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1、机电传动控制,主讲 Email: ,-第十章 晶闸管及其基本电路,本章要求,掌握晶闸管的基本工作原理,特性和主要参数的含义; 掌握几种单相和三相可控整流电路的工作原理及其在不同性质负载下的工作特点; 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.,10.1电力电子元件,1.晶闸管(SCR) 1)晶闸管的结构和特号,3个PN结的四层三端元件,2)晶闸管的工作原理,将晶闸管等效地看成是两只晶体管的组合:一只为PNP型晶体管,另一只为NPN型晶体管.中间的PN结为两管共用. 在A-K和G-K之间加上正向电压,会形成强烈的正反馈,循环下去,晶闸管就导通了.,思考题:什么是闸
2、流特性?,3)晶闸管的伏安特性,(1)伏安特性:晶闸管阳极电压与阳极电流的关系曲线. (2)伏安特性上几个点: 正向转折电压UBO(正向不重复峰值电压UDSM); 正向重复峰值电压UDRM; UDRM约为UBO的80%.,4)晶闸管的主要参数,(1)额定电压-正向或反向重复峰值电压UDRM或URRM 它的值是伏安特性中正反向转折电压的80%. 一般选择额定电压为晶闸管在电路中承受的正常峰值电压的2倍. (2)额定电流-通态平均电流IT 晶闸管额定电流是指环境温度40度,规定的冷却条件下,电阻性负载,单相正弦半波电流的平均值.,有效值,引入波形系数K=Ie/IT;在这里K=1.57,(3)维持电
3、流IH-晶闸管流过的电流小于维持电流会自动关断.,晶闸管导通条件,1阳极承受正向电压; 2控制极加上适当的正向控制极电压; 3主电路电流大于维持电流.,2)新型电力电子元件简介,(1)双向晶闸管(TRIAC),(2)可关断晶闸管(GTO),(3)功率晶体管GTR,(4)绝缘栅双极型晶体管IGBT,10.2 单相可控整流电路按交流电源的相数,电路的结构,负载的性质有不同的形式.,1.单相半波可控整流电流 .,1)电阻性负载,(1)自然换向点:阳极电压由负变正的过零点.在该点,二极管自然导通.,(2)控制角 (移相角,滞后角) 触发脉冲发出的时刻与自然换向点之间的夹角.,(3)导通角,(4)输出电
4、压平均值,U2为变压器二次侧电压有效值,(5)输出电流 Id=Ud/R,2)电感性负载,(1)特点:电感具有阻碍电流变化 的作用.当阳极电压(电源电压)过零变负时,一段时间,电感电压大于电源电压,加在晶闸管上的电压仍为正,继续维持导通.输出电压就是电源电压的包络线.于是有: 输出电压出现负值,使输出平均电压降低; 晶闸管由正变负时不能关断而失控. (2)解决方法:反向并联续流二极管.,而负载电流 Id=Ud/R,3)续流二极管的作用 接续流二极管后,输出电压波形和计算式同电阻负载;而输出电流波形有不同. 流过晶闸管的电流平均值,流过续流二极管的电流平均值:,例:单相半波可控整流电路带电阻负载,
5、已知:U2=220V,输出直流电压50V,输出直流电流20A.求(1)晶闸管的控制角;(2)电流有效值;(3)选用晶闸管,解;(1),得,(2)电流有效值,K值查表得来,(3)晶闸管允许的电流平均值,额定电压,选 KP-50/700,2.单相桥式可控整流电路,1)单相半控桥 (1)电阻性负载,(2)电感性负载带续流二极管 流过晶闸管的平均电流:,流过续流二极管的平均电流:,电感性负载,单相半控桥带电感性负载的另一种接线 晶闸管既不是共阴极组接法,也不是共阳极组接法. 这种接线可以省去续流二极管.,(3)反电势负载 如直流电动机的电枢;蓄电池. 特点:只有输出电压大于反电势 时 才有电流输出.晶
6、闸管导电时间短,电流大,一般要串电抗器来平滑电流的脉动. 输出平均电流,10.3 三相可控整流电路整流变压器一次侧接成三角形,提供三次和三的倍数次谐波的通路.,1.三相半波可控整流电路 1)电阻性负载 控制角小于或等于30度时的输出电压:,式中U2为二次侧相电压,晶闸管元件在电路中承受的最高电 压为线电压峰值,即,思考题;A相的自然换向点在哪儿?,2)电感性负载,(1)输出电压出现负值; (2)如果电感足够大,输出电流脉动小,电流波形近似一条水平线.,电感性负载,带续流二极管 (1)输出电压波形,电压平均值与控制角的关系同电阻性负载; (2)负载电流波形同电感性负载.,2.三相桥式全控整流电路
