* 第六章 电力电子技术,第二节 可控整流电路,第三节 交流调压电路,第一节电力电子器件,第四节 交流调压调频电路,第五节 直流斩波电路,本章要求： 1.掌握常用的电力电子器件的特性; 2.理解单相可控整流电路的工作原理及参数计算; 3.了解交流调压电路的工作原理; 4.理解交流调压调频电路的工作原理及应用; 5.了解直流斩波电路的工作原理;,第六章 电力电子技术,第一节电力电子器件,一、电力电子器件分类,不控器件,半控器件,全 控 器 件,第一节电力电子器件,(1)不控器件 器件导通和关断无可控的功能，如整流二极管等 (2)半控器件 通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断，如普通晶闸管(VT)等 (3)全控器件 通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关 断，如可关断晶闸管( GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效晶体管( VDMOS) 及绝缘栅双极型晶体管( IGBT),按控制信号的波形： 脉冲触发型和电平控制型两类,第一节电力电子器件,控制信号： 电流驱动型和电压驱动型两类,特点：大容量(高电压、大电流) 、较高的开关速度、较低的功率损耗、饱和压降UCE低、穿透电流ICEO小、直流电流放大系数大、耐压要高。,晶体管的主要用途是放大小功率信号,GTR、VDMOS、IGBT作为功率开关使用,二.晶闸管,晶闸管是一种大功率半导体器件,又称可控硅,优点：体积小、重量轻、耐压高、响应速度快、控制灵活及使用方便等,具有可控的单向导电性，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。,1.晶闸管的结构,G,晶闸管具有三个PN结的四层半导体结构。,(c) 结构,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,晶闸管相当于PNP和NPN的组合,2晶闸管的工作原理,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 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。,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相电压。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,3 .伏安特性,4 .主要参数,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KP300-10F表示额定正向平均电流为300A,额定电压为1000V,导通状态的平均压降为0.9V 。,（晶闸管类型）,5、特殊晶闸管 (1) 双向晶闸管,四个PN结的NPNPN五层结构的器件，它相当于上述两个晶闸管反向并联,G与A1间加触发脉冲，双向触发导通。当A2高电位，A1低电位时，加正触发脉冲，晶闸管正向导通，电流从A2流向A1；当A1为高电位，A2为低电位时，加负触发脉冲，使晶闸管反向导通，电流从A1流向A2。,(2) 可关断晶闸管,既能用门极正信号使之触发导通，又能用门极负信号使之关断。 这就是全控器件,GTO和普通晶闸管都可用两个晶体管相互作用来说明它们的工作原理,普通晶闸管门极加正信号后，两个晶体管处于深度饱和状态，门极加负信号后不能改变它的饱和状态，无法关断。GTO门极加正信号后，只能使管子处于临界导通状态，当门极加负信号后，两个晶体管的基极电流和集电极电流联锁循环减小，最后导致关断。,第二节 可控整流电路,1 .单相半波可控整流 (1)电阻性负载,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，,一.可控整流电路,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，晶闸管承受正向电压导通,u 0时:,O,接电阻负载时 单相半波可控整流电路电压、电流波形,控制角,t1,O,t2,2,导通角,工作波形,输出电压平均值,改变控制角，可改变输出电压Uo。,输出电流平均值,(2) 电感性负载,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,工作波形,u 0时： VD反向截止，不影响整流电路工作。,电感性负载加续流二极管,+,工作波形(加续流二极管),iL,2,2. 单相半控桥式整流电路,工作原理,VT1和VD2承受正向 电压。 VT1控制极加触发电压, 则VT1和VD2 通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，VT2和VD1均承受反向电压而截止。,VT2和VD1承受正向电压。 VT2控制极加触发电压, 则VT2和VD1导通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，VT1和VD2均承受反向电压而截止。,工作波形,2,输出电压及电流的平均值,两种常用可控整流电路,该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。,2. 晶闸管和负载上的电流相同。,(1),1. 该电路接入电感性负载时，VD1、VD2 便起续流二极管作用。,(2),2. 