1、2020/8/29,1,電力電子技術 POWER ELECTRONICS,揚州職業(yè)大學汽車與電氣工程系 * * Tel：* Email:*,2,2020/8/29,目錄,緒論 第1章電力電子器件 第2章晶閘管可控整流電路 第3章相控電路驅(qū)動控制及保護電路 第4章有源逆變電路 第5章無源逆變電路 第6章交流調(diào)壓電路 第7章直流變換電路 第8章電力電子技術的應用 第9章電力電子裝置的計算,第三章 相控電路驅(qū)動控制及保護電路,3,2020/8/29,1,2,3,4,5,6,7,4,2020/8/29,要保證用于電力系統(tǒng)或電力設備主電路中的各 種開關器件在工作過程中的安全和可靠，必須針對 器件的不同性

2、能和容量設計相應的輔助電路。包括： 驅(qū)動電路、緩沖電路和保護電路。性能優(yōu)良設計合 理的輔助電路能使開關器件工作在較理想的開關狀 態(tài)，減少開關損耗，提高器件工作可靠性。,5,2020/8/29,3.1 對觸發(fā)電路的要求,SCR導通必須的外界條件： 陽極加正向電壓，門極加正觸發(fā)信號。 當SCR導通后，門極控制信號不再起作用，直到陽 極電壓減小或反向后，陽極電流小于維持電流，晶閘管 才自行關斷。 因此，晶閘管的門極驅(qū)動電路又稱為觸發(fā)電路。,觸發(fā)電路的作用：為晶閘管提供適當?shù)拈T極觸發(fā)電壓 與觸發(fā)電流。,6,2020/8/29,晶閘管通常采用相位控制方式。,一般晶閘管變流電路的控制框圖,7,2020/8

3、/29,晶閘管的型號很多，其應用電路種類也很多，不同的晶閘管型號、不同的晶閘管應用電路對觸發(fā)信號都會有不同的具體要求。 歸納起來， 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路， 對它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求： 1. 觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。由于晶閘管觸發(fā)導通后，門極觸發(fā)信號即失去控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。,8,2020/8/29,2. 觸發(fā)脈沖應有足夠的功率。 觸發(fā)脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數(shù)值，并留 有一定的裕量。 觸發(fā)功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個 關鍵指標。 由

4、于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，隨溫度的變化 也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠 的試驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設計觸發(fā)電路的輸出電壓和電流值。 ,9,2020/8/29,ADEFGCBA區(qū)域為可靠觸發(fā)區(qū)： 當晶閘管門極施加的觸發(fā)電壓，電流在該范圍時，所有合格元件均能可靠觸發(fā)開通，則可以保證合格元件的通用性。,晶閘管門極伏安特性,圖(a)為門極伏安特性區(qū)域，0D為低阻特性，0G為高阻特性。 圖(b)為圖(a)中0ABC0的放大圖形。,10,2020/8/29,0HIJ0區(qū)域為不觸發(fā)區(qū)： 當晶閘管門極施加的觸發(fā)電壓，電流在該范圍內(nèi)時，任何合格的晶閘管元件都不會被觸發(fā)，從而確定了晶閘管

5、的抗干擾性能。,ABCJIHA區(qū)域為不可靠觸發(fā)區(qū)： 當晶閘管門極施加的觸發(fā)電壓，電流在該區(qū)域時，有的晶閘管可以觸發(fā)開通，有的則不能觸發(fā)開通。因此，觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號也不應該落在該區(qū)域中。,晶閘管門極伏安特性,11,2020/8/29,觸發(fā)電路的觸發(fā)信號必須在晶閘管門極伏安特性的 可靠觸發(fā)區(qū)。 同時要求脈沖功率不超過允許瞬時最大功率限制線和 平均功率限制線。,(2) 觸發(fā)脈沖應具有一定的寬度，觸發(fā)脈沖消失前，陽極 電流應能上升至擎住電流，保證晶閘管可靠開通。,12,2020/8/29,3. 觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡， 以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維

6、持導通。 普通晶閘管的導通時間約為6 s， 故觸發(fā)脈沖的寬度至少應有6s以上。對于電感性負載，由于電感會抵制電流上升，因而觸發(fā)脈沖的寬度應更大一些， 通常為0.51 ms。 此外，某些具體的電路對觸發(fā)脈沖的寬度會有一定的要求，如三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要求大于60或采用雙窄脈沖。 ,13,2020/8/29,4. 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍 必須滿足電路要求。 為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個陽極電壓周期都 必須在相同的控制角觸發(fā)導通，這就要求觸發(fā)脈沖的頻率與 陽極電壓的頻率一致，且觸發(fā)脈沖的前沿與陽極電壓應保持 固定的相位關系，這叫做觸發(fā)脈沖與陽極電壓同步。

7、不同的電路或者相同的電路在不同負載、不同用途時，要求的變化范圍（移相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同， 所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須能滿足實際的需要。,14,2020/8/29,觸發(fā)信號要有足夠大的觸發(fā)功率。 觸發(fā)脈沖的前沿要陡，寬度要足夠。 一般要求：脈沖前沿 t110s， 寬度 電阻性負載 tW=30s左右 大電感負載 tW=0.51ms 觸發(fā)脈沖應與主電路電壓同步。 即觸發(fā)脈沖與主電壓保持某種固定的相位關系，保證晶閘管在每周期都以相同的控制角觸發(fā)導通。 觸發(fā)脈沖應有足夠的移相范圍。,15,2020/8/29,脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。

