电力电子机电传动控制

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1、第十章第十章 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学习要求学习要求: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。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。前前 言言 电力（强）电子学电力（强）电子学电力半导体器件电力半导体器件微（弱）电子学微（弱）电子学集成电路集成电路半导体器件

2、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。电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电大功率二极管大功率二极管功率晶体管功率晶体管可关断晶闸管可关断晶闸管双相晶闸管双相晶闸管单相晶闸管单相晶闸管电力半导体器件电力半导体器件 晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称简称SCR）是在）是在60年代发展起来的一种年代发展起来的一种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。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。优点优点：(1)用很小的功率用很小的功率(电流约几十毫安

3、一百多毫安，电压约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；，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；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损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅仅1V左右左右)，总效率可达，总效率可达97.5%，而一，而一般机组效率仅为般机组效率仅为85%左右；左右；(4)体积小、重量轻。体积小、重量轻。缺点：缺点：(1)过载能

4、力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，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；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；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；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)控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。控制电路比较复杂，对维修人

5、员的技术水平要求高。在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。10.1 晶闸管晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。一、晶闸管的结构和符号一、晶闸管的结构和

6、符号 晶闸管的外形和结构图分别如图所示晶闸管的外形和结构图分别如图所示：其中：其中：A阳极，阳极，K阴极，阴极，G控制极。控制极。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 实验电路如图（实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压）所示，主电路加上交流电压u2，控制极电路接入，控制极电路接入Eg，在，在t1 瞬间合瞬间合上开关上开关S，在，在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S，则，则u2、ug和电阻上和电阻上RL的电压的电压ud的波形关系如图（的波形关系如图（b）所示。）所示。（1）在）在0t1之间之间

7、:开开关关S未合上，未合上，ug=0，尽管，尽管uAK0，但，但ud=0，即晶闸，即晶闸管未导通；管未导通；（2）在）在t1t2之间之间:uAK0，由于开关，由于开关S合上，合上，使使ug0，而，而 ，即即晶闸管导通；晶闸管导通；（3）在）在 t2t3 之间，之间，uAK0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断；（4）在）在 t3t4 之间，之间，uAK0，这时，这时ug0,而而 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；2uud （5）当）当 t=t4 时，时，ug=0，但，但uAK0，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态；2uud2uud （6）当）当 t=t5 时

8、，时，uAK=0，ug=0，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论：（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；（2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；同时具备的两个条件；（3）在晶闸管导通之后，其控制

9、极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。晶闸管的晶闸管的PN结可通过几十安结可通过几十安几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件，几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。三、晶闸管的伏

10、安特性三、晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。正向正向(uAK 0)正向阻断状态正向阻断状态:当当ug=0，uAK 0，uAK 0，晶闸管导通，其电流的大小由负载，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向反向(uAK 0)反向截止状态反向截止状态:当当 uAK URSM，元件中有很小的反向电流（反向，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。漏电流）流过，处于截止状态。反向击穿反向击穿：当：当 uA

11、K=URSM，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状状 态。态。URSM称为称为反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压，或用，或用UBR表示称表示称反向击穿电压反向击穿电压。四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。1.断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正

12、向峰值电压晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压。UDRM=UDSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：晶闸管的晶闸管的UDRM 应等于所承受的正应等于所承受的正向电压的（向电压的（23）倍。）倍。2.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压。URRM=URSM -100 3.额定通态平均电流（额定电流）额定通态平均电流（额定电流）IT 在环境温度不大于在环境温度不

13、大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。4.维持电流维持电流 IH 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。一般为几般为几mA一百多一百多mA 10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 整流将交流电变为直流电的过程；整流将交流电变为直流电的过程；整流电路将交流电变

14、为直流电的电路；整流电路将交流电变为直流电的电路；整流整流单相单相 三相三相 不可控不可控可控可控 不可控不可控可控可控10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 u2输入电压输入电压；ud输出电压输出电压；控制角控制角；晶闸管元件承晶闸管元件承受正向电压起始点到触发受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角脉冲的作用点之间的电角度。度。导通角导通角；是晶闸管在一是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。周期时间内导通的电角度。对单相半波可控整流电路：对单相半波可控整流电路：的的范范围围 0的的范范围围 0 一、带电阻性负载的可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路 214502 c

15、osRU.RUIdd 2145022122cosU.)t(tdsinUUdtsinUu 222 输入电压输入电压：负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U二、带电感性负载的可控整流电路二、带电感性负载的可控整流电路 单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。得不到所需要的电压和电流。三、续流二极管的作用三、续流二极管的作用 为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电

16、路整流输出平均电压，可采取负载两端并联一只二极管措施，如图所示。负载两端并联一只二极管措施，如图所示。10.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。(a)单相桥式整流电路(b)电阻性负载时的电压电流波形1.电阻性负载电阻性负载 21902122 cosU.)t(tdsinUUd21902 cosRU.RUIdd负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22UddVSII 2ddvII 22 晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值：续流二极管的电流平均值：续流二极

17、管的电流平均值：2.电感性负载电感性负载 如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。因电流为零而关断，不会出现失控现象。如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过V1和和V2形成续流，确