7、,电阻性负载电流连续时的输出电压,10.4 逆变器,交流-直流称整流; 直流-交流称逆变 既能整流,又能逆变的为变流器.逆变后的交流返回电网的称有源逆变; 供给负载的称无源逆变. 1.有源逆变电路 1)整流状态 电路主要工作在交流电源的正半波,.电动机电枢电流由高电位流向低电位,是负载,电动机吸收电能工作于电动状态.,2)逆变状态,电路主要工作在交流电源的负半波,电动机电枢电流由低电位流向高电位,是电源,电动机输出能量工作于发电状态.,3)实现有源逆变的条件 有对晶闸管元件施加正向电压的直流电源;控制角大于90度.,4)逆变角 为了计算方便,引入逆变角. 逆变角的变化范围:,5)有源逆变的工业
8、应用: 高压直流输电; 三相线绕式异步电动机串级调速.,整流状态 逆变状态,2.无源逆变电路,1)无源逆变电路的工作原理 单相晶闸管桥式逆变器电路如右图. 若1,4导通,输出为正; 则2,3导通,输出为负. 输出电压为交流.改变晶闸管开关的速率,就可以得到不同频率的交流电压. 思考题:在图中,晶闸管始终承受正 向电压,满足导通的第一个条件;只要触发了它,它就会一直导通.怎样关断晶闸管?,无源逆变电路,2)逆变器内部的电压控制 (1)脉宽控制 不改变逆变器输入直流电压的大小,而是改变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的方法. 不足之处:当输出电压减小时,谐波几乎和基
9、波相等.,(2)脉冲宽度调制(PWM),(3)无源逆变器的换相(换流)换相即如何关断导通的晶闸管.有负载换流和强迫换流等方法.下图为负载换流的工作过程.,10.5 晶闸管的触发电路触发脉冲应与主电路同步,脉冲前沿要陡,有一定的宽度,移相范围宽.,1.单结晶体管移相触发电路 1)单结晶体管的结构和特性 一个PN结;三个极:发射极,第一基极,第二基极(又称双基极管). (1)其结构如图 (a)所示,等效电路图如图 (c),图中A点电压为;,为分压比,其值为0.3-0.9,式中,晶闸管的触发电路,(2)单结晶体管特性曲线 峰点电压UP; 谷点电压UV; 合上直流电源E,E经RC支路对电容器C充电,当
10、电容两端的电压大于峰点电压,单结晶体管导通; 电容C经电阻R1放电,C两端电压很快下降,当低于谷点电压,单结晶体管恢复阻断; 于是在电阻R1上形成脉冲电压. 弛张振荡器的振荡周期为,(3)单结晶体管触发电路下图是一个完整的可控整流电路.注意触发电路是怎样与主电路同步的;波形图是不同控制角时的电压和电流波形.,10.6晶闸管的串并联和保护,1.晶闸管的串并联电路 1)串联-均压,2)并联-均流,2.晶闸管的保护晶闸管的保护分为过电压保护,过电流保护,电压上升率保护,电流上升率保护.,1)过电压保护 (1)阻容保护:可以分别装在交流侧,直流侧,元件侧;也可以同时都装设. 电阻,电容的选择按经验进行
11、,或者查相关的表. (2)专门用于过电压保护的压敏电阻. (3)硒堆保护,2)过电流保护 过电流保护的方式有: 1.快速熔断器; 2.快速开关; 3. 过流继电器; 4.脉冲迅速后移, 使晶闸管的导通角减,小 或停止触发.,例:一台车床主轴调速系统,由SCR-M供电.直流电动机的额定参数 为:UN=220V,IN=40A,PN=7.5kW,nN=1500r/min.采用三相半控桥式可控整流电路.380V交流电经三角形/星形变压器降压供电.求:(1)变压器二次侧相电压,相电流,容量;(2)选择晶闸管元件.,解: (1)由式,考虑控制角为0时,输出电压取最大值,因此,以控制角为0代入得: U2=220/2.34=94V 考虑变压器,电抗器和晶闸管的内压降等因素,取普通劳动者二次侧相电压有效值为: U2=1.1(94)=103V 变压器二次侧电流有效值,变压器容量 S=3U2I2=103(32.8)=10.1kVA,(2)每只晶闸管的导通角为120度,电路形式为三相,允许的电流平均值:,取600V.因此,晶闸管选KP-30/600,考虑安全系数,额定电压为:,晶闸管承受的最大反向电压,取30A.,考虑安全系数,晶闸管额定电流为:,思考题,