8、不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。,圖3-1理想觸發(fā)脈沖波形 t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度 IM強脈沖幅值（3IGT5IGT） t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）,16,2020/8/29,圖3-2 常見的晶閘管觸發(fā)電壓波形,（a）為正弦波觸發(fā)脈沖信號。 前沿不陡，觸發(fā)準確性差，僅用在觸發(fā)要求不高的 場合； （b）尖脈沖。 生成較容易，電路簡單，用于觸發(fā)要求不高的場合；,17,2020/8/29,（c）矩形脈沖； （d）強觸發(fā)脈沖。 前沿陡，寬度可變，有強觸發(fā)功能，適用于大功率 場

9、合； （e）雙窄脈沖。 有強觸發(fā)功能，變壓器耦合效率高，用于控制精度 較高，感性負載的裝置； （f）脈沖列。 具有雙窄脈沖的優(yōu)點，應用廣泛。,18,2020/8/29,觸發(fā)電路的種類,分立元件觸發(fā)電路：簡單觸發(fā)電路 單結管觸發(fā)電路 正弦波觸發(fā)電路 鋸齒波觸發(fā)電路 集成觸發(fā)器： KC04移相觸發(fā)器 TC787移相觸發(fā)器 計算機控制數(shù)字觸發(fā)電路,19,2020/8/29,3.2 單結晶體管觸發(fā)電路,單結晶體管移相觸發(fā)電路是一種較簡單的觸發(fā)電路，采用 延時移相方法，主要用于小功率單相或三相半波晶閘管整 流裝置。,20,2020/8/29,N,P,結構示意圖,低參雜,高參雜,3.2.1 單結晶體管的結

10、構,發(fā)射極e、 第一基極b1、 第二基極b2，,單結晶體管或雙基極二極管。,21,2020/8/29,VD等效e和b1間的PN結，其正向壓降 VD = 0.7 V。 Rb1 表示 e 與 b1 間電阻，它隨發(fā)射極電流而變，即： IE 上升，Rb1下降。 Rb2 表示 e 與 b2 間的電阻，數(shù)值與 IE 無關。 Rbb 兩基極間電阻， Rbb = Rb1 + Rb2。 稱為分壓比， 一般在 0.3 0.8 之間。,單結晶體管圖形符號和 等效電路,22,2020/8/29,2.單結晶體管工作原理, 當Q1斷開，Q2閉合時 外加基極電壓Ubb由Rb1、 Rb1分壓，A點對b極電壓為：,23,202

11、0/8/29, 當Q1閉合，Q2斷開時（外加基極電壓Ubb=0）,24,2020/8/29,A, 當Q1、Q2均閉合時,當UE為零時，二極管承受反向電壓,IE為二極管的反向電流,當UE= UA時，IE= 0 若UE 繼續(xù)增大使PN結正向偏置，則IE變?yōu)檎螂娏?25,2020/8/29,A,當UE增大到UP，單結晶體管進入負阻工作區(qū) IE的增加只受輸入回路外部電阻的限制 截止條件：輸入回路開路或 IE很小,26,2020/8/29,指發(fā)射極電壓Ue與發(fā)射極電流Ie之間的關系曲線。 即 Ie= f（Ue）,三個工作區(qū)：截止區(qū)、負阻區(qū)、飽和區(qū),單結管的導通條件：UeUP（峰點電壓）,單結管的關斷條

12、件：UeUV 單結管具有負阻特性，即Ue /Ie 0,3.伏安特性,27,2020/8/29,(1)截止區(qū)，當UE UA+UD,PN結反偏， IE很小,當UE增加到PN結導通的峰點 電壓 UP ，單結晶體管將進入 導通狀態(tài)。,28,2020/8/29,(2)負阻區(qū)，當UE UP,PN結導通， IE顯著增加，同時UE下降。 由于 RB1 隨著PN結導通 急劇下降，故分壓比也下 降，又引起維持PN結導通 的UE進一步下降。 形成正反饋，一直達到 谷點V。 這段曲線表現(xiàn)出負阻特性。,29,2020/8/29,(3)飽合區(qū) 當IE IV 后RB1 不再下降， 隨IE增加UE緩慢上升 。動態(tài)電阻為正值。

13、,30,2020/8/29,單結晶體管的伏安特性 （1）當UEUP時，單結晶體管導通，IE迅速增大，UE減小， 進入負阻區(qū)。 （3）當UEUP 時導通， UEUV 時截止。,31,2020/8/29,E,D,RB2,RB1,A,RE,UE,UBB,EE,UE,Up,UV,V,IE,IV,截止區(qū),負阻區(qū),飽和區(qū),P,IP,IE,2. 當發(fā)射結電壓UEUP時, 單結晶體管導通； 若管子導通后UEUV時, 單結晶體管截止。,1. 在點P、V之間, 單結晶體管呈現(xiàn)負阻特性。,結論,B1,B2,32,2020/8/29,3.2.2 自激振蕩電路,1.電路組成,E的作用,2.工作原理,接通電源后，C先充電

14、。使uc。 當uc= UP時，單結管導通，C放電，使uc 當uc= UV時，單結管截止，C再充電。 重復以上過程。,充電,放電,設uc(0)=0,33,2020/8/29,34,2020/8/29,單結晶體管弛張振蕩電路及波形,35,2020/8/29,R,R2,R1,C,uG,UBB,電阻R2的作用是溫度補償。 無R2時，若溫度升高，則二極管的正向電壓降降低，單結晶體管的峰點電壓Up也就隨之下降，導致振蕩頻率f不穩(wěn)定。 有R2時，若溫度升高， 則RBB增加，進而使UBB增加。峰點電壓Up基本維持不變，保證振蕩頻率f基本穩(wěn)定。 通常R2 取200600 。,36,2020/8/29,充 電,R