18、保形成续流，确保VS1或或VS2可靠关断，这样也就不会出现失控现象。可靠关断，这样也就不会出现失控现象。流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2 流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流：dI 流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2 流过续流二极管的平均电流流过续流二极管的平均电流：ddvII 22 为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只

19、晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。3.反电势负载反电势负载 当整流电路输出接有电势负载时当整流电路输出接有电势负载时,只有当只有当电源电源的瞬时值大于反电势电源电源的瞬时值大于反电势，同，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。时间内，负载上保留原有的反电势。a.负载两端的电压平均值比电阻性负载时高负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 b.负载电流平均值比电阻性负载时低负载电流平均值比电阻性负载时低 R

20、EUIdd 因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动，如图所示。以平滑电

21、流的脉动，如图所示。10.2.3 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如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。替即构成全控桥。10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路图如图所示。三相半波可控整流电路图如图所示。自然换相点：自然换相点：0 时时：当当01.触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200PPdU.)t(tdsinUU265621712321 设输入电压为：设输入电压为：t

22、sinUuPA 22 cosU.)t(tdsinUUP)()(Pd265621712321时：时：当当602 .时时当当6563 .330117123210262 cosU.)t(tdsinUUP)(Pd 可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为：PU22PPUU22632 当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:10.4 逆变器逆变器 利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程逆向过程，称之，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做为逆变，把直流电变成交流

23、电的装置，叫做逆变器逆变器。变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。率或可变频率的交流电供给负载。逆变逆变无源逆变无源逆变变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去。同频率的交流电反馈到电网去。一、无源逆变电路的工作原理一、无源逆变电路的工作原理 无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。1.无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理 2.单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器

24、 二、单相无源逆变器的电压控制二、单相无源逆变器的电压控制 1.控制逆变器的输入直流电压控制逆变器的输入直流电压 2.在逆变器内部的电压控制在逆变器内部的电压控制 （1）脉宽控制）脉宽控制 不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称脉宽控脉宽控制制。若使延迟角从若使延迟角从0变到变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。（2）

25、脉冲宽度调制（）脉冲宽度调制（PWM）如果使如果使VS1与与VS4，VS2与与VS3通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断通和关断N次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲（称次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲（称载波载波），如图），如图所示（这时所示（这时N=5）。）。逆变器输出电压的幅值是通过改变脉逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲冲总的导通时间与总的关断时间的比率总的导通时间与总的关断时间的比率来来控制的，这有两种基本的方法：控制的，这有两种基本的方法：第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半

26、周期内的脉冲数；变每一半周期内的脉冲数；第二种方法是改变脉宽，而维持每一半第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。周期内的脉冲数不变。三、无源逆变器的换相（换流三、无源逆变器的换相（换流）两组晶闸管交替地两组晶闸管交替地导通和关断的过程导通和关断的过程，就是电流转换的过程，简称，就是电流转换的过程，简称换流换流。但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。负载是由电感负载是由电感L和补偿电容和补偿电容C

27、组成的并联谐振回路，组成的并联谐振回路，Ld为限流电抗器。为限流电抗器。换流过程如下：换流过程如下：10.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路触发电路。（1）单结晶体管触发电路）单结晶体管触发电路 （2）小容量晶闸管触发电路）小容量晶闸管触发电路 （3）晶体管触发电路）晶体管触发电路 10.5.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 实质：晶闸管的可靠触发实质：晶闸管的可靠触发 （1）触发电路应能供给足够大的）触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该，一般要求触发电压应该在

28、在4V以上，以上，10V以下，如图所示；以下，如图所示；（2）触发脉冲的宽度触发脉冲的宽度必须在必须在10微秒以上，如微秒以上，如果负载是大电感，电流果负载是大电感，电流 上升比较慢，那么，触发上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。脉冲的宽度还应该增大。（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小）不触发时，触发电路的输出电压应该小于，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要于，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个时可在控制极上加上一个1V2V的负偏压；的负偏压；（4）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。（5

29、）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路触发脉冲应该和主电路同步同步，脉冲发出的时间应，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围移相的范围要要足够宽。足够宽。10.5.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 一、单结晶体管一、单结晶体管 单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。基极，故又叫双基极二极管。1.工作特性工作特性2.工作特点工作特点 发射极电压大于发射极电压大于UP时，单结晶体时，单结晶体管导通；管导通；导通后，发射极电压必须小于谷导通后，发射极电压必须小于谷点电压点电压 UV时，单结晶体管才截止。时，单结晶体管才截止。UP峰值电压峰值电压UV谷点电压谷点电压 二、单结晶体管的自振荡电路二、单结晶体管的自振荡电路 利用单结晶体管的负阻特性和利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路，如充放电特性，可组成自振荡电路，如图所示。图所示。三、单结晶体管触发电路三、单结晶体管触发电路 E的大小对触发脉冲的影响：相位的大小对触发脉冲的影响：相位 周期周期 R、C的大小对触发脉冲的影响：宽度的大小对触发脉冲的影响：宽度