电力电子变流技术.ppt

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1、晶闸管（Silicon Controlled Rectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,晶闸管基本结构,晶闸管是具有三个PN结的四层结构。,(a)外形,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,晶闸管工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,EA

2、0、EG 0,EG,晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,晶闸管工作原理,G,EA 0、EG 0,K,晶闸管导通的条件：,1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0=0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,晶闸管伏安特性,晶闸管主要参数

3、,UFRM:,正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM=80%UB0。普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V,如果正弦半波电流的最大值为Im,则,普通晶闸管IF为1A 1000A。,UF:通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。,IH:维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。一般IH为几十 一百多毫安。,UG、IG：控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电

4、压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别共九级,用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,可控整流电路,19.2.1 单相半波可控整流 1.电阻性负载,(1)电路,u 0 时：若ug=0，晶闸管不导通，,u 0 时:晶闸管承受反向电压不导通,uo=0,uT=u，故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导 通，,(2)工作原理,t1,u 0 时:可控硅承受反向电压不导通,即：晶闸管反向阻断,加触发信号，

5、晶闸管承受正向电压导通,u 0时:,O,控制角,t1,O,t2,2,导通角,(3)工作波形,=180-,(4)整流输出电压及电流的平均值,由公式可知：,改变控制角，可改变输出电压Uo。,2.电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。,在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。,O,t1,t2,2,2)工作波形(未加续流二极管),180-,iL,u 0时：D反向截止，不影响整流电路工作。,3.电感性负载(加续流二极管),+,(1)

6、电路,(3)工作波形(加续流二极管),iL,2,单相半控桥式整流电路,1.电路,2.工作原理,T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,T2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3.工作波形,2,4.输出电压及电流的平均值,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U0=0V180V,电流I0=010A。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

7、选择整流元件。,解:设在晶闸管导通角为(控制角为0)时输出电压值为最大（180V），则对应的输入交流电压有效值为最大。,实际上还要考虑电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了1800，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大10%左右，即大约为220V。因此，在本例中可以不用变压器，直接接到220V的交流电源上。,交流电流有效值：,晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压相等，即：,流过晶闸管和二极管的平均电流：,三相半波可控整流电路纯电阻性负载,控制角,电流连续，、晶闸管导通角都为120,晶闸管承受的最大反向压降为,三相半波可控整流电路纯电阻性负载,控制角30,电流

8、处于连续与断续的临界点，、晶闸管导通角仍为120,三相半波可控整流电路纯电阻性负载,控制角60,30时电流断续，、晶闸管导通角小于120,三相半波可控整流电路纯电阻性负载,控制角 30时u波形连续，整流电压平均值,30时，晶闸管电流有效值,控制角 30时u波形连续，整流电压平均值晶闸管电流有效值,三相半波可控整流电路纯电阻性负载,控制角 30时,30时，晶闸管电流有效值,控制角 30时u波形断续，整流电压平均值晶闸管电流有效值,晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值,三相桥式全控整流电路,16,不可控整流电路的自然换相点就是可控整流电路控制角的起点,任意时刻必须有两个晶闸管同时导通才能

9、构成回路，共阳极与共阴极组各有一只晶闸管导通,触发脉冲可以采用宽脉冲和双窄脉冲两种形式工作,双窄脉冲方式：给晶闸管发主触发脉冲时，给另一只配对的晶闸管也发一触发脉冲，称为辅助触发脉冲,同组晶闸管之间脉冲互差120，共阳极与共阴极组晶闸管差60，只要脉冲宽度大于60，就能构成回路，即宽脉冲方式,三相桥式全控整流电路,2.工作原理,在每一瞬间,共阴极组中阳极电位最高的晶闸管导通;共阳极组中阴极电位最低的晶闸管导通。,1.电路,VT1,RL,uo,VT6,VT3,VT5,VT4,VT2,io,C,b,a,+,共阳极组,共阴极组,在 t1 t2 期间共阴极组中a点电位最高，VT1 导通；共阳极组中b点

10、电位最低，VT4 导通。,负载两端的电压为线电压uab。,负载电压,2.工作原理,VT1,RL,VT6,VT3,VT5,VT4,VT2,io,C,b,a,在 t2 t3 期间共阴极组中a点电位最高，VT 1 导通；共阳极组中c点电位最低，VT6 导通。,负载两端的电压为线电压 uac=ua-uc。,RL,uo,io,C,b,a,u,+,+,o,负载电压,2.工作原理,变压器副边电压,VT1,VT3,VT5,VT2,VT4,VT6,在 t3 t4 期间共阴极组中b点电位最高，VT 3 导通；共阳极组中c点电位最低，VT 6 导通。,负载两端的电压为线电压ubC。,负载电压,2.工作原理,变压器副

11、边电压,RL,io,C,b,a,u,+,+,o,VT1,VT3,VT5,VT2,VT4,VT6,在 t4 t5 期间共阴极组中b点电位最高，VT3 导通；共阳极组中a点电位最低，VT2 导通。,负载两端的电压为线电压uba。,负载电压,2.工作原理,变压器副边电压,2.工作原理,结论：在一个周期中，每个晶闸管只有三分之一的时间导通（导通角为120）。,变压器副边电压,负载电压,负载两端的电压为线电压。,uo,控制角0,三相全控桥式工作原理,t,控制角60,电阻性负载,三相桥式全控 电阻性负载,控制角30,控制角60,60时电流处于连续与断续的临界点,计算Ud时，将纵轴右移30,060时,三相桥

12、式全控 电阻性负载,控制角90,60时，电流断续,60120时,移相范围为120,晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,（1）晶闸管的过流保护,1.快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，

13、切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,2.过流继电器保护,3.过流截止保护（控制保护）,在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,2.硒堆保护,（2）晶闸管的过压保护,1.阻容保护,利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。,硒堆保护(硒整流片)

14、,晶闸管元件的阻容保护,逆变电路,能够实现DC-AC变换的电路称为逆变电路。,UDDC,uO,fOAC,u,fAC,变频电路的输入与输出均为交流，电路的输出电压uO的幅值和频率fO可单独或同时调节。,变频电路,变频器一般用作电源，用于交流调速、感应加热、焊接、不间断电源及直流输电等。,逆变器可采用不同的电力电子器件，本章只介绍可关断晶闸管逆变电路。,电压型单相桥式逆变电路,1.电路,2.工作原理,令晶闸管T1、T3和T2、T4轮流导通。,3.uO的波形,UD,二极管的作用:,T2T4导通,T1T3导通,当负载为感性时，因电流 io滞后于电压uO，二极管可在晶闸管切换导通时将电感的储能反馈给电源，故称为反馈二极管。,改变晶闸管切换导通的时间即可改变输出电压的频率fO。,交流调压电路,1.电路,2.工作波形,3.输出电压有效值,简单的交流调压电路,双向二极管：只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,双向二极管,