15、,R2,R1,C,放 電,uG,uG,UBB,uG,uC,UP,UV,0,t,t,當電容放電至ucUV時單結晶體管截止,電容重新 充電。,振蕩 原理,當電容充電到ucUp時,單結晶體管導通,經(jīng)R1放電;,循環(huán)往復,在電阻R1上形成觸發(fā)脈沖uG 。,0,37,2020/8/29,充= ReC 放=（R1+Rb1）C,振蕩周期 T= t充+t放t充= ReCln,(充 放 ),振蕩頻率 f =,調(diào)節(jié)Re即可改變振蕩頻率。 當Re 時，f，脈沖密度 ；反之，減小。當,Re阻值必須合適,38,2020/8/29,Re的選?。?Re必須保證當ue=UP時，充電電流IP, Re必須保證當ueUV時， Ie

16、 IV,39,2020/8/29,例3-1 單結晶體管自激振蕩電路，管子型號：BT-35B， IP=4A，分壓比 =0.6，UV=3.5A，IV=2mA，U=20V。 求： Re的范圍； C 取0.22F時的振蕩頻率 f 的調(diào)節(jié)范圍。 解：,40,2020/8/29,41,2020/8/29,3.2.3 單結晶體管同步觸發(fā)電路,主電路,控制電路, uo , u21 , u22 , uG , uz , uC ,42,2020/8/29,2）同步電路 觸發(fā)信號和電源電壓在頻率和相位上相互協(xié)調(diào)同步。 同步電路由同步變壓器、橋式整流電路VD1VD4、電阻R1及穩(wěn)壓管組成。,1）單結晶體管觸發(fā)電 路，是

17、由同步電路 和脈沖移相與形成 兩部分組成的。,43,2020/8/29,44,2020/8/29,45,2020/8/29,觸發(fā)電路,主電路,同步電源,單結管振蕩電路,主電路與觸發(fā)電路 必須接在同一電源上,電源u2同步變壓器TS 二極管整流穩(wěn)壓管削波梯形波電壓 同步電源ubb。,ubb與u2過零點時刻一致,1.同步電源ubb的獲得,46,2020/8/29,2.同步原理,主電壓u2過零時，正好ubb=0，使每半個周期電容C 總是從0開始充電。 只要UP及充一定，則C 充電達到UP的時間也就一定， 即：每半個周期發(fā)出的第一 個觸發(fā)脈沖的時間t充一 定，保證了每周期控制 角相等，即晶閘管的導 通角

18、相等，從而實現(xiàn)了 同步。,觸發(fā)電路,主電路,主電路與觸發(fā)電路 必須接在同一電源上,同步電源,單結管振蕩電路,47,2020/8/29,2.同步原理,觸發(fā)電路,主電路,主電路與觸發(fā)電路 必須接在同一電源上,1=2=3= =,同步電源,單結管振蕩電路,UV,48,2020/8/29,3.移相方法,觸發(fā)電路,主電路,主電路與觸發(fā)電路 必須接在同一電源上,Re充t充Ud,t充為uC從0充電到UP所需的時間。,充為電容C的充電時間常數(shù)；,改變可調(diào)電阻Re：,實際移相范圍只有140左右。,同步電源,單結管振蕩電路,當調(diào)節(jié)電阻Re增大時，充電時間增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻后移，即控制角增大，實現(xiàn)了移相。 ,

19、49,2020/8/29,觸發(fā)電路,主電路,主電路與觸發(fā)電路 必須接在同一電源上,同步電源,單結管振蕩電路,4 脈沖輸出 觸發(fā)脈沖由R1直接取 出，這種方法簡單、經(jīng) 濟，但觸發(fā)電路與主電 路有直接的電聯(lián)系，不安全。 可以采用脈沖變壓器輸 出來改進這一觸發(fā)電路。,50,2020/8/29,單結晶體管觸發(fā)電路的特點： 電路結構簡單，實現(xiàn)容易，且功率損耗小，但輸出脈沖窄、輸出功率小。一般只適合于單相且?guī)щ娮柝撦d的可控整流電路，觸發(fā)50A以下的小功率晶閘管。,51,2020/8/29,單相交流調(diào)壓電路（調(diào)光、調(diào)溫）,52,2020/8/29,2. 電瓶充電機電路,該電瓶充電機電路使用元件較少，線路簡單

20、，具有過充電保護、短路保護和電瓶短接保護。,53,2020/8/29,工作原理,R2、RP、C、T1、R3、R4 構成了單結晶體管觸發(fā)電路。,當待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)電路獲得所需電源電壓 開始工作。,54,2020/8/29,當電瓶電壓充到一定數(shù)值時，使得單結晶體管的峰點 電壓UP大于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結晶體管不能導通， 觸發(fā)電路不再產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，充電機停止充電。,55,2020/8/29,觸發(fā)電路和整流電路的同步由二極管D和電阻R1來完成的。, 交流電壓過零變負后，電容通過D和R1迅速放電。, 交流電壓過零變正后D截止，電瓶電壓通過R2 、RP向C 充電。,改變RP之值，可設定電瓶

21、的初始充電電流。,56,2020/8/29,3.3 同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路,相控電路： 晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小，即 控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。 為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發(fā) 角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效 的觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路。 大、中功率的變流器廣泛應用的是晶體管觸發(fā)電路， 其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多。,57,2020/8/29,58,2020/8/29,電路組成,鋸齒波觸發(fā)電路，由鋸齒波形成、同步移相環(huán)節(jié)與脈沖放大兩部分組成，具有強觸發(fā)、雙脈沖和脈沖封鎖功能，由于采用鋸齒波作為同步電壓，不直接受電網(wǎng)波動影

