电力电子学精选文档.ppt
电力电子学电力电子学本讲稿第一页，共四十一页1.要求掌握晶闸管的基本工作原理要求掌握晶闸管的基本工作原理2.了解基本可控整流电路的工作原理及其特点了解基本可控整流电路的工作原理及其特点本章学习要求本章学习要求本讲稿第二页，共四十一页概概 述述半导体器件的发半导体器件的发展方向展方向微（弱）电子学微（弱）电子学(IC)电力（强）电子学电力（强）电子学电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制来实现电功率的变换和控制晶闸管：晶闸管：Silicon Control rectifier(可控硅可控硅)是是20世纪世纪60年代发展起来的一种新型的电力半导体器件，年代发展起来的一种新型的电力半导体器件，它的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用它的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用本讲稿第三页，共四十一页晶闸管的优点：晶闸管的优点：1）用很小的功率控制较大的功率，功率放大倍）用很小的功率控制较大的功率，功率放大倍数可达到几十万倍数可达到几十万倍2）控制灵敏，反应快，晶闸管的导通和截止微）控制灵敏，反应快，晶闸管的导通和截止微秒级秒级3）损耗小，晶闸管本身的压降仅为）损耗小，晶闸管本身的压降仅为1伏特左右伏特左右4）体积小、重量轻）体积小、重量轻目前采用晶闸管作为整流放大元件组成的控制系目前采用晶闸管作为整流放大元件组成的控制系统，获得广泛的应用统，获得广泛的应用本讲稿第四页，共四十一页晶闸管的缺点晶闸管的缺点：1）过载能力弱，必须采取保护措施）过载能力弱，必须采取保护措施2）抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当）抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰强时，容易产生误动作外界干扰强时，容易产生误动作3）导致电网波形畸变，高次谐波分量增加，）导致电网波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备（脉动）干扰周围的电气设备（脉动）4）控制电路比较复杂，对维修人员的技术水）控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高平要求高本讲稿第五页，共四十一页10.1 电子半导体器件电子半导体器件10.1.1晶闸管（晶闸管（SCR）1 1、晶闸管的结构和符号、晶闸管的结构和符号、晶闸管的结构和符号、晶闸管的结构和符号可控硅整流元件（可控硅）可控硅整流元件（可控硅）可控硅整流元件（可控硅）可控硅整流元件（可控硅）阳极阳极A阴极阴极K控制极控制极G本讲稿第六页，共四十一页2、晶闸管的工作原理、晶闸管的工作原理控制极控制极电路接入电路接入Eg，主电路主电路加上交流电压加上交流电压u2在在t1瞬间瞬间合上合上开关开关S在在t4瞬间瞬间拉开拉开开关开关Su21)t=t1:开关开关s合上，控制极合上，控制极对阴极的电压为正，对阴极的电压为正，且晶闸管阳极对阴极电压为正。且晶闸管阳极对阴极电压为正。所以晶闸管导通所以晶闸管导通图图10.3本讲稿第七页，共四十一页2)t=t2:u2=0,流过晶闸管流过晶闸管的电流小于维持的电流小于维持电流，晶闸管关电流，晶闸管关断断3）t=t3:U2从零变正。晶闸从零变正。晶闸管承受正向电压，管承受正向电压，导通导通本讲稿第八页，共四十一页4）t=t4，开关拉开，但是晶闸管开关拉开，但是晶闸管处于导通状态，则维持处于导通状态，则维持导通，导通，5)t=t5u20，晶闸管关断，晶闸管关断此现象称为：晶闸管的此现象称为：晶闸管的可控单向导电性可控单向导电性本讲稿第九页，共四十一页2Ig图图10.4 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理本讲稿第十页，共四十一页晶闸管等效为两只晶体管的组合晶闸管等效为两只晶体管的组合VT1 为为PNP型型VT2为为NPN型型（1）A/K之间加正向电压时之间加正向电压时VT1、VT2 均承受正向电压若控制极有均承受正向电压若控制极有Ig通过通过则其为则其为VT2 的基极电压的基极电压,经经VT2放大放大后为后为2Ig，它有为它有为VT1的基极电压，经的基极电压，经放大为放大为12Ig，回到回到VT2的基极，直到的基极，直到所有元件全部导通，称为晶闸管所有元件全部导通，称为晶闸管“触发触发导通过程导通过程”即在即在即在即在VTVT2 