1、電氣工學(xué)(電子技術(shù))教育課件第19章電力電子技術(shù)電氣電子教室，第19章電力電子技術(shù)，19.1電力電子部件，19.2控制整流電路，19.3逆變器電路，19.4交流調(diào)壓電路，本章要求：1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)，工作原理， 了解特性曲線和主要參數(shù)2 .了解單相控制整流電路的控制原理和整流電壓和電流的波形，理解單相晶閘管及其觸發(fā)電路3 .了解逆變電路、交流調(diào)壓電路和斬波電路的工作原理和應(yīng)用。 第19章電力電子技術(shù)、第19.1電力電子設(shè)備、(1)無(wú)法控制設(shè)備的接通和斷開(kāi)的功能。 例如整流二極管(d )。 (2)可以控制半控制設(shè)備的導(dǎo)通，但不能控制斷開(kāi)。 就像普通的晶閘管(t )。 (3)全控制設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)

2、閉具有可以控制的功能。 可關(guān)斷晶閘管(GTO )、功率晶體管(GTR )、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VDMOS )、絕緣柵雙極晶體管(IGBT )。 19.1.1電力電子部件的分類(lèi)、電力電子部件的符號(hào)、電力電子部件的主要性能指標(biāo)、電壓、電流、工作頻率。 19.1.2晶閘管和晶閘管是基于晶體管發(fā)展的功率半導(dǎo)體器件。 其出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件從弱電區(qū)域擴(kuò)大到強(qiáng)電區(qū)域。 晶閘管也像半導(dǎo)體二極管一樣具有單方向的導(dǎo)電性，其導(dǎo)通時(shí)間可以控制，主要用于整流、逆變器、調(diào)壓、開(kāi)關(guān)等。 優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，效率高，工作快，維護(hù)簡(jiǎn)單，操作方便，壽命長(zhǎng)，容量大(前向平均電流達(dá)千安，前向耐壓達(dá)數(shù)千伏特)。 (Silicon Con

3、trolled Rectifier )、1 .基本結(jié)構(gòu)、晶閘管具有三個(gè)PN結(jié)。 形成(c )結(jié)構(gòu)、(a )外形、晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)、正反饋過(guò)程，形成EA 0、EG 0、a、k、g、2 .工作原理、EA 0、EG 0、g、晶閘管on的條件：(1)晶閘管的陽(yáng)極電路(陽(yáng)極與陰極之間)為正向電壓(2)向晶閘管控制電路(控制極和陰極之間)施加正方向電壓或正方向脈沖(正方向觸發(fā)電壓)。 晶閘管接通后，控制就非常不起作用。 通過(guò)正反饋，晶閘管可以維持導(dǎo)通狀態(tài)。 晶閘管關(guān)斷的條件：(1)必須減小晶閘管的陽(yáng)極電流，直到不能維持正反饋效果為止。 (2)關(guān)閉陽(yáng)極電源，或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間施加反向電壓。

4、，順向特性，逆向特性，IG2 IG1 IG0，順向轉(zhuǎn)換電壓，逆向轉(zhuǎn)換電壓，順向平均電流，維持電流，3 .伏安特性，4 .主要參數(shù)，(1)順向反復(fù)峰值電壓UDRM晶閘管控制極為開(kāi)放且順向切斷的情況下，對(duì)晶閘管兩端施加的順序一般來(lái)說(shuō)，UDRM比正方向的啟動(dòng)電壓UBO低100V。 (2)在反向重復(fù)峰值電壓urm晶閘管的控制極為開(kāi)放的情況下，可重復(fù)施加到晶閘管兩端的反向峰值電壓。 一般來(lái)說(shuō)，urm比反電動(dòng)勢(shì)|UBO|低100V。 (3)正向平均電流IF的環(huán)境溫度為40C和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，可控硅全導(dǎo)通時(shí)可連續(xù)通過(guò)的商用正弦半波電流的平均值。 如果正弦半波電流的最大值為Im，則普通晶閘管IF為1A 100

5、0A。 (4)維持電流IH在規(guī)定的環(huán)境和控制極切斷時(shí)晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小電流。 晶閘管形式及其意義、導(dǎo)通時(shí)的平均電壓組共計(jì)9個(gè)階段，AI表示0.41.2V，額定電壓，百位或千位取UFRM或urm較小的，額定正向平均電流(IF )，KP5-7表示額定正向平均電流5A、額定電壓700V。 雙向晶閘管、特征：兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)連接，相當(dāng)于兩者共享一個(gè)控制極。 晶閘管雙向觸發(fā)器接通。 在UA2UA1的情況下，控制極對(duì)A1施加正脈沖，uGA1 0、晶閘管朝正方向?qū)?，電流從A2流向A1。 UA2 0時(shí)： d向反方向斷開(kāi)，不影響整流電路的動(dòng)作。電感性負(fù)載(加入續(xù)流二極管)、工作波形(加入續(xù)流二極管

