实验九 三相半波可控整流电路实验.ppt

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1、实验九 三相半波可控整流电路实验,指导教师:黄琴、詹星,一、 实验目的,了解三相半波可控整流电路的工作原理，研究可控整流电路在电阻负载和电阻电感性负载时的工作情况。,二、实验所需挂件及附件,三、实验线路及原理,900并900,+,-,三、实验线路及原理,900并900,M,+,-,+,-,直流并励电动机,三、实验线路及原理,三相半波可控整流电路用了三只晶闸管，与单相电路比较，其输出电压脉动小，输出功率大。不足之处是晶闸管电流即变压器的副边电流在一个周期内只有1/3时间有电流流过，变压器利用率较低。,三、实验线路及原理,图3-10中晶闸管用DK03正桥组的三个，电阻R用DQ27三相可调电阻，将两

2、个900接成并联形式，Ld电感用DK03面板上的700mH，其三相触发信号由DK04内部提供，只需在其外加一个给定电压接到Uct端即可。直流电压、电流表由DK03获得。,四、实验内容,(1)研究三相半波可控整流电路带电阻性负载。 (2)研究三相半波可控整流电路带电阻电感性负载。,阅读电力电子技术教材中有关三相半波整流电路的内容。,五、预习要求,六、思考题,(1)如何确定三相触发脉冲的相序，主电路输出的三相相序能任意改变吗？ (2)根据所用晶闸管的定额，如何确定整流电路的最大输出电流？,七、实验方法,(1)DK03和DK04上的“触发电路”调试 打开TKDD-1总电源开关，操作“电源控制屏”上的

3、“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。 将TKDD-1“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。 用10芯的扁平电缆，将DK03的“三相同步信号输出”端和DK04“三相同步信号输入”端相连,打开DK04电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。,七、实验方法,(1)DK03和DK04上的“触发电路”调试 观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。 将DK08上的“给定”输出Ug直接与DK04上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节D

4、K04上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使=170。,七、实验方法,(1)DK03和DK04上的“触发电路”调试 适当增加给定Ug的正电压输出，观测DK04上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。 将DK04面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DK04的“正桥触发脉冲输出”端和DK03“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DK03“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。,七、实验方法,(2)三相半波可控整流电路带电阻性负载 按图3-10接线，将电阻器放在最大阻值处

5、，按下“启动”按钮，DK08上的“给定”从零开始，慢慢增加移相电压，使能从30到170范围内调节，用示波器观察并纪录=30、60、90、120、150时整流输出电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形，并纪录相应的电源电压U2及Ud的数值于下表中,七、实验方法,七、实验方法,(3)三相半波整流带电阻电感性负载 将DK03上700mH的电抗器与负载电阻R串联后接入主电路，观察不同移相角时Ud、Id的输出波形，并记录相应的电源电压U2及Ud、Id值，画出90o时的Ud及Id波形图。,八、实验报告,绘出当90o时，整流电路供电给电阻性负载、电阻电感性负载时的Ud及Id的波形，并进行分析讨论。,九、注意事

6、项,(1)双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。,九、注意事项,(2)由于脉冲“G”、“K”输出端有电容影响，故观察输出脉冲电压波形时，需将输出端“G”和“K”分别接到晶闸管的

7、门极和阴极（或者也可用约100左右阻值的电阻接到“G”、“K”两端，来模拟晶闸管门极与阴极的阻值），否则，无法观察到正确的脉冲波形。,(3)为避免晶闸管意外损坏，实验时要注意以下几点： 在主电路未接通时，首先要调试触发电路，只有触发电路工作正常后，才可以接通主电路。 在接通主电路前，必须先将控制电压Uct调到零，且将负载电阻调到最大阻值处；接通主电路后，才可逐渐加大控制电压Uct，避免过流。 要选择合适的负载电阻和电感，避免过流。在无法确定的情况下，应尽可能选用大的电阻值。,九、注意事项,(4) 由于晶闸管持续工作时，需要有一定的维持电流，故要使晶闸管主电路可靠工作，其通过的电流不能太小，否则

