞬时值和流过的电流瞬时值；i1,i2分别为流过整流变压器一次侧绕组和二次侧绕组电流的瞬时值。交流电压u2通过Rd施加到晶闸管的阳极和阴极两端，在0区间的t1之前，晶闸管虽然承受正向电压，但因触发电路尚未向门

27、极送出触发脉冲，所以晶闸管仍保持阻断状态，无直流电压输出，晶闸管VT承受全部u2电压。在 t1时刻，触发电路向门极送出触发脉冲ug，晶闸管被触发导通。若管压降忽略不计，则负载电阻Rd两端的电压波形ud就是变压器二次侧u2的波形，流过负载的电流id波形与ud相似。由于二次侧绕组、晶闸管以及负载电阻是串联的，故id波形也就是iT及i2的波形，如图（b）所示。在 t=时，u2下降到零，晶闸管阳极电流也下降到零而被关断，电路无输出。在u2的负半周即2区间，由于晶闸管承受反向电压而处于反向阻断状态，负载两端电压ud为零。u2的下一个周期将重复上述过程。在单相半波可控整流电路中，从晶闸管开始承受正向电压，

28、到触发脉冲出现之间的电角度称为控制角（亦称移相角），用 表示。晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用 T表示，如图（b）所示。在单相半波可控整流电路电阻性负载中 的移相范围为0，对应的 T的导通范围为0，两者关系为+T=。从图2-2（b）波形可知，改变移相角 的大小，输出整流电压ud波形和输出直流电压平均值Ud大小也随之改变，减小，Ud就增加，反之，Ud减少。1ud波形的平均值Ud的计算 根据平均值定义，ud波形的平均值Ud为：由上式可知，输出直流电压平均值Ud与整流变压器二次侧交流电压有效值U2和控制角 有关；当U2给定后，仅与 有关。2负载上电压有效值U与电流有效值I的计算 在计算选

29、择变压器容量、晶闸管额定电流、熔断器以及负载电阻的有功功率时，均须按有效值计算。根据有效值的定义，U应是Ud波形的均方根值，即d212sind()2UUtt21cos0.452Ud21cos0.452UU221(2sin)d()2UUtt2sin224U 3晶闸管电流有效值IT及其两端可能承受的最大正、反向电压UTM的计算 在单相半波可控整流电路中，因晶闸管与负载串联，所以负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效值，其关系为：晶闸管可能承受的正、反向峰值电压为：TdUIIRTM22UUT2dddsin22()2(1cos)IIIIII 4功率因数cos 的计算21cossin242PUISU

30、 I例1 单相半波可控整流电路，电阻性负载。要求输出的直流平均电压为5092V之间连续可调，最大输出直流平均电流为30A，直接由交流电网220V供电，试求：（1）控制角 的可调范围。（2）负载电阻的最大有功功率及最大功率因数。（3）选择晶闸管型号规格（安全余量取2倍）。解：（1）当Ud=50V时，当Ud=92V时，250cos1 00.45220292cos1 0.870.4522090 30（2）=30时，输出直流电压平均值最大为92V，这时负载消耗的有功功率也最大，可求得：d1.661.663050AIIcos 0.69322d92507667W30PI R（3）选择晶闸管。因=30时，流

31、过晶闸管的电流有效值最大为50A，所以，取100A。晶闸管的额定电压为：取700V。故选择KP100-7型号的晶闸管。TmT(AV)502264A1.571.57IITnTM222220624VUU2.电感性负载及续流二极管电感性负载及续流二极管 电机的励磁线圈、滑差电动机电磁离合器的励磁线圈以及输出电路中串接平波电抗器的负载等属于电感性负载。电感性负载的分析，通常将其等效为电阻与电感串联，如图（a）所示。电感线圈是储能元件，当电流id流过线圈时，该线圈就储存有磁场能量，id愈大，线圈储存的磁场能量也愈大。随着id逐渐减小，电感线圈就要将所储存的磁场能量释放出来。电感本身是不消耗能量的。当流过