6、)、iL、2、2 .單相半橋整流電路、(1)電路、(2)工作原理，T1和D2受到正向電壓。 當(dāng)T1控制極施加觸發(fā)電壓時(shí)，T1和D2導(dǎo)通，a，電壓u為正的半周期：此時(shí)，T1和D2都受到反向電壓而斷開(kāi)。 T2和D1接受正向電壓。 如果向T2控制極施加觸發(fā)電壓，T2和D1導(dǎo)通，電流的路徑為電壓u為負(fù)的半周期：b，此時(shí)，T1和D2都受到反向的電壓而斷開(kāi)。 (3)工作波形，2 )、(4)輸出電壓和電流平均值，兩種常用控制整流電路，電路特征，該電路只有晶閘管，沒(méi)有反向電壓。 2 .晶閘管和負(fù)載的電流相同。 (1)、電路的特征，1 .電路有電感性負(fù)載時(shí)，二極管D1、D2起回流作用。 2 .由于t 1的陽(yáng)極與

7、T2的陰極連接，因此兩管的控制必須施加非常獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。 (2)，19.2.2晶閘管的保護(hù)，晶閘管受到過(guò)電壓、過(guò)電流的能力差是其主要缺點(diǎn)。 由于晶閘管的熱容量小，發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度會(huì)急劇上升，PN結(jié)有可能燒損，元件內(nèi)部會(huì)切斷爐或開(kāi)放。 例如，如果100A的晶閘管的過(guò)電流是400A，則只允許0.02秒。 否則，過(guò)熱破壞的晶閘管承受過(guò)電壓的能力極其差，電壓超過(guò)其逆耐壓時(shí)，即使時(shí)間短也容易損壞。 正向電壓超過(guò)反轉(zhuǎn)電壓時(shí)，晶閘管錯(cuò)誤接通，接通后的電流變大，設(shè)備受損。 1、晶閘管的過(guò)電流保護(hù)，(1)快速保險(xiǎn)絲保護(hù)，電路上插入快速保險(xiǎn)絲。 當(dāng)電路發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)，可以在晶閘管過(guò)熱破壞前熔斷，切斷電流路徑

8、，確保晶閘管的安全。 與晶閘管串聯(lián)連接，與輸入端連接，與輸出端連接，高速保險(xiǎn)絲訪問(wèn)方式如下圖所示有3種。 (2)過(guò)電流繼電器保護(hù)，(3)過(guò)電流切斷保護(hù)，在輸出端(直流輸出)或輸入端(交流側(cè))連接過(guò)電流繼電器，電路發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)，繼電器動(dòng)作，自動(dòng)切斷電路。 在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)電路，通過(guò)過(guò)電流信號(hào)控制觸發(fā)電路。 電路發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)，檢測(cè)電路迅速后退或停止觸發(fā)脈沖，減少或立即關(guān)閉晶閘管的導(dǎo)通角。 (2)硒碓保護(hù)，2 .晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)，(1)斷路保護(hù)，用電容器吸收過(guò)電壓。 其本質(zhì)是，把成為過(guò)電壓原因的能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量，積蓄在電容器中，釋放到電阻上來(lái)消耗。硒碓保護(hù)(硒整流板)、晶閘管元件的電

9、阻保護(hù)、19.2.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、1 .單結(jié)晶體管、PN結(jié)、n型硅晶片、(a )示意圖、單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)、(b )符號(hào)、(1)結(jié)構(gòu)、(2) (1) UE UP時(shí)單線管導(dǎo)通，UE UV時(shí)返回關(guān)閉。 單結(jié)晶體管的特征是，(2)晶體管的峰值電壓UP與施加的固定電壓UBB和分壓比有關(guān)，峰值電壓UP和分壓比不同時(shí)，峰值電壓UP不同。 (3)不同的單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV相同。 谷點(diǎn)電壓約在2 5V之間。 為了增加輸出脈沖的寬度和相移范圍，經(jīng)常選擇稍大、UV小的單結(jié)晶體管。 2、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、(1)振蕩電路、單結(jié)晶體管緩和振蕩電路、單結(jié)晶體管緩和振蕩電路構(gòu)成利用單