22、響，在中大容量晶閘管系統(tǒng)中廣泛使用。, 電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通 的電路），也可為單窄脈沖。,59,2020/8/29,（1）脈 沖 形 成 和 放 大 環(huán) 節(jié),60,2020/8/29,脈沖形成環(huán)節(jié)由V4、V5、V6構成； 放大環(huán)節(jié)由V7、V8組成。 控制電壓uc加在V4 基極上，觸發(fā)脈沖由 脈沖變壓器TP二次輸 出。,3.3.1 脈沖形成放大環(huán)節(jié),（1）脈沖形成和放大環(huán)節(jié),V4 V5 V6脈沖形成環(huán)節(jié),V7 V8脈沖放大,61,2020/8/29,當V4的基極電壓uco=0時，V4截止。 電源+15V經(jīng)R14、R15供給V5、V6基極電流，使其飽和導通。 V5集電極

23、電壓=-15V， V7、V8處于截止狀態(tài)，無脈沖輸出。 電源+15V 經(jīng)R11、C3、V5發(fā)射極、V6 、VD4對電容C3充電，充滿后電容端電壓接近30V。,（1）脈沖形成和放大環(huán)節(jié),電容C3充電過程,62,2020/8/29,uco0.7V時，V4導通。 點電位從+15V突降到 1V，由于電容C3兩端電 壓不能突變，所以V5基極 電位也突降到-30V，V5立 即截止。 V5的集電極電壓由 -15V迅速上升到2.1V時， 使得V7、V8導通，輸出 觸發(fā)脈沖。,（1）脈沖形成和放大環(huán)節(jié),電容C3放電過程,63,2020/8/29,同時電容C3由+15V經(jīng) R14、VD3、V4放電并 反向充電，使

24、V5基極電 位逐漸上升。 直到V5基極電位大于 -15V，V5又重新導通。 這時V5集電極電壓立即 降到-15V，使V7、V8 截止，輸出脈沖終止。 脈沖前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度由反向充電時間常數(shù)R14C3決定。,（1）脈沖形成和放大環(huán)節(jié),電容C3放電過程,64,2020/8/29,（1）當uc= 0, V4截止，V5、V6 飽和導通，V7、 V8截止，無脈沖輸出，同時C3被充電為30V；,（2）當 uc 0.7V ，V4 通,u5b= -30V，,V5止，V7、V8通，輸出觸發(fā)脈沖 。,工作過程,同時 C3 經(jīng)電源、R14、VD3、V4 放電和反 充電， u5bu5b- 15V, V

25、5重新導 通， V7V8止，輸出脈沖終止。,65,2020/8/29,3.3.2 鋸齒波形成、同步移相環(huán)節(jié),原理： 利用受正弦同步信號 電壓控制的鋸齒波電 壓作為同步電壓，再 與直流控制電壓uc與 直流偏移電壓ub組成 并聯(lián)控制，進行電流 疊加，控制V4實現(xiàn)的。,66,2020/8/29,電路由V1、V2、V3 和C2等元件組成， 其中V1、VZ、R3和 R4為一恒流源電路。,67,2020/8/29,工作過程,當V2截止時，恒流源V1電流 IC1 對電容C2充電，所以C2兩端的電壓uC為 uC按線性增長，即ub3按線性增長。調(diào)節(jié)電位器RP1，可以 改變C2的恒定充電電流IC1。,1.充電過程

26、,68,2020/8/29,2.放電過程,當V2導通時，因R5很小，所以C2經(jīng)R5、V2 迅速放電， 使得uC2電位迅速降到零伏附近。 當V2周期性地導通和關斷時， uC2 便形成一鋸齒波。 射極跟隨器V3的作用： 減小控制回路電流對鋸齒波電壓uC2的影響。 V4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uc、直流偏移電壓 ub三者疊加所定，它們分別通過電阻R7、R8、R9與V4基 極連接。,69,2020/8/29,根據(jù)疊加原理，分析V4基極電位時，可分別看成鋸齒波 ue3（）、控制電壓uc（+）、偏移電壓ub（）單獨作用的疊加。 V4基極斷開時，鋸齒波電壓ue3單獨作用在V4基極時： 可見， 仍為鋸齒

27、波，但斜率比ue3 低。,70,2020/8/29,同理，直流偏移電壓ub 單獨作用在V4基極時的電壓為： 控制電壓uc 單獨作用在V4基極時的電壓為： 所以， V4基極電流：,71,2020/8/29,當V4不導通時，V4的基極b4的波形由 確定。 當b4點電壓等于0.7V后，V4導通。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。 改變 便可以改變脈沖產(chǎn)生時刻，脈沖被移相。加 ub 的目 的是為了確定控制電壓 uc =0時脈沖的初始相位。 以三相全控橋為例： 當接反電勢電感負載時，脈沖初始相位應定在= 90； 當uc =0時，調(diào)節(jié)ub 的大小使產(chǎn)生脈沖的Q點對應= 90。 當uc =0時，= 90，則輸出電壓為0； 若u