32、电感线圈Ld中的电流变化时，要产生自感电动势，其大小为，它将阻碍电流的变化。当i增大时，eL阻碍电流增大，产生的eL极性为上正下负；当i减小时，eL阻碍电流减小，极性为上负下正。在0 t t1区间，u2虽然为正，但晶闸管无触发脉冲不导通，负载上的电压ud、电流id均为零。晶闸管承受着电源电压u2，其波形如图（b）所示。当 t=t1=时，晶闸管被触发导通，电源电压u2突然加在负载上，由于电感性负载电流不能突变，电路需经一段过渡过程，此时电路电压瞬时值方程如下：在 t1 t t2区间，晶闸管被触发导通后，由于Ld作用，电流id只能从零逐渐增大。到 t2时，id已上升到最大值，。这期间电源u2不仅要

33、向负载Rd供给有功功率，而且还要向电感线圈Ld供给磁场能量的无功功率。d2dddLRddiuLi Ruut 在 t2 t t3区间，由于u2继续在减小，id也逐渐减小，在电感线圈Ld作用下，id的减小总是要滞后于u2的减小。这期间Ld两端产生的电动势eL反向，如图（b）所示。负载Rd所消耗的能量，除由电源电压u2供给外，还有一部分是由电感线圈Ld所释放的能量供给。在 t3 t t4区间，u2过零开始变负，对晶闸管是反向电压，但是另一方面由于id的减小，在Ld两端所产生的电动势eL极性对晶闸管是正向电压，故只要eL略大于u2，晶闸管仍然承受着正向电压而继续导通，直到id减到零才被关断，如图（b）

34、所示。在这区间Ld不断释放出磁场能量，除部分继续向负载Rd提供消耗能量外，其余就回馈给交流电网u2。当 t=t4时，id=0。即Ld的磁场能量已释放完毕，晶闸管被关断。从 t5开始，重复上述过程。由图（b）可见，由于电感的存在，使负载电压ud波形出现部分负值，其结果使负载直流电压平均值Ud减小。电感愈大，ud波形的负值部分占的比例愈大，使Ud减小愈多。当电感Ld很大时，对于不同控制角，晶闸管的导通角，电流id波形如图所示。这时负载上得到的电压ud波形是正、负面积接近相等，直流电压平均值Ud几乎为零。由此可见，单相半波可控整流电路用于大电感负载时，不管如何调节控制角，Ud值总是很小，平均电流也很

35、小，如不采取措施，电路无法满足输出一定直流平均电压的要求。图2.5 当LdRd时的电流波形图 为了使u2过零变负时能及时地关断晶闸管，使ud波形不出现负值，又能给电感线圈Ld提供续流的旁路，可以在整流输出端并联二极管。由于该二极管是为电感性负载在晶闸管关断时提供续流回路，故此二极管称为续流二极管，简称续流管。Id电流由晶闸管和续流二极管分担，在晶闸管导通期间，从晶闸管流过；晶闸管关断，续流管导通，就从续流管流过。可见流过晶闸管电流iT与续流管电流iD的波形均为方波，方波电流的平均值和有效值分别为：例2 图是中、小型发电机采用的单相半波自激稳压可控整流电路。当发电机满负载运行时，相电压为220V

36、，要求的励磁电压为40V。已知：励磁线圈的电阻为2，电感量为。试求：晶闸管及续流管的电流平均值和有效值各是多少？晶闸管与续流管可能承受的最大电压各是多少？请选择晶闸管与续流管的型号。图2.7 例2-2图 解：先求控制角。因为，所以，101 则 由于，所以为大电感负载，各电量分别计算如下：d21cos0.452UU240cos10.1920.45220 T18010080 D180100280ddd223.14500.131.42LfLR ddd/40/2A20AIURdTd180180101204.4A360360IITd180180101209.4A360360IIdDd1801801012