8、可能会造成晶闸管时断时续，工作不可靠。在本实验装置中，要保证晶闸管正常工作，负载电流必须大于500mA以上。 (5)整流电路与三相电源连接时，一定要注意相序，必须一一对应。,九、注意事项,(6)在实验中要注意同步电压与触发相位的关系，例如在单结晶体管触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的上半周，而在锯齿波触发电路中，触发脉冲产生的位置是在同步电压的下半周，所以在主电路接线时应充分考虑到这个问题，否则实验就无法顺利完成。 (7) 使用电抗器时要注意其通过的电流不要超过1A，保证线性。,九、注意事项,控制角为0度时的波形 控制角为30度时各点的波形 控制角为60度时各点的波形,结束,谢谢!,

9、1.6 电力电子器件器件的驱动,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述 1.6.2 晶闸管的触发电路 1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控

10、制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,分类,1.6.2 晶闸管的触发电路,作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管

11、触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,t,图1-26 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,晶闸管的触发电路,1.6.2 晶闸管的触发电路,V1、V2构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。,图1-27 常见的

12、晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,(1) GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。,图1-28 推荐的GTO门极电压电流波形,1) 电流驱动型器件的驱动电路,正的门极电流,5V的负偏压,GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路,1.6.3 典型全控型

13、器件的驱动电路,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,图1-30 理想的GTR基极驱动电流波形,(2) GTR,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,图1-31 GTR的一种驱动电路,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 为快速建

14、立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。,2) 电压驱动型器件的驱动电路,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,(1) 电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离和晶体管放大电路两部分,图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路,专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和

15、-10V。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,(2) IGBT的驱动,图1-33 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,多采用专用的混合集成驱动器。,1.7 电力电子器件器件的保护,1.7.1 过电压的产生及过电压保护 1.7.2 过电流保护 1.7.3 缓冲电路,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压：主要来自

16、电力电子装置内部器件的开关过程 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,过电压保护措施,图1-34 过电压抑制措施及配置位置 F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路

17、 RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路,电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,1.7.2 过电流保护,过电流过载和短路两种情况 保护措施,同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。,图1-37 过电流保护措施及配置位置,1.7.2 过电流保护,全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。 短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。 对重要的且易发

18、生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。,快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种,1.7.3 缓冲电路,关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。,缓冲电路(Snubber

19、 Circuit) ： 又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。,1.7.3 缓冲电路,缓冲电路作用分析 无缓冲电路： 有缓冲电路：,图1-38 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路 b) 波形,图1-39 关断时的负载线,1.7.3 缓冲电路,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,图1-38 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路,其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,图1-40 另外两种常用的缓冲电路 RC吸收电路 放电阻止型RCD吸收电

20、路,1.8电力电子器件器件的串联和并联使用,1.8.1 晶闸管的串联 1.8.2 晶闸管的并联 1.8.3 电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,1.8.1 晶闸管的串联,问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。 动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。,目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。,1.8.1 晶闸管的串联,静态均压措施： 选用参数和特性尽量一致的器件。 采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。,图1-41 晶闸管的串联 a)

21、伏安特性差异 b) 串联均压措施,动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件。 用RC并联支路作动态均压。 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。,1.8.2 晶闸管的并联,问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。 均流措施： 挑选特性参数尽量一致的器件。 采用均流电抗器。 用门极强脉冲触发也有助于动态均流。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。,目的：多个器件并联来承担较大的电流,1.8.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点,Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的

22、器件并联。 电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。 IGBT并联运行的特点 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。 在以上的区段则具有正温度系数。 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。,电力MOSFET并联运行的特点,图1-42 电力电子器件分类“树”,本章小结,主要内容 全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。 集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。,电力电子器件类型归纳 单极型：电力MOSFET和SIT 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH 复合型：IGBT和MC

23、T,分类：DATASHEET,本章小结,特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。 电流驱动型：双极型器件中除SITH外 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。,电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH,本章小结,IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。 光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。 功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。,当前的格局:,