由于VT1的阳极和VT2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,与晶闸 管串联,接在输入端,接在输出端,二、晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，即使时间极短，也容易损坏器件。,1.晶闸管的过流保护,（1）快速熔断器保护,快速熔断器有三种接入方式,（2）过流继电器保护,（3）过流截止保护,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),晶闸管元件 的阻容保护,三、 单结晶体管触发电路,PN结,N型硅片,(a)结构示意图,1.单结晶体管,(a)结构示意图,(c)等效电路,(1)结构, UE UBB+UD = UP 时,PN结反偏，IE很小；,PN结导通, IE迅速增加。, 分压比(0.5 0.9),测量单结晶体管的实验电路,（2）单结晶体管的伏安特性,Ip,IV,负阻区：UEUP后， 大量空穴注入基区， 致使IE增加、UE反 而下降，出现负阻。,1） UE UP时单结管截止；,UE UP时单结管导通， UE UV时恢复截止。,单结晶体管的特点,2）单结晶体管的峰点电压UP与 外加固定电压UBB及分压比 有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电 压UP不同。,3）不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都 不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用 稍大一些， UV稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。,2 .单结晶体管振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路,单结晶体管弛张 振荡电路利用单结管 的负阻特性及RC电路 的充放电特性组成频 率可调的振荡电路。,（1）电路,（2）振荡过程分析,设通电前uC=0。,接通电源U, 电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。,当uC UP时,单结管导通,电 容C放电,R1上得到一脉冲电压。,电容放电至 uC Uv时，单结管重新关断，使ug0。,(a),(b),注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。,(c) 电压波形,3 .单结管触发的半控桥式整流电路,(1)电路,(2) 工作原理,整流削波,削 波,整流,(2) 触发电路,t,(3) 输出电压uL,O,O,问 题 ?,1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发 电路为什么接在同一个变压器上？,目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即角一样)以使输出平均电压不变。,2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？,稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生 第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。,3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？ 如何改变控制角？,根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。,改变充电时间常数即可改变控制角。 控制角变化的范围称为移相范围。,4. 电压的调节,单结晶体管触发电路,输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可 通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间 允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲 变压器副边串联二极管VD1, 可将反向电压隔开，而 并联VD2，可将反向电压短路。,第三节 交流调压电路,两只晶闸管反向并联串联在交流电路中，控制它们的正、反向导通时间，就可调节交流电压,在 正半周，将VT1触发导通，负载得到正半周电压。到负半周，将VT2触发导通，负载得到负半周电压。两管轮流导通，改变触发延迟角，可调节输出电压,异步电动机的软起动器,起动时软起动器的输出电压缓慢上升至额定值，上升时间可调节，起动平滑；停止时电压下降时间也可调节。起动时也可限定起动电流,第四节 交流调压调频电路,均匀连续改变定子绕组的供电频率，就可平滑地改变电动机的同步转速,交-交变频的输出频率只能在电网频率以下的范围内进行变化,交-直-交变频的输出频率不受电网频率的限制,电压型变频器：直流侧中，C的电容量很大， L的电 感量很小, 直流侧的电压不能突变 流型变频器：直流侧中电容器C的电容量很小， L的电感量较大, 直流侧的电流不能突变,一、交流调压调频原理 1、电压型单相桥式变频电路,晶闸管VT1 ,VT3和VT2，VT4轮流切换导通，则在负载上得到交流电压，它是一矩形波电压其频率则由晶闸管切换导通的时间来决定,负载是电感性的,反馈二极管VD1VD4将电感性能量由负载反馈回电源。,电阻性负载 则二极管中不会有电流流过，它们不起作用,二、电压型三相桥式变频电路,整流器通常是采用二极管三相桥式整流电路，输出电压UI不可调,逆变器开关元件可用晶闸管，功率晶体管( GTR)或功