37、015.6A360360II 根据以上计算选择晶闸管及续流管型号考虑如下：取700V。取10A。故选择晶闸管型号为KP20-7。TM221.42220312VUUDM221.42220312VUUTnTM(2 3)(2 3)312624 936VUUTT(AV)9.4(1.5 2)(1.5 2)9 12A1.571.57II3.反电动势负载反电动势负载 蓄电池、直流电动机的电枢等均属反电动势负载。这类负载的特点是含有直流电动势E，它的极性对电路中晶闸管而言是反向电压，故称反电势负载，如图（a）所示。图2.8 单相半波反电动势负载电路及波形图 在0 t t1区间，u2虽然是正向，但由于反电动势E

38、大于电源电压u2，晶闸管仍受反向电压而处在反向阻断状态。负载两端电压ud等于本身反电动势E，负载电流id为零。晶闸管两端电压，波形如图（b）所示。在 t1 t t2区间，u2正向电压已大于反电势E，晶闸管开始承受正向电压，但尚未被触发，故仍处在正向阻断状态，ud仍等于E，id为零。的正向电压波形如图（b）所示。当 t=t2=时，晶闸管被触发导通，电源电压u2突加在负载两端，所以ud波形为u2，流过负载的电流。由于晶闸管本身导通，。在 t2 t t3区间，由于u2E，晶闸管导通，负载电流id仍按规律变化。由于反电动势内阻Ra很小，所以id呈脉冲波形，且脉动大。Ud仍为u2波形，如图（b）所示。当

39、 t=t 3时，由于u2=E，id降到零，晶闸管被关断。t3 t t4区间，虽然u2还是正向，但其数值比反电动势E小，晶闸管承受反向电压被阻断。当u2由零变负时，晶闸管承受着更大的反向电压，其最大反向电压为。应该注意，这区间晶闸管已关断，输出电压ud不是零而是等于E，其负载电流id为零。以上波形如图（b）所示。综上所述，反电动势负载特点是：电流呈脉冲波形，脉动大。另外，换向电流大，容易产生火花，电动机振动厉害，尤其是断续电流会使电动机机械特性变软。为了克服这些缺点，常在负载回路中人为地串联一个平波电抗器Ld，用来减小电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。单相全波和单相全控桥式可控整流电路 单相半波

40、可控整流电缺点：整流输出的直流电压脉动大，设备利用率低，一般仅适用于对整流指标要求不高，小容量的可控整流装置。存在上述缺点的原因是：交流电源u2在一个周期中，最多只能半个周期向负载供电。为了使交流电源u2的另一半周期也能向负载输出同方向的直流电压，既能减少输出电压ud波形的脉动，又能提高输出直流电压平均值，则需采用单相全波可控整流电路与单相全控桥式整流电路。1 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 电阻性负载 从电路形式看，它相当于由两个电源电压相位错开180的两组单相半波可控整流电路并联而成，所以又称为单相双半波可控整流电路。电路中晶闸管VT1与VT2轮流地工作：在电源电压u2正半周 时

41、刻，触发电路虽然同时向两管的门极送出触发脉冲，但由于VT2承受反向电压不能导通，而VT1承受正向电压而导通。负载电流方向如图（b）所示。电源电压u2过零变负时，VT1关断。在电源电压u2负半周同样 时刻，VT2导通。这样，负载两端可控整流电压ud波形是两个单相半波可控整流电压波形，如图（b）所示。由于单相全波可控整流输出电压ud的波形是单相半波可控整流输出电压相同波形的2倍，所以输出电压平均值为单相半波的2倍，输出电压有效值是单相半波的倍，功率因数为原来的倍。其计算公式如下：d21cos1cos20.450.922UU22112sin2sin2422UUU 1cossin22 晶闸管电流有效值

42、为：晶闸管可能承受到的最大正、反向电压分别为。电路要求的移相范围为0，与单相半波可控整流电路相同。而触发脉冲间隔为，不同于单相半波可控整流电路。2Tdd11sin24222UIUIRR 电感性负载 对于单相全波可控整流电路带大电感负载情况，从图（b）可看出：在0 90范围内，虽然ud波形也会出现负面积，但正面积总是大于负面积，当=0时，ud波形不出现负面积，为单相全波不可控整流输出电压波形，其平均值为U2。在=90时，如图（c）所示，晶闸管被触发导通，一直要持续到下半周接近于90时才被关断，负载两端ud波形正、负面积接近相等，平均值ud0，其输出电流波形是一条幅度很小的脉动直流。在 90时，如