28、c 為正， Q 點就向前移，控制角90度，處 于逆變狀態(tài)。,72,2020/8/29,同步 信號 為鋸 齒波 的觸 發(fā)電 路的 工作 波形,73,2020/8/29,同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器 TS、VD1、VD2、C1、R1 和晶體管V2組成。 同步變壓器TS和整流變壓器 接在同一電源上，用TS的二 次電壓來控制V2的通斷作 用，這就保證了觸發(fā)脈沖與 主電路電源同步。,3.3.3 同步環(huán)節(jié),74,2020/8/29,鋸齒波是由開關管V2控制的，也就是由V2的基極電位決定的。 同步電壓 uTS 經(jīng)二極管VD1加在V2的基極上。 當電壓波形在負半周的下降段時，因Q點為零電位，VD1 導通，電容C1

29、被迅速充電。在這一階段V2基極為反向偏 置，V2截止。,同步要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。,75,2020/8/29,在負半周的上升段，+15V電源通過R1給電容C1充電，其 上升速度比uTS 波形慢，故VD1截止，uQ為電容反向充電 波形。 當Q點電位達1.4V時，V2導通，Q點電位被鉗位在1.4V。 直到TS二次電壓的下一個負半周到來，VD1重新導通， C1放電后又被充電，V2截止。 如此循環(huán)往復，在一個正弦波周期內(nèi)，包括截止與導通兩 個狀態(tài)，對應鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源 頻率和相位完全同步，達到同步的目的?？梢钥闯鲣忼X波 的寬度是由充電時間常數(shù)R1

30、C1決定的。,76,2020/8/29,鋸齒波是由開關V2管來控制的。 V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓決定。 V2由導通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。 V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度取決于充電時間常數(shù)R1C1。,77,2020/8/29,雙窄脈沖形成,觸發(fā)電路自身在一個周期內(nèi)可輸出兩個間隔60度的脈沖，稱內(nèi)雙脈沖電路。 而在觸發(fā)器外部通過脈沖變壓器的連接得到雙脈沖稱為外雙脈沖。 本觸發(fā)電路屬于內(nèi)雙脈沖電路。 當V5、V6都導通時，V7、V8截止，沒有脈沖輸出。 只要V5、V6有一個截止，就會使V7、V8導通，有脈沖輸出。 因此

31、本電路可產(chǎn)生符合要求的雙脈沖。,78,2020/8/29,內(nèi)雙脈沖電路： V5、V6構成一個“或”門 當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出。 只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈 沖輸出。 第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uc對應的控制角產(chǎn)生。 隔60的第二個脈沖是由滯后60相位的后一相觸發(fā)單 元產(chǎn)生（通過V6）。,79,2020/8/29,在三相橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按下圖接線。 六個觸發(fā)器的連接順序是： 1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。,80,2020/8/29,圖中的X和Y為雙脈沖產(chǎn)生作用所設。 在三相橋式全控

32、電路、交流調(diào)壓電路等應用場合，都需 要雙脈沖觸發(fā)，即在觸發(fā)當前晶閘管的同時要向前一號晶 閘管補發(fā)一個觸發(fā)脈沖。 晶閘管電路在采用鋸齒波觸發(fā)器時，每一個晶閘管都配 有一套觸發(fā)電路，產(chǎn)生雙脈沖的方法是將本觸發(fā)電路的X端 與前一號觸發(fā)電路的Y端連接，這樣V4導通時不但使電路V5 截止，同時也會通過X-Y連接使前一號觸發(fā)電路的V6截止。 V5和V6為串聯(lián)連接，任何一個關斷都會使V5的集電極電位抬高，使后續(xù)電路的功率放大晶體管得到正偏壓而導通形成觸發(fā)脈沖。,81,2020/8/29,強觸發(fā),50V直流電壓，經(jīng)R19對C6充電，N點電位為50V。 當V8導通時，C6經(jīng)脈沖變壓器一次側R17、V8迅速放電，

33、形成脈沖尖峰，由于回路電阻很小，且電容C6的存儲能量有限，N點電位迅速下降。 當N點電位下降到14.3V時，VD10導通，N點電位被15V電源鉗位在14.3V，形成脈沖平臺。C5組成加速電路，用來提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。,82,2020/8/29,二極管 VD5陰極接零電位 或負電位，使V7、V8截止， 可以實現(xiàn)脈沖封鎖。 VD5用來防止接地端與負 電源之間形成大電流通路。,脈沖封鎖,83,2020/8/29,3.4 集成觸發(fā)電路,目前國內(nèi)生產(chǎn)的集成觸發(fā)器有KJ系列和KC系列，國外生產(chǎn)的有TCA系列； 下面簡要介紹由KC系列的KC04移相觸發(fā)器、KC42脈沖調(diào)制形成器和KC41C六路脈沖形成器的

34、工作原理。,84,2020/8/29,3.4.1 KC04移相集成觸發(fā)器,同步環(huán)節(jié)、移相控制、鋸齒波形成、脈沖形成與放大、脈沖分選與輸出。,組成環(huán)節(jié)：,同步環(huán)節(jié)：實現(xiàn)觸發(fā)脈沖與主電路的同步。,移相控制：實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的移相。,脈沖輸出環(huán)節(jié)中脈沖變壓器： 降低脈沖電壓而增大脈沖電流； 主電路與觸發(fā)電路之間進行電氣隔離； 多相電路中各相觸發(fā)電路之間相隔離。,85,2020/8/29,KC04型移相集成觸發(fā)電路,86,2020/8/29,1、KC04移相觸發(fā)器的主要技術指標如下： 電源電壓：DCl5V，允許波動5%； 電源電流：正電流l5mA，負電流8mA； 移相范圍： ( =30V， =l5K)；