2的基极始终有比控制电流得的基极始终有比控制电流得的基极始终有比控制电流得的基极始终有比控制电流得多的电流通过多的电流通过多的电流通过多的电流通过2IgVT1 VT2 本讲稿第十一页，共四十一页1、控制极不加电压，则不论晶闸管加正向还、控制极不加电压，则不论晶闸管加正向还是反向电压，晶闸管不导通是反向电压，晶闸管不导通2、晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压，、晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压，晶闸管才导通，这是晶闸管导通的必要的晶闸管才导通，这是晶闸管导通的必要的两个条件两个条件3、在晶闸管导通后，控制极失去控制作用，、在晶闸管导通后，控制极失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正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。向电压降低到一定值。结结 论论本讲稿第十二页，共四十一页 晶闸管的状态：晶闸管的状态：通态通态 断态断态 实际上规定，当晶闸管阳极和阴极间加上实际上规定，当晶闸管阳极和阴极间加上6V直流电压，能使元件导通的控制极最小电直流电压，能使元件导通的控制极最小电流（电压），称为触发电流（电压）流（电压），称为触发电流（电压）本讲稿第十三页，共四十一页4、晶闸管的主要参数、晶闸管的主要参数 1）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压 3）额定通态平均电流（额定正向平均电流）额定通态平均电流（额定正向平均电流）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件继续导通的最小电流称维持电流 IH自学自学本讲稿第十四页，共四十一页10.1.2 其它电力半导体其它电力半导体1、双向晶闸管（、双向晶闸管（TRIAC）相当于两只普通的晶闸管反并联相当于两只普通的晶闸管反并联三端子三端子NPNPN元件，元件，其控制极对于电源的两其控制极对于电源的两个半周均有触发作用，个半周均有触发作用，即双方向均可由控制极即双方向均可由控制极触发导通。触发导通。阳极阳极1阳极阳极2控制极控制极G本讲稿第十五页，共四十一页图中图中为为触发角触发角为导通为导通角角它可以调它可以调节交流电节交流电压的大小压的大小本讲稿第十六页，共四十一页2、可关断晶闸管（、可关断晶闸管（GTO）一种一种PNPN半导体控制元件半导体控制元件它与它与SCR比较有下列优点比较有下列优点1、GTO的控制极可以控制元件的的控制极可以控制元件的导通和关断，而晶闸管只能控制元导通和关断，而晶闸管只能控制元件的导通。件的导通。方法：在方法：在方法：在方法：在GTOGTO的控制极加不同的控制极加不同的控制极加不同的控制极加不同极性的触发信号就可控制元件极性的触发信号就可控制元件极性的触发信号就可控制元件极性的触发信号就可控制元件的通断的通断的通断的通断2、GTO的动态特性较晶闸管好的动态特性较晶闸管好本讲稿第十七页，共四十一页本讲稿第十八页，共四十一页3、功率晶体管、功率晶体管GTR可在高电压和强电流下工作，称为功率晶体管可在高电压和强电流下工作，称为功率晶体管本讲稿第十九页，共四十一页10.2单相可控整流电路单相可控整流电路 10.2.110.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1、带、带电阻性电阻性负载可控整流电路负载可控整流电路图中图中为控制角，为控制角，为导通角为导通角控制角控制角晶闸管元件承受正向电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压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度电角度导通角导通角晶闸管在一周期内导通晶闸管在一周期内导通的电角度的电角度1）当不加触发脉冲，晶闸管不导通，）当不加触发脉冲，晶闸管不导通，电源电压全部加在晶闸管上，电源电压全部加在晶闸管上，负载上电压为零负载上电压为零本讲稿第二十页，共四十一页2）wt（0 ），晶闸），晶闸管上电压为正，控制极加触发管上电压为正，控制极加触发脉冲，则晶闸管导通，此时电脉冲，则晶闸管导通，此时电源电压将全部加在负载源电压将全部加在负载3）wt 时电源电压由正变时电源电压由正变为零，晶闸管关断为零，晶闸管关断改变改变的大小可以改变负的大小可以改变负载上电压的大小载上电压的大小本讲稿第二十一页，共四十一页改变改变的大小可以改变负载上电压的大小的大小可以改变负载上电压的大小本讲稿第二十二页，共四十一页 