43、图（d）所示，出现的ud波形和单相半波大电感负载相似，无论如何调节，ud波形正、负面积都相等，且波形断续，此时输出平均电压均为零。综上所述，显然单相全波可控整流电路感性负载不接续流管时，有效移相范围只能是0/2，这区间输出电压平均值Ud的计算公式为：d2212sind()0.9cos2UUttU图2.11 单相全波可控整流电感性负载电路及波形图 全波整流电路在带电感性负载时，晶闸管可能承受的最大正、反向电压均为，这与带电阻性负载不同。为了扩大移相范围，不让ud波形出现负值且使输出电流更平稳，可在电路负载两端并接续流二极管VD。接续流管后，的移相范围可扩大到0。单相全波可控整流电路具有输出电压脉

44、动小、平均电压大以及整流变压器没有直流磁化等优点。但该电路一定要配备有中心抽头的整流变压器，且变压器二次侧抽头的上、下绕组利用率仍然很低，最多只能工作半个周期，变压器设置容量仍未充分利用；其次，晶闸管承受电压最高达，且元件价格昂贵。为了克服以上缺点，可采用单相全控桥式可控整流电路。2.单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 单相全控桥式整流电路的不同性质负载的电路及波形分别如图所示。电路仅用四只晶闸管，分别接在四个桥臂上。单相半控桥式整流电路 图（a）所示是“共阴极”接法的半控桥整流电路，其特点是：两只晶闸管的阴极接在一起，触发脉冲同时送给两管的门极，能被触发导通的只能是承受正向电压的一只晶

45、闸管，所以触发电路较简单。并且，整流管VD1与VD2是“共阳极”接法，在0 t区间，电源电压u2为正，流过VD1与VD2漏电流的途径如图中虚线所示，VD1受正偏导通，VD2反偏截止。b点电位经VD1、负载电阻Rd加在VT1与VT2的共阴极上。因此VT1就承受u2的正向电压。VT2由于阳极与阴极等电位，所以不承受电压，波形如图（b）所示。同理，在 t2区间，u2为负，VD2正偏导通，VD1反偏截止，VT2承受u2的正向电压，VT1不承受电压。从上述分析可见，VD1与VD2管能否导通仅取决于电源电压u2的正、负，与VT1及VT2是否导通及负载性质均无关。图2.14 单相半控桥式电阻性负载电路及波形

46、图 1 电阻性负载电阻性负载 如图（c）所示，当电源电压u2处在正半周，控制角 触发晶闸管时，由于这区间VD1受正偏导通，VT1承受正向电压，所以VD1与VT1就导通，电流id从电源的a端流经VT1、负载电阻Rd及VD1回到b端，此时负载电压ud等于u2，如图（c）所示。当电源电压u2处在负半周，在相同的控制角 处触发晶闸管，VT2与VD2就导通，电流id从电源的b端流经VT2、负载电阻Rd与VD2回到a端，直到u2过零时，id=0，VT2关断。这样负载电阻Rd上所得到的ud波形与全波可控整流电路一样，所以电路中各物理量的计算公式也相同。流过晶闸管、整流管的电流平均值与有效值分别为：dTdDd

47、/2IIITD/2III例3 一台由220V交流电网供电的1kW烘干电炉，为了自动恒温，现改用单相半控桥式整流电路，交流输入电压仍为220V。试选择晶闸管与整流二极管。解：先求电炉的电阻。当=0时晶闸管与整流管的电流有效值为最大：选择晶闸管的额定值和型号。所以，选择晶闸管型号为KP5-8。同理，选择整流管型号为ZP5-8 22dd220220481000URP2TmDmd102201sin203.2A42482UIIRTmT(AV)3.2(1.5 2)(1.5 2)3 4A1.571.57IITnTm(2 3)(2 3)2220625 936VUU2.电感性负载电感性负载 电源电压u2正半周时