10、結(jié)管的負(fù)電阻特性和RC電路的充放電特性可進(jìn)行頻率調(diào)整的振蕩電路。 (2)振蕩過(guò)程的分析，設(shè)通電前uC=0。 接通電源u后，電容器c通過(guò)電阻r充電。 電容電壓uC逐漸上升。 uC UP時(shí)，單線管導(dǎo)通，電容器c放電，r-1上得到脈沖電壓。 電容器向ucuv放電時(shí)，單管再次關(guān)閉為uO0。、注意： r的值太小，單線管不能斷開(kāi)，電路也不能振蕩。(b )電壓波形，(3)單線管觸發(fā)的半橋整流電路，1 )整流夾，切斷波，整流，問(wèn)題討論，1 .單線管觸發(fā)的控制整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么連接在同一變壓器上？ 目的：保證主電路和觸發(fā)器電路的電源電壓同時(shí)過(guò)零(即，兩者同步)，使電容每半周期從零充電，保證每半周

11、期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同(即，角相同)，使輸出平均電壓不變化。 2 .用觸發(fā)電路整流后，為什么要施加穩(wěn)定的壓力管？ 穩(wěn)壓管的作用：將整流后的電壓做成梯形(即夾子)，使單結(jié)管的兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定值，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖寬度和每半個(gè)周期產(chǎn)生第一個(gè)脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。 3 .在一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)發(fā)揮作用？ 如何改變控制角呢？ 根據(jù)晶閘管的特性，一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽(yáng)極電壓充分大的條件下，即使抽出觸發(fā)信號(hào)也能維持導(dǎo)通狀態(tài)。 因此，每半個(gè)周期只有第一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。 可以通過(guò)改變充電時(shí)間常數(shù)來(lái)改變控制角。 控制角變化的范圍稱(chēng)為移相范圍。 4、電壓調(diào)節(jié)

12、，3 .應(yīng)用實(shí)例，(1)電池充電電機(jī)電路，該電池充電電機(jī)電路使用部件少，布線簡(jiǎn)單，有過(guò)充電保護(hù)、短路保護(hù)和電池短路保護(hù)。 工作原理，充電的電池一進(jìn)入電路，觸發(fā)電路就獲得必要的電源電壓開(kāi)始工作。 R2、RP、c、T1、R3、R4構(gòu)成單結(jié)晶體管的觸發(fā)器電路。 如果電池電壓被充電到一定值，則單結(jié)晶體管的峰值電壓UP大于穩(wěn)定電壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結(jié)晶體管不能導(dǎo)通，觸發(fā)電路不會(huì)發(fā)生觸發(fā)脈沖，充電電機(jī)停止充電。 此外，觸發(fā)電路和控制整流電路的同步由二極管d和電阻R1進(jìn)行。 交流電壓過(guò)零后d關(guān)閉，電池電壓通過(guò)R2、RP充電到c。 通過(guò)改變RP的值，可以設(shè)定電池的初始充電電流。 當(dāng)交流電壓過(guò)零變?yōu)樨?fù)時(shí)，電容

13、器通過(guò)d和R1迅速放電。 19.3逆變器電路，能夠?qū)崿F(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為逆變器電路。 UD DC、uO、fO AC、u、f AC、逆變器電路的輸入和輸出是交流，電路的輸出電壓uO的振幅和頻率fO可以單獨(dú)或同時(shí)調(diào)節(jié)。 逆變器電路、逆變器一般用作電源，用于交流調(diào)速、感應(yīng)加熱、焊接、不間斷電源、直流輸電等。 逆變器可采用不同的電力電子元件，本章僅介紹可以關(guān)斷晶閘管的逆變器電路。19.3.1電壓型單相橋逆變器電路、1 .電路、2 .工作原理、使晶閘管T1、T3和T2、T4交替導(dǎo)通。 3. uO的波形、UD、二極管的作用：T2T4導(dǎo)通，T1T3導(dǎo)通，在負(fù)載為電感性的情況下，電流io比電壓uO延遲，因此二極管在晶閘管導(dǎo)通時(shí)能夠?qū)㈦姼械男铍姺答伣o電源，所以稱(chēng)為反饋二極管通過(guò)改變晶閘管切換為導(dǎo)通的時(shí)間，可以改變輸出電壓的頻率fO。19.3.2電壓型三相橋逆變器電路、1 .電路、2 .工作原理、晶閘管T1T6每60依次觸發(fā)接通，每60區(qū)間接通180，每60區(qū)間接通3個(gè)晶閘管。 不能同時(shí)接通同一臂的兩個(gè)晶閘管。 三相負(fù)載，逆變器電路，晶閘