2、带电感性负载的可控、带电感性负载的可控 整流电路整流电路 （储能）（储能）10.1110.11电感具有阻碍电流变化的作用，电感具有阻碍电流变化的作用，晶闸管导通时，由于电晶闸管导通时，由于电感两端的自感电势阻碍感两端的自感电势阻碍电流的上升，所以电流电流的上升，所以电流要从零逐渐上升要从零逐渐上升随着电压下降以及过零变随着电压下降以及过零变负，电感两端的自感电势负，电感两端的自感电势阻碍电流的减小，自感电阻碍电流的减小，自感电势使负载上电流继续流通，势使负载上电流继续流通，晶闸管导通，直到晶闸管晶闸管导通，直到晶闸管上电流小于维持电流上电流小于维持电流本讲稿第二十三页，共四十一页可见：可见：1、负载为电感性时晶闸管的导通角、负载为电感性时晶闸管的导通角将大于将大于（）2、负载电感越大，则负载电感越大，则越大，每个周期负电压所越大，每个周期负电压所占地比重越大，使得输出电压和电流的平均值占地比重越大，使得输出电压和电流的平均值越小。越小。所以必须采取措施，否则负载上得不到所需要的所以必须采取措施，否则负载上得不到所需要的电压和电流电压和电流本讲稿第二十四页，共四十一页3，续流二极管的作用，续流二极管的作用1）当电压为正时，二极管不通）当电压为正时，二极管不通2）当电源电压为负时，二极管导通，）当电源电压为负时，二极管导通，负载上由电感维持的电流流经二极管，负载上由电感维持的电流流经二极管，且二极管导通时晶闸管承受反压，自且二极管导通时晶闸管承受反压，自行关断，没有电流流回电源去行关断，没有电流流回电源去2）负载电流波形负载电流波形在晶闸管导通期间由电源提供在晶闸管导通期间由电源提供当晶闸管关断时，则由电感通过当晶闸管关断时，则由电感通过二极管提供二极管提供本讲稿第二十五页，共四十一页10.2.2单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路1.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 在单相桥式整流电路中把其中在单相桥式整流电路中把其中 的两只的两只二极管换成晶闸管二极管换成晶闸管 1）带电阻性负载）带电阻性负载设电源设电源1端为正的上半周期端为正的上半周期VS11RV22设电源设电源2端为正的下半周期端为正的下半周期,VS22RV11图图 10.13 本讲稿第二十六页，共四十一页带电阻性负载，电流波形与电压波形相似带电阻性负载，电流波形与电压波形相似本讲稿第二十七页，共四十一页2）电感性负载）电感性负载有续流二极管，保证电源电有续流二极管，保证电源电压降为零时。负载电流流经压降为零时。负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控为零而关断，不会出现失控现象现象注意注意带电感性负载时，为例避免带电感性负载时，为例避免晶闸管失控，必须在负载两晶闸管失控，必须在负载两端并接续流二极管，否则，端并接续流二极管，否则，电感电流会在电源电压为零电感电流会在电源电压为零时维持晶闸管导通，而使晶时维持晶闸管导通，而使晶闸管无法关断，造成失控闸管无法关断，造成失控本讲稿第二十八页，共四十一页10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路10.3.1 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三相半波可控整流电路整流变压器的副边接成星型，有个公共零点，又叫整流变压器的副边接成星型，有个公共零点，又叫“三三相零式电路相零式电路”图中图中uA,uB,uC 分别表示相对分别表示相对0点的相电压（点的相电压（u2p）三个相电压通过三个相电压通过VS1，VS2，VS3晶闸管向负载电阻晶闸管向负载电阻R供电供电注意：注意：对于三相可控整流而言，对于三相可控整流而言，控制角控制角就是从自然换相就是从自然换相点算起的点算起的本讲稿第二十九页，共四十一页图图10.21左图为左图为0时，三相半波时，三相半波可控整流电路输出电压波可控整流电路输出电压波形。形。