48、，VD1处于正偏导通，当控制角为 时，VT1承受正向电压而被触发导通，ud为u2波形。当u2过零变负时，续流管VD导通，负载电流经续流管VD而续流。VT1承受反向电压而关断，在续流期间ud0。当u2为负半周时，VD2处于正偏导通，在相同控制角 时，VT2承受正向电压被触发导通，续流管VD承受反向电压而关断。此时负载电流id经VT2、负载及VD2返回电源u2。同理，在u2负半周过零变正时，续流管承受正向电压而导通，负载电流id又经续流管VD续流。VT2承受反向电压而关断。输出电压、电流平均值：晶闸管的电流平均值、有效值及可能承受的最大电压为：续流管的电流平均值、有效值及可能承受的最大反向电压为：

49、图2.15 单相半控桥式大电感负载的电路及波形图d21cos0.92UUdddUIRdTd2IITd2IITM22UUdDdIIDdIIDM22UU例4 某电感性负载采用带续流管的单相半控桥式整流电路，如图（a）所示。已知：电感线圈的内阻Rd=5，输入交流电压U2=220V，控制角=60。试求：晶闸管与续流管的电流平均值和有效值。解：首先求整流输出电压平均值Ud：再求负载电流Id：晶闸管与续流管的电流平均值和有效值分别为：d21cos1cos600.90.9220149V22UUddd14930A5UIRdTd180180603010A360360IITd180180603017.3A3603

50、60IIdDd603010A180180IIDd603017.3A180180II3.反电动势负载反电动势负载图2.17 单相半控桥反电动势负载电路及波形图 在单相半波中，只有在u2处在正半周时才有输出。而在单相半控桥中，u2正、负半周均能工作，一个周期里负载两端得到的ud波形是单相半波相同控制角时波形的2倍。电路中串接平波电抗器的目的与单相半波相同，是为了使输出电流继续平稳。但接续流管的目的是为了避免电路发生失控现象。常用的单相可控整流电路，具有电路简单、对触发电路要求不高、同步容易以及调试维护方便等优点，所以一般小容量没有特殊要求的可控整流装置，多数采用单相电路。但单相可控整流输出直流电压

51、脉动大，在负载容量较大时会造成三相交流电网严重不平衡，所以负载容量较大时，一般采用三相可控整流电路。三相半波可控整流电路 三相可控整流电路的类型很多，有三相半波、三相全控桥、三相半控桥等，三相半波可控整流电路是最基本的电路，其他电路可看作是三相半波以不同方式串联或并联组合而成的。三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路 在三相半波整流电路中，电源由三相整流变压器供电或直接由三相四线制交流电网供电。如图（a）所示，变压器的二次绕组接成星形，将三个整流二极管VD1，VD3，VD5的阴极连接在一起，这种接法叫共阴极接法。设二次绕组U相电压的初相位为零，相电压有效值为U2，则对称三相电压的瞬时值表

52、达式为：U22sinuUtV222sin()3uUtW222sin()3uUt 对于二极管来说哪一相二极管的阳极电位最高，则该只二极管导通。由图（b）三相电压波形可知，在 期间，U相电压最高，二极管VD1导通，整流输出电压 ，使VD3、VD5承受反向电压而截止。其它期间同理。如图（c）所示，整流输出电压的波形即是三相电源相电压的正向包络线，同时看到电源相电压正半周波形相邻交点1、3、5点即是VD1、VD3、VD5三个二极管轮流导通的始末点，即每到电压正向波形交点就自动换相，所以三相相电压正半周波形的交点1，3,5点称为自然换相点。1t3t dUuu 如图（d）所示为二极管VD1两端承受电压的波

