机电传动控制】第十章 电力电子技术10040.pptx

第十章第十章 电力电子技术电力电子技术 学习要求学习要求:掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；数的含义；掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工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；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。电路的基本工作原理。前前 言言 电力电子学的任务：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利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。的变换和控制。电力半导体器电力半导体器件件弱电弱电强电强电 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半导体器件 晶晶闸闸管管（Silicon Controlled Rectifier 简简称称SCR）是是在在60年年代代发发展展起起来来的的一一种种新新型型电电力力半半导导体体器器件件，晶晶闸闸管管的的出出现现起起到到了了弱弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。电控制与强电输出之间的桥梁作用。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电力半导体器件体器件优点优点 ：(1)(1)用用很很小小的的功功率率(电电流流约约几几十十毫毫安安一一百百多多毫毫安安，电电压压约约2 24V)4V)可可以以控控制制较较大大的的功功率率(电电流流自自几几十十安安几几千千安安，电电压压自自几几百百伏伏几几千伏千伏)，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)(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；和截止时间都在微秒级；(3)(3)损损耗耗小小、效效率率高高，晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小(仅仅1V1V左左右右)，总总效效率率可可达达97.5%97.5%，而而一般机组效率仅为一般机组效率仅为85%85%左右；左右；(4)(4)体积小、重量轻。体积小、重量轻。缺点：缺点：(1)(1)过过载载能能力力弱弱，在在过过电电流流、过过电电压压情情况况下下很很容容易易损损杯杯，要要保保证证其其可可靠靠工工作作，在在控控制制电电路路中中要要采采取取保保护护措措施施，在在选选用用时时，其其电电压压、电流应适当留有余量；电流应适当留有余量；(2)(2)抗抗干干扰扰能能力力差差，易易受受冲冲击击电电压压的的影影响响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；当外界干扰较强时，容易产生误动作；(3)(3)导导致致电电网网电电压压波波形形畸畸变变，高高次次谐谐波波分分量增加，干扰周围的电气设备；量增加，干扰周围的电气设备；(4)(4)控控制制电电路路比比较较复复杂杂，对对维维修修人人员员的的技技术水平要求高。术水平要求高。在在实实践践中中，应应该该充充分分发发挥挥晶晶闸闸管管有有利利的的一一面面，同同时时采采取取必必要要措措施施消消除除其其不不利利的的一一面面。目目前前，采采用用晶晶闸闸管管作作为为整整流流放放大大元元件件组组成成的的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。10.1 10.1 晶闸管晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后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。一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：其其中中：A阳阳极极，K阴阴极，极，G控制极。控制极。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结结结构示意图结构示意图二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 实实验验电电路路如如图图（a）所所示示，主主电电路路加加上上交交流流电电压压u2，控控制制极极电电路路接接入入Eg，在在t1 瞬瞬间间合合上上开开关关S，在在t4 瞬瞬间间拉拉开开开开关关S，则则u2、ug和和电电阻阻上上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。（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；（1）在在0t1之之间间:开开关关S未未合合上上，ug=0，尽尽管管uAK0，但，但ud=0，即晶闸管未导通；，即晶闸管未导通；（2）在在t1t2之之间间:uAK0，由由于于开开关关S合合上上，使使ug0，而，而 ，即晶闸管导通；即晶闸管导通；（4）在在 t3t4 之之 间间，uAK0，这这 时时 ug0,而而 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；（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；（6）当）当 t=t5 时，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）起起始始时时若若控控制制极极不不加加电电压压，则则不不论论阳阳极极加加正正向向电电压压还还是是反反向向电电压压，晶晶闸闸管管均均不不导导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；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）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；时具备的两个条件；（3）在在晶晶闸闸管管导导通通之之后后，其其控控制制极极就就失失去去控控制制作作用用，欲欲使使晶晶闸闸管管恢恢复复阻阻断断状状态态，必必须须把把阳阳极极正正向向电电压压降降低低到到一一定定值值（或或断断开开，或或反反向）。向）。晶晶闸闸管管的的PN结结可可通通过过几几十十安安几几千千安安的的电电流流，因因此此，它它是是一一种种大大功功率率的的半半导导体体器器件件，由由于于晶晶闸闸管管导导通通时时，相相当当于于两两只只三三极极管管饱饱和和导导通通，因因此此，阳阳极极与与阴阴极极间间的的管管压压降降为为1V左左右右，而而电电源电压几乎全部分配在负载电阻上。源电压几乎全部分配在负载电阻上。三、晶闸管的伏安特性三、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。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，晶晶闸闸管管导导通通，其其电电流流的的大大小小由由负负载载决决定定，阳极和阴极间的管压降很小。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，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。处于截止状态。反反 向向 击击 穿穿：当当 uAK=URSM，晶晶闸闸管管突突然然由由反反向向截截止止状状态态转转化化为为导导通通状状 态态。URSM称称为为反反向向不不重重复复峰峰值值电电压压，或或用用UBR表表示示称称反反向向击击穿电压。穿电压。四、晶闸管的主要参数 为为了了正正确确选选用用晶晶闸闸管管元元件件，必必须须要要了了解解它它的的主主要要参参数数，一一般般在在产产品品目目录录上上给给出出了了参参数数的的平平均均值值或或极极限限值值，产产品品合合格格证证上上标标有有元元件的实测数据。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管阳极和阴极两端的正向峰值电压。UDRM=UDSM -100 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管阳极和阴极两端的反向峰值电压。URRM=URSM -100 在在选选择择晶晶闸闸管管时时还还要要考考虑虑留留有有足足够够的的余余量量，一一般般：晶晶闸闸管管的的UDRM 应应等等于于所所承承受受的的正正向向电电压的（压的（23）倍。）倍。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大于40度的标准散热及全导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。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。一般为元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几几mA一百多一百多mA 10.3 10.3 可控整流电路可控整流电路 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 可控可控不可控不可控可控可控不可控不可控10.2.1 单相半波可控整流电路 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 u2输入电压输入电压；ud输出电压输出电压；控制角控制角 ；晶闸管元件承受正向电压起；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。始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。