35、脈沖寬度：400 s2ms； 脈沖幅值：13V； 最大輸出能力：100mA； 正負半周脈沖不均衡：土 ； 環(huán)境溫度：- 。,87,2020/8/29,2、內(nèi)部結構,88,2020/8/29,外引腳排列圖,各引腳電壓波形,A相,ug1,ug4,該電路在一個交流電周期內(nèi)，在1腳和15腳輸出相位差180 的兩個窄脈沖，可以作為三相全控橋主電路同一相所接的上下晶閘管的觸發(fā)脈沖，16腳接15V電源，8腳接同步電壓， 4腳形成鋸齒波，9腳為鋸齒波、偏移電壓、控制電壓綜合比較輸入。13、14腳提供脈沖列調(diào)制和脈沖封鎖控制端。,89,2020/8/29,90,2020/8/29,91,2020/8/29,2、

36、內(nèi)部結構,92,2020/8/29, 同步環(huán)節(jié) V1V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓us經(jīng)限流電阻R4加到 V1、V2的基極。 在同步電壓正半波us 0.7V時，V1導通，V4截止； 在同步電壓負半波us 0.7V時，V2、V3導通，V4截 止；只有在us0.7V時，V4導通。 鋸齒波形成 V4截止時，C1充電，形成鋸齒波的上升段， V4導通時， C1放電，形成鋸齒波的下降段， 每周期形成兩個鋸齒波，鋸齒波寬度小于180。,93,2020/8/29,2、內(nèi)部結構,94,2020/8/29, 移相環(huán)節(jié) V6及外接元件組成移相環(huán)節(jié)，基極信號是鋸齒波電壓、 偏移電壓和控制電壓的綜合。 改變V6基極電位，

37、V6導通時刻隨之改變，實現(xiàn)脈沖移相。 脈沖形成 V7等組成脈沖形成環(huán)節(jié)，平時V7導通，電容C2充電為左正右負。 V6導通時，其集電極電位突然下降，同時引起V7截止。電容C2放電并反充電為左負右正。 當V7基極電位Ube70.7V時，V7導通，V7集電極有脈沖輸出。V7集電極每周期輸出間隔180的兩個脈沖。,95,2020/8/29, 脈沖分選 V8、V12組成脈沖分選環(huán)節(jié)，脈沖分選保證同步電壓正半周 V8截止，同步電壓負半周V12截止，使得觸發(fā)電路在一周內(nèi) 有兩個相位上相差180的脈沖輸出。 KC04的同步電壓可取任意值，限流電阻R4的估算值： R4 = 同步電壓 / （12mA）,96,20

38、20/8/29,KC04移相觸發(fā)器主要用于單相或三相全控橋式裝置。 KC系列中還有KC0l，KC09等。 KJ00l主要用于單相、三相半控橋等整流電路中的移相觸發(fā)，可獲得寬脈沖。 KC09是KC04的改進型，兩者可互換，適用于單相、三相全控式整流電路中的移相觸發(fā)，可輸出兩路相位差180度的脈沖。它們都具有輸出負載能力大、移相性能好以及抗干擾能力強的特點。,97,2020/8/29,KC04的一個典型應用電路,98,2020/8/29,脈沖調(diào)制形成器電路，主要適用于三相全控橋整流電路、 三相半控、單相全控、單相半控等線路中用做脈沖調(diào)制源。,圖3-16 KC42脈沖調(diào)制形成器電路圖,3.4.2 K

39、C42脈沖調(diào)制形成器,99,2020/8/29,KC41不僅具有雙脈沖形成功能，它還具有電子開關控制封 鎖功能。,圖3-18 KC41六路雙窄脈沖形成器內(nèi)部電路及外部接線圖,3.4.3 KC41C六路雙脈沖形成器,100,2020/8/29,16引腳： 輸入KC04的6個脈沖； 1015引腳： 脈沖放大輸出； 7引腳：控制 接地，脈沖正常輸出； 懸空：無脈沖輸出。,完整的三相全控橋觸發(fā)電路 3個KC04集成塊和1個KC41C集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可。,101,2020/8/29,二、KC41C六路雙脈沖形成電路,102,2020/8/29,3.4 集成觸發(fā)電路,

40、三、集成三相觸發(fā)電路,A相,B相,C相,103,2020/8/29,3.4.4 由集成元件組成的三相觸發(fā)電路,三相六脈沖形成電路,104,2020/8/29,3.5 觸發(fā)脈沖與主電路的同步,要使晶閘管裝置得到穩(wěn)定的輸出，必須保持 各周期中控制角不變，即： 要求各晶閘管均具有相同的控制角。 為了達到這個目的，觸發(fā)脈沖和主電壓之 間必須保持頻率一致和固定的相位關系。,同步的基本概念,注意：要實現(xiàn)同步，主電壓與同步電壓必須接在同一電源上。,105,2020/8/29,反映主電壓頻率和相位的信號可以從加在晶閘管裝置 上的電源電壓獲得，讓它作用于觸發(fā)電路，使所產(chǎn)生的 觸發(fā)脈沖能同步地觸發(fā)晶閘管。 這種包

41、含主電壓頻率和相位信息的正弦交流信號us 稱為同步電壓。,系統(tǒng)組成框圖：,106,2020/8/29,為實現(xiàn)同步，必須根據(jù)被觸發(fā)晶閘管的陽極電壓u2的相 位，正確供給觸發(fā)電路特定相位的同步電壓us，以保證us 與u2具有固定的相位關系。 這種正確選擇同步電壓相位的方法，稱為晶閘管裝置 的同步或定相。,107,2020/8/29,分析三相全控橋,108,2020/8/29,圖3-19 三相全控橋中同步電壓與主電路電壓關系示意圖,109,2020/8/29,分析三相全控橋 VT1所接主電路電壓為+ua，VT1的觸發(fā)脈沖從0至180 的范圍為 t1t2。 鋸齒波的上升段為240，上升段起始的30和終