53、形，VD1管两端承受电压的波形为电源线电压的波形，最大值为电源线电压的反向电压的峰值，为:根据图（c）可计算输出直流平均电压为：D1M26UU56d222633 62sind()1.1722UUttUU图2.18 三相半波不可控整流电路及波形图 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 把图（a）所示的三只整流二极管换成三只晶闸管变成三相半波可控整流电路，变压器的二次绕组接成星形，就有了零线。1电阻性负载 图所示是 时的波形。可以看出每相所接的晶闸管各导通，负载电流处于连续状态，一旦控制角大于，则负载电流断续。图所示是 时的波形。3060图2.19 三相半波可控整流电路电阻性负载=30的波形图

54、 图2-20 负载=60的波形图 由上述分析可得出如下结论：（1）当控制角 为零时输出电压最大，随着控制角增大，整流输出电压减小，到 时，输出电压为零。所以此电路的移相范围是0150。（2）当 时，电压电流波形连续，各相晶闸管导通角均为120；当 30时电压电流波形间断，各相晶闸管导通角为150-a。150 30 由此整流电路输出的平均电压的计算分两段：当 时，当 时，负载平均电流：晶闸管是轮流导通的，所以流过每个晶闸管的平均电流为 晶闸管承受的最大电压为 0 3056d22632sind()1.17cos2UUttU30 150d22632sind()0.6751cos26UUttUdddU

55、IRdTd13IITM26UU 2电感性负载图2.21 三相半波大电感负载不接续流管时的电路与波形图 56d22632sind()1.17cos2UUttUdddUIRdTd13IITd13IITM26UU 为了避免波形出现负值，可在大电感负载两端并接续流二极管VD，以提高输出平均电压值，改善负载电流的平稳性，同时扩大移相范围。图2.22 三相半波大电感负载接续 流管时的电路与波形图例5 三相半波可控整流电路，大电感负载 ，已知电感内阻 ，电源电压 。试计算不接续流二极管与接续流二极管两种情况下的平均电压 ，平均电流 ，并选择晶闸管的型号。解：（1）不接续流二极管时。所以选择晶闸管型号为KP5

56、0-12。（2）接续流二极管时。602R 2220VU dUdI所以选择晶闸管型号为KP50-12。通过计算表明：接续流二极管后，平均电压 提高，晶闸管的导通角由120降到90，流过晶闸管的电流有效值相等，输出 提高。dUdI 3含反电动势的大电感负载 为了使电枢电流波形连续平直，在电枢回路中串入电感量足够大的平波电抗器，这就是含反电动势的大电感负载。电路的分析方法同大电感负载时一样，只是输出平均电流的计算应该为：例6 三相半波可控整流电路，含反电动势的大电感负载，已知电感内阻 ，电源电压 ，平均电流 。试计算不接续流二极管与接续流二极管两种情况下的反电动势E。解：（1）不接续流二极管时，所以

57、，ddaUEIR60a0.2R 2220VU d40AI d21.17cos1.17220cos60128.7VUUddaUEIRdda128.7400.2120.7VEUI R（2）接续流二极管时，所以，d20.6751cos0.675220 1cos(3060)148.5V6UUdda148.5400.2140.5VEUI R三相全控桥可控整流电路图2.26 三相全控桥整流电路图图2.27 三相全控桥整流电路a=00的波形图 1.工作原理 为分析方便，按六个自然换相点把一周等分为六区间段。在1点到2点之间，U相电压最高，V相电压最低，在触发脉冲的作用下，共阴极组的VT1被触发导通，共阳极组

58、的VT6被触发导通。这期间电流由U相经VT1流向负载，再经VT6流入V相，负载上得到的电压为 ，为线电压。在2点到3点之间，U相电压仍然最高，VT1继续导通，但W相电压最低，使得VT2承受正向电压，当2点触发脉冲到来时，VT2被触发导通，使VT6承受反向电压而关断。这期间电流由U相经VT1流向负载，再经VT2流入W相，负载上得到的电压为 。依次类推，得到图所示的波形，输出的电压为三相电源的线电压。上述晶闸管按VT1,VT2,VT3,VT4,VT5,VT6,VT1的导通顺序轮流导通，不断循环，每只晶闸管导通120，每隔60由上一只晶闸管换到下一只晶闸管导通。dUVUVuuuudUWUWuuuu