导通角导通角；是晶闸管在一周期时间内是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。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：的范围的范围的范围的范围输入电压输入电压：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：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 单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路用用于于大大电电感感性性负负载载时时，如如果果不不采采取取措措施施，负负载载上上就就得得不不到到所所需需要要的的电电压和电流。压和电流。三、续流二极管的作用三、续流二极管的作用 为为了了提提高高大大电电感感负负载载时时的的单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路整整流流输输出出平平均均电电压压，可可采采取取负负载载两两端端并联一只二极管措施。并联一只二极管措施。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：续流二极管的电流平均值：10.2.2 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)(a)单相桥式整流电路单相桥式整流电路 (b)(b)电电阻阻性性负负载载时时的电压电流波形的电压电流波形1.1.电阻性负载电阻性负载 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：2.2.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。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，不会出现失控现管因电流为零而关断，不会出现失控现象。象。流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流：如图所示半控桥式整流电路在电感性负载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时，可以不加续流二极管。这这是是因因为为在在电电源源电电压压过过零零时时，电电感感中中的的电电流流通通过过V1和和V2形形成成续续流流，确确保保VS1或或VS2可可靠靠关断，这样也就不会出现失控现象。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：流过续流二极管的平均电流流过续流二极管的平均电流：为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示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，改变晶闸管的控制角，即只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。可改变其输出电压。3.3.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电源电源的瞬时值大于反电势源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶，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，在闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。关断的时间内，负载上保留原有的反电势。因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，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，用以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。平滑电流的脉动，如图所示。a.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.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 10.2.3 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。的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。例例10.1 欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压调的直流电源，调节范围：电压U0=0V180V,电流电流I0=010A。现采用单相半控桥式整流电路，。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。整流元件。解解:设设在在晶晶闸闸管管导导通通角角为为(控控制制角角为为0)时时输输出出电电压压值值为为最最大大（180V），则则对对应应的的输输入入交交流流电压有效值电压有效值为最大。为最大。实实际际上上还还要要考考虑虑电电网网电电压压波波动动、管管压压降降以以及及导导通通角角常常常常到到不不了了1800，交交流流电电压压要要比比上上述述计计算算而而得得到到的的值值适适当当加加大大10%左左右右，即即大大约约为为220V。因因此此，在在本本例例中中可可以以不不用用整整流变压器，直接接到流变压器，直接接到220V的交流电源上。的交流电源上。交流电流有效值交流电流有效值 ：晶晶闸闸管管所所承承受受的的最最大大正正向向电电压压、最最大大反反向向电电压压和和二二极极管所承受的最大反向电压管所承受的最大反向电压相等，即：相等，即：流过晶闸管和二极管的平均电流流过晶闸管和二极管的平均电流 ：10.3.3 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：触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200设输入电压为：设输入电压为：可能承受的最大反向电压为：可能承受的最大反向电压为：当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为最大正向电压为:10.4 10.4 逆变器逆变器 利利用用晶晶闸闸管管电电路路把把直直流流电电变变成成交交流流电电，这这种种对对应应于于整整流流的的逆逆向向过过程程，称称之之为为逆逆变变，把把直流电变成交流电的装置，叫做直流电变成交流电的装置，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电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载交流电供给负载有源有源逆变逆变逆变逆变无源无源逆变逆变变流器的交流侧接到交流电源上，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把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去反馈到电网去 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无源源逆逆变变器器的的工工作作原原理理，可可以以用用如如图图所所示示的的开关电路来说明。开关电路来说明。1.1.无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理 2.2.单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器 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 1.1.控制逆变器的输入直流电压控制逆变器的输入直流电压2.2.在逆变器内部的电压控制在逆变器内部的电压控制（1 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，此方法称压，此方法称脉宽控制脉宽控制。若使延迟角从若使延迟角从0 0变到变到1801800 0，将可以使逆变，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。器的输出电压从最大值变到零。（2 2）脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）如如果果使使VS1与与VS4，VS2与与VS3通通过过高高频频调调制制控控制制，能能在在半半个个周周期期内内重重复复导导通通和和关关断断N次次，则则其其输输出出电电压压波波形形为为一一系系列列被被调调制制的的矩矩形形脉脉冲（称冲（称载波载波），如图所示（这时），如图所示（这时N=5）。）。逆逆变变器器输输出出电电压压的的幅幅值值是是通通过过改改变变脉脉冲冲总总的的导导通通时时间间与与总总的的关关断断时时间间的的比比率率来来控控制制的的，这有两种基本的方法：这有两种基本的方法：第一种方法是维持恒定的第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数；内的脉冲数；第二种方法是改变脉宽，第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲而维持每一半周期内的脉冲数不变。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）两两组组晶晶闸闸管管交交替替地地导导通通和和关关断断的的过过程程，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。措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。负负载载是是由由电电感感L和和补补偿偿电电容容C组组成成的的并并联联谐振回路，谐振回路，Ld为限流电抗器。为限流电抗器。演讲完毕，谢谢观看！