42、了的30 線性度不好，舍去不用，使用中間的180， 鋸齒波的中點與同步信號的300位置對應。 將=90確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前向后各有90 的移相范圍。 于是=90與同步電壓的300對應，也就是 =0與同步電壓的210對應。 =0對應于ua 的30的位置，則同步信號的180與 ua的0對應，說明VT1的同步電壓應滯后于ua180。 對于其他5個晶閘管，也存在同樣的對應關系。,110,2020/8/29,二、 影響定相的主要因素,1.整流變壓器與同步變壓器 的聯(lián)結組別,因同步變壓器的二次側只能采用星形聯(lián)結，故實際常用12種接法。,三相變壓器共有24種聯(lián)結組別,111,2020/8/29,1

43、12,2020/8/29,三、 定相舉例,方法：電壓矢量分析法,已知：主電路結構、觸發(fā)電路類型、TR聯(lián)結組別。,目的：求TS的聯(lián)結組別。,步驟：,1）根據(jù)已知整流變壓器TR聯(lián)結組別，畫出二次相電壓矢量 ；,2）根據(jù)觸發(fā)電路確定uSA與uA的相位關系；,3）畫出同步變壓器TS的電壓矢量 ；,4）確定同步變壓器TS的鐘點數(shù)；,5）畫出電路接線圖。,113,2020/8/29,3.5.2 防止誤觸發(fā)的措施 通?？刹捎萌缦麓胧? （1）脈沖變壓器初、次級間加靜電隔離; （2）應盡量避免電感元件靠近控制極電路; （3）控制極回路導線采用金屬屏蔽線，且金屬屏蔽線應 接“地”; （4）選用觸發(fā)電流較大的晶閘

44、管; （5）在控制極和陰極間并聯(lián)一個0.010.1F電容器， 可以有效地吸收高頻干擾; （6）在控制極和陰極間加反偏電壓。,114,2020/8/29,3.6 晶閘管的過電壓保護,晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結燒壞，造成元件損壞。 例如一只100A的晶閘管過電流為 400A 時，僅允許持續(xù) 0.02 秒，否則將因過熱而損壞。 晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。,115,2020/8/29,過電壓,外因過電壓,內(nèi)因過電壓,操作過電壓,雷擊過電壓,換相過電壓,關斷

45、過電壓,換相過電壓 晶閘管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過；當恢復阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。 關斷過電壓 全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。,116,2020/8/29,圖3-18 晶閘管關斷過電壓波形,3.6.1 晶閘管關斷過電壓及其保護,關斷過電壓 晶閘管在導通到阻斷時，電流在反向電壓作用下，會瞬間出現(xiàn)一個較大的反向電流，從而產(chǎn)生一個瞬間過電壓。 關斷過電壓可達到工作峰值電壓的56倍，所以必須采取保護措施。,117,2020/8/29,uT1,VT1由導通關斷,VT1,VT2,L,關斷過電

46、壓保護方法： 在晶閘管兩端并接 RC吸收電路，如圖,過電壓阻容吸收電路,R 一般取1030歐姆，其功率滿足：,118,2020/8/29,3.6.2 交流側過電壓及其保護,1. 交流側操作過電壓 （1）整流變壓器一次、二次繞組之間存在分布電容， 當在一次側電壓峰值時合閘，將會使二次側產(chǎn)生 瞬間過電壓。 可在變壓器二次側并聯(lián)適當?shù)碾娙莼蛟谧儔浩餍?形和地之間加一電容器，也可采用變壓器加屏 蔽層，這在設計、制造變壓器時就應考慮。 見教材P 89 圖3-24 （a）,119,2020/8/29,（2）與整流裝置相連接的其他負載切斷時，由于電流 突然斷開，會在變壓器漏電感中產(chǎn)生感應電動 勢，造成過電壓

47、; （3）當變壓器空載，電源電壓過零時，一次拉閘造成 二次繞組中感應出很高的瞬時過電壓。 見教材P 89 圖3-24 （b） 、（c） 上述兩種情況產(chǎn)生的過電壓都是瞬時的尖峰電壓， 常用阻容吸收電路或整流式阻容保護。,120,2020/8/29,過壓保護的基本原則是： 根據(jù)電路中過電壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附 加電路，當達到一定過壓值時，自動開通附加電路，使 過電壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能 量，從而使過電壓的能量不會加到主開關器件上，保護 了電力電子器件。,121,2020/8/29,圖3-20 交流側阻容吸收電路的幾種接法,122,2020/8/29,在單相變壓器次級加

48、入的并聯(lián)阻容保護電路如下圖所示。 電容、電阻的計算公式分別為 式中，S為變壓器每相平均計算容量，單位為VA； U2為變壓器二次側相電壓有效值，單位為V； io%為變壓器勵磁電流百分值，一般取410； uk%為變壓器的短路電壓百分值，一般取510。 電容的交流耐壓1.5UC，電阻的功率使用經(jīng)驗公式估算 其中， IC為正常工作時流過阻容電路的交流電流有效值； UC為正常工作時阻容兩端交流電壓的有效值。,123,2020/8/29,對于右圖所示的三相電路，變壓器二次繞組和阻容保護均采用Y接法，則電容、電阻的計算式和單相時一樣。 對于右圖所示的三相電路，變壓器二次繞組為Y接法，阻容保護為接法，那么電容