59、2.对触发脉冲的要求对触发脉冲的要求 为了保证电路合闸后能工作，或在电流断续后再次工作，电路必须有两只晶闸管同时导通，对将要导通的晶闸管施加触发脉冲，有以下两种方法可供选择。1单宽脉冲触发 如图所示，每一个触发脉冲宽度在80到100度之间，阴极组的自然换相点（1,3,5点）分别对晶闸管VT1、VT3、VT5施加触发脉冲 ；在共阳极组的自然换相点（2,4,6点）分别对晶闸管VT2、VT4、VT6施加触发脉冲 。每隔由上一只晶闸管换到下一只晶闸管导通时，在后一触发脉冲出现时刻，前一触发脉冲还没有消失，这样就可保证在任一换相时刻都能触发两只晶闸管导通。2双窄脉冲触发 如图所示，每一个触发脉冲宽度约。

60、触发电路在给某一只晶闸管送上触发脉冲的同时，也给前一只晶闸管补发一个脉冲辅脉冲（即辅助脉冲）。3.对大电感负载的分析对大电感负载的分析图2.28 大电感负载=60波形 图 2.29 大电感负载=90的波形图 在090度移相范围内，三相全控桥大电感负载电流是连续的，每个晶闸管导通120度。整流平均电压和平均电流的计算公式如下：晶闸管上的电流平均值、电流有效值及承受的最大电压分别为：23d22366sind()2.34cos2UUttUdddUIRdTd13IITd13IITM26UU三相桥式半控整流电路 在要求不高的整流装置或不可逆的直流电动机调速系统中，可采用三相半控桥式整流电路。共阳极组的三

61、只整流二极管总是在三相线电压的交点即自然换相点2，4，6点换流，2，4，6点成了整流二极管VD2，VD4，VD6导通关断点。如图所示。若共阴极组的三只晶闸管不触发导通，则电路不工作。一旦三只晶闸管被触发导通，电路有整流电压输出，可见触发电路只需给共阴极组的三只晶闸管送上相隔的单窄脉冲即可。图2.30 三相半控桥式整流电路中 三个二极管工作情况示意图 1.电阻性负载电阻性负载图2.31 三相半控桥电阻性负载a=30的波形图30图2.31 三相半控桥电阻性负载a=60的波形图图2.31 三相半控桥电阻性负载a=90的波形图 可见三相半控桥电阻性负载的移相范围为0到180度。以控制角a=60度为界，

62、前后得到两种输出电压的波形，因此在计算电压平均值时，也分两段来计算。（1）在 阶段，电压波形连续，由两段不同的线电压波形组成。（2）在 阶段，电压波形断续。0 60232d22233331cos6sind()6sin()d()2.342232UUttUttU60 180d2231cos6sind()2.3422UUttU 2.电感性负载电感性负载 输出平均电压值和平均电流值的计算公式为：图2.34 三相半控桥电感性负载电路与波形图 d21cos2.342UUdddUIR晶闸管与续流二极管的电流平均值、电流有效值计算如下：（1）在 时，（2）在 时，0 60dTd13IITd13II60 180

63、dTd180360IITd180360IIdDd60120IIdDd60120II本 章 小 结 1.几种常用的单相可控整流电路和三相可控整流电路以及大功率可控整流电路，分析了它们的工作原理，研究了不同性质负载下可控整流电路电压和电流波形。2.单相半波可控整流电路最简单，常用于波形要求不高的场合，单相全控桥式整流电路用于整流或逆变小功率场合，单相半控桥式整流电路仅用于小功率整流场合。对4kW以上的负载容量，应采用三相可控整流电路。3.三相半波可控整流电路整流变压器中有直流分量，铁芯存在直流磁化，整流变压器利用率低。三相全控桥式整流电路各项指标好，可用于要求高的可逆系统，但控制复杂。三相半控桥式整流电路适用于中等容量的整流装置或不要求可逆的电力拖动系统。带平衡电抗器双反星形整流电路适合大电流、低电压的负载。整流电路的多重化可分为并联多重结构和串联多重结构，该电路结构适合于大功率负载。