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1、机电传动控制教案机电传动控制教案本讲稿第一页，共五十页10.1 电力半导体器件电力半导体器件10.1.1 晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier SCR）：）：60年代发展起来的年代发展起来的一种电力半导体器件，是一种可控制的硅整流元件，又称可控硅。一种电力半导体器件，是一种可控制的硅整流元件，又称可控硅。1.晶闸管的结构和符号：晶闸管的结构和符号：4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结阳极阳极A、阴极、阴极K、控制极、控制极(门极门极)G阴极阳极控制极控制极200A本讲稿第二页，共五十页2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理综上所述，可得
2、下面的结论：综上所述，可得下面的结论：v阳极和控制极与阴极间都必须加正向电压，晶闸管才能导通阳极和控制极与阴极间都必须加正向电压，晶闸管才能导通。v晶闸管导通后，控制极失去作用。晶闸管导通后，控制极失去作用。v欲使晶闸管关断，必须使阳极正向电压降到一定值（或断开，或反向）欲使晶闸管关断，必须使阳极正向电压降到一定值（或断开，或反向）强烈的正反馈强烈的正反馈触发导通过程触发导通过程不超过几微秒不超过几微秒导通后阳极与阴导通后阳极与阴极间管压降为极间管压降为1V左右左右晶闸管晶闸管PN结结可通过几十安可通过几十安几千安电流几千安电流本讲稿第三页，共五十页晶闸管工作实验图晶闸管工作实验图本讲稿第四页
3、，共五十页0UI正向漏电流正向漏电流If正向阻断状态正向阻断状态(断态断态)断态不重复峰值电断态不重复峰值电压压导通状态（导通状态（通态通态）反向漏电流反向漏电流Ir反向转折电压反向转折电压导通时电流大小由限流电阻决定导通时电流大小由限流电阻决定维持电流维持电流正向特性：电压为正向特性：电压为A，K反向特性反向特性管压降管压降3.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性晶闸管阳极电压与阳极电流的关系晶闸管阳极电压与阳极电流的关系实际规定：阳极阴极之间加实际规定：阳极阴极之间加6伏直伏直 流电流电压压时，使元件导通的控制极最小电流时，使元件导通的控制极最小电流(电压电压)称为称为触发电流触发电流(电压电
4、压)。正向转折电压正向转折电压本讲稿第五页，共五十页4.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM控制极断路，晶闸管正向阻断条件下控制极断路，晶闸管正向阻断条件下，可重复可重复加在晶闸管两端的正向峰加在晶闸管两端的正向峰值电压。其数值规定为比正向转折电压小值电压。其数值规定为比正向转折电压小100伏。伏。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM控制极断路时控制极断路时，可重复加在晶闸管两端的，可重复加在晶闸管两端的反向反向峰值电压。其电压数值规定峰值电压。其电压数值规定为比反向击穿电压小为比反向击穿电压小100伏。伏。选晶闸管时，电压参数应超出正常工作峰值电压的选
5、晶闸管时，电压参数应超出正常工作峰值电压的23倍，作为安全裕量。倍，作为安全裕量。维持电流维持电流IH在在控制极断路控制极断路及及规定的环境温度规定的环境温度下，维持元件继续导通的最小电流。下，维持元件继续导通的最小电流。一般为几十毫安几百毫安。数值与温度成反比。一般为几十毫安几百毫安。数值与温度成反比。额定通态平均电流额定通态平均电流(额定正向平均电流，简称额定电流额定正向平均电流，简称额定电流)IT在环境温度不大于在环境温度不大于40、标准散热、晶闸管全导通条件下，晶闸管元、标准散热、晶闸管全导通条件下，晶闸管元件可以连续通过的件可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值工频正弦半波电流的平均
6、值。本讲稿第六页，共五十页K=Ie/IT1.57Ie=1.57ITK称为波形系数称为波形系数(与电路结构和导通角有关与电路结构和导通角有关)。额定电流为额定电流为100A的晶闸管，能通过电流的的晶闸管，能通过电流的有效值为有效值为157A。流过器件的电流的有效值表征器件发热情况流过器件的电流的有效值表征器件发热情况电流的有效值电流的有效值/电流的平均值电流的平均值=K在额定情况下，波形系数为在额定情况下，波形系数为1.57本讲稿第七页，共五十页晶闸管额定电流选择原则：晶闸管额定电流选择原则：根据根据电流有效值电流有效值相等的原则，允许流过晶闸管的相等的原则，允许流过晶闸管的实际电流有效值实际电
7、流有效值等于等于额定电流时的电流额定电流时的电流有效值有效值。一般，留一定余量一般，留一定余量 IT(1.52)Ie/1.57例：通过晶闸管的电流波形如图示，试确定晶闸管额定电流。例：通过晶闸管的电流波形如图示，试确定晶闸管额定电流。先根据波形图求实际电流有效值先根据波形图求实际电流有效值再根据上式求出额定电流。再根据上式求出额定电流。本讲稿第八页，共五十页6.晶闸管的主要优缺点晶闸管的主要优缺点小功率输入控制大功率输出。小功率输入控制大功率输出。几十毫安一百多毫安；几十毫安一百多毫安；2V4V几十安几十安几千安；几百伏几千伏几千安；几百伏几千伏控制灵敏，反应快。（晶闸管导通截止时间都在微秒级
8、）控制灵敏，反应快。（晶闸管导通截止时间都在微秒级）损耗小，效率高。（晶闸管导通时压降在损耗小，效率高。（晶闸管导通时压降在1V左右，总效率可达左右，总效率可达97.5%以上，而一般机组效率为以上，而一般机组效率为85%）体积小，重量轻。体积小，重量轻。过载能力弱。过载能力弱。抗干扰能力差抗干扰能力差对电网和周围用电设备干扰大。对电网和周围用电设备干扰大。控制电路较复杂控制电路较复杂5.晶闸管的型号及其含义晶闸管的型号及其含义国产型号表示：国产型号表示：3CT/三个电极三个电极N型硅材料型硅材料可控整流元件可控整流元件额定通态平均电流额定通态平均电流断态重复峰值电压断态重复峰值电压本讲稿第九页
9、，共五十页10.1.2 其他电力半导体器件其他电力半导体器件一、双向晶闸管（一、双向晶闸管（TRIACTRIAC）双方向均可