49、、電阻在用單相公式計算的基礎上要進行Y-變換，求得連接時的阻容值，即C=CY/3，R= 3RY。 對于大容量的變換器，可采用右圖所示的三相整流式阻容保護電路，C可采用體積小、容量大的電解電容，RC的作用是吸收電容上的過電壓能量。,124,2020/8/29,（4）交流側浪涌過電壓 由于雷擊或從電網(wǎng)侵入的高電壓干擾而造成晶閘管過電 壓,稱浪涌過電壓。 浪涌過電壓雖然具有偶然性，但它可能比操作過電壓高 得多，能量也特別大。 因此無法用阻容吸收電路來抑制，只能采用類似穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓原理的壓敏電阻或硒堆元件來保護.,圖3-21 硒堆保護的接法,125,2020/8/29,硒堆保護,硒堆 若干片硒整流元件

50、組成硒堆。 具有較陡的反向非線性特性，當超過轉折電壓時，反向 電流增加很快，消耗較大瞬時功率，過電壓被限制在硒 堆的反向擊穿電壓。 每片硒片的額定電壓有效值一般為2030V。 優(yōu)點：能吸收較大的浪涌能量; 缺點：長期不用反向電阻會下降。 初次使用時，必須先加50%額定電壓10min，再 加額定電壓2h，才能恢復其原有的反向伏安特性。,126,2020/8/29,硒堆：正向為二極管特性，使用時將兩組硒堆反向?qū)?，使雙向具有穩(wěn)壓管特性。,127,2020/8/29,壓敏電阻,壓敏電阻具有近似穩(wěn)壓管的伏安特性，可把浪涌電壓限制在電力電子器件允許的電壓范圍。,正常工作時漏電流很小，故損耗?。划斶^壓時，

51、可通過高達數(shù)千安的放電電流IY，因此抑制過壓的能力強。 壓敏電阻對浪涌電壓反應快，而且體積小，是一種較好的過壓保護器件；主要缺點是持續(xù)平均功率很小，如正常工作電壓超過它的額定值，則在很短時間內(nèi)就會燒毀。,壓敏電阻是一種金屬氧化物的非線性電阻，具有正、反兩個方向相同但很陡的伏安特性，如右圖所示。,128,2020/8/29,圖3-28 壓敏電阻的幾種接法,由于壓敏電阻的正、反向特性對稱，因此單相電路只需1個，三相電路用3個，連接成Y形或形，如下圖所示。,129,2020/8/29,壓敏電阻的主要參數(shù)： 額定電壓U1mA：漏電流為1mA時的電壓值； 殘壓比：UY/U1mA，其中UY為放電電流達到規(guī)

52、定值IY時的電壓； 通流容量：在規(guī)定的波形（沖擊電流前沿10s，持續(xù)時間20s）下允許通過的浪涌電流。,壓敏電阻的選用方法： 額定電壓：U1mA(1.051.1)工作電壓峰值/(0.80.9) UY：UY實際的浪涌電流。 壓敏電阻只能用做過壓保護，不能用做du/dt保護。,130,2020/8/29,3.6.3 晶閘管直流側過電壓及其保護,直流側保護可采用與交流側保護相同的方法， 阻容保護和非線性元件保護。 在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路，抑制晶閘管 關斷過電壓。,直流側阻容及壓敏電阻保護電路,131,2020/8/29,圖3-29 直流側的過電壓保護電路,132,2020/8/29,利用電容吸

53、收過電壓。其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中, 然后釋放到電阻中消耗掉。,硒碓保護 (硒整流片),晶閘管元件 的阻容保護,133,2020/8/29,避雷器擊穿對地放電，防止雷電過電壓 設置Co，抑制操作開關S通、斷時過電壓 線路上并接RC過電壓緩沖器 線路上并接壓敏電阻RV 用緩沖器抑制開關管通、斷時的過電壓,134,2020/8/29,3.7 晶閘管的過電流保護與電壓、電流上升率的限制,外因：負載過載、負載短路、電源過高或過低、 逆變失敗等。,1. 過電流的產(chǎn)生,內(nèi)因：晶閘管損壞、觸發(fā)電路故障等。,當流過晶閘管的電流大大超過其正常工作電流時， 稱為過電流。,135,202

54、0/8/29,晶閘管在規(guī)定的冷卻條件下， 通過兩倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為0.5s； 通過三倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為60ms； 通過六倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為20ms； 通過二十倍通態(tài)平均電流時，可經(jīng)受的時間為10ms。,浪涌電流ITSM,136,2020/8/29,串接交流進線電抗或采用漏抗較大的整流變壓器,過電流繼電器保護 限流與脈沖移相保護 快速熔斷器保護 直流快速開關保護,2. 保護措施,137,2020/8/29,交流進線電抗器L,在交流進線中串聯(lián)電抗器L： 利用電抗限制短路電流， 缺點：正常工作時有較大交流壓降損失。,138,2020/8/29,過電流繼電器,過電流繼電器可裝在交流側或直流側，在發(fā)生電流故障時動作，使交流斷路器或直流接觸器跳閘，實現(xiàn)保護。 缺點：動作速度較慢，幾百毫秒。,139,2020/8/29,限流與脈沖移相保護,140,2020/8/29,保護特點： 動作速度比上述任何一種過流保護電器都快。 常用于容易發(fā)生短路的設備如逆變器中。但內(nèi)部發(fā)生短路時還得靠快熔來保護。,在交流側設置電流檢測裝置，利用過電流信號去控制觸 發(fā)器，使觸發(fā)脈沖快速后移（即控制角增大）或瞬時停 止使晶閘管關斷，從而抑制了過電流。,141,2020/8/29,快熔是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保 護措施，選擇快熔時考慮： 電壓等級