1 1）、当）、当）、当）、当0时时触发脉冲在自然换向点加触发脉冲在自然换向点加入，入，在在在在t t1 1 时刻时刻时刻时刻，触发，触发VS1，负，负载上得到载上得到A相电压，电流相电压，电流经经VS1 和负载回到中性点和负载回到中性点在在在在t t2 2 时刻时刻时刻时刻，触发，触发VS2，负，负载上得到载上得到B相电压，相电压，VS1因因承受反向电压而关断承受反向电压而关断本讲稿第三十页，共四十一页共阴极连接的晶闸管共阴极连接的晶闸管当当当当0时，每只晶闸管的导通角为时，每只晶闸管的导通角为2/3本讲稿第三十一页，共四十一页2）、当）、当0/6 时时左图为左图为/6时的输时的输出电压波形图出电压波形图可控整流电路要求触可控整流电路要求触发脉冲间隔发脉冲间隔120度度在一个周期内三相轮在一个周期内三相轮流导通，负载上得到流导通，负载上得到脉动直流电压脉动直流电压ud，其，其波形是连续的波形是连续的本讲稿第三十二页，共四十一页3）、当）、当/6 5/6时时10.23 /2时的三相半波时的三相半波可控整流电路输出电压波形可控整流电路输出电压波形三相轮流导通，负载三相轮流导通，负载上的电压波形是断续上的电压波形是断续的的输出电压平均值为：输出电压平均值为：本讲稿第三十三页，共四十一页2.电感性负载电感性负载在在VS1导通时，电源电压导通时，电源电压uA加到加到负载上负载上t1 时刻时刻，uA 为零，由于自感电为零，由于自感电势的作用，电流的变化落后于势的作用，电流的变化落后于电压，此时负载电流不为零，电压，此时负载电流不为零，VS1维持导通维持导通电感电感 L 足够大时，足够大时，VS1一直导一直导通至通至VS2控制极来触发脉冲，使控制极来触发脉冲，使其导通，从而其导通，从而VS1承受反向电压承受反向电压而关断而关断10.24 带电感性负载时三相半波可控整流电路及电压、电流波形带电感性负载时三相半波可控整流电路及电压、电流波形本讲稿第三十四页，共四十一页图图10.26 电感性负载带续流二电感性负载带续流二极管的三相半波可控整流电极管的三相半波可控整流电路及电压、电流波形路及电压、电流波形（/3）有了续流二极管，整流输出电有了续流二极管，整流输出电压波形、电压平均值与控制角压波形、电压平均值与控制角的关系和纯电阻负载一样的关系和纯电阻负载一样电感足够大时，电流的波电感足够大时，电流的波形接近于一条平行于横轴形接近于一条平行于横轴的直线的直线图10.26本讲稿第三十五页，共四十一页三相半波可控整流电路的特点三相半波可控整流电路的特点：1、只用三只晶闸管，接线简单只用三只晶闸管，接线简单，在要求输出电压为，在要求输出电压为220V时，可以不用变压器而直接接于时，可以不用变压器而直接接于380V的三相交的三相交流电源，此时相电压为流电源，此时相电压为220V，当控制角为零时，可得，当控制角为零时，可得到最大输出直流平均电压为到最大输出直流平均电压为257V2、三相半波可控整流电路中三相半波可控整流电路中晶闸管承受的反向电压高，晶闸管承受的反向电压高，而且在电流连续时，每个周期内的变压器副边绕组和晶闸而且在电流连续时，每个周期内的变压器副边绕组和晶闸管都只有三分之一的时间导通，管都只有三分之一的时间导通，变压器利用率低变压器利用率低3、流过变压器的是流过变压器的是单方向脉动电流单方向脉动电流，其直流分量引，其直流分量引起很大的零线电流，并在铁心中产生直流磁势，易于起很大的零线电流，并在铁心中产生直流磁势，易于造成变压器铁心饱和，造成变压器铁心饱和，引起附加损耗和发热引起附加损耗和发热本讲稿第三十六页，共四十一页10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路VS1，VS3，VS5 晶闸管组成共阴极管晶闸管组成共阴极管VS2，VS4，VS6 晶闸管组成共阳极管晶闸管组成共阳极管三相桥式全控整流电路与一般电动机相连时总是串连一定的电三相桥式全控整流电路与一般电动机相连时总是串连一定的电感，以感，以减少电流脉动减少电流脉动和和保证电流连续保证电流连续，负载的性质可看成，负载的性质可看成负载性的负载性的本讲稿第三十七页，共四十一页三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电压、电流和触发脉冲压、电流和触发脉冲波形图波形图（0）1、在在t1时刻，时刻，A相电压较相电压较正，正，B相电压为负，如果相电压为负，如果给VS1，VS6 触发脉冲，触发脉冲，VS1，VS6导通导通所以电流所以电流VS1A负载和负载和VS6B本讲稿第三十八页，共四十一页2、在在t2时刻，时刻，A相电压较相电压较正，正，B相电压为负，但相电压为负，但C相开始比相开始比B相更负了，如相更负了，如果果给VS1，VS2触发脉冲，触发脉冲，VS1，VS2导通，导通，VS2导通，导通，使使VS6因承受反向电压而关因承受反向电压而关断断VS1A负载和负载和VS2C本讲稿第三十九页，共四十一页3、在在t3时刻，时刻，C相电相电压仍为负，但压仍为负，但B相开相开始比始比A相更正了，如相更正了，如果果给VS2，VS3触发脉触发脉冲，冲，VS2，VS3导通，导通，VS3导通，使导通，使VS1因承受因承受反向电压而关断反向电压而关断B负载和负载和VS2CVS3本讲稿第四十页，共四十一页本讲稿第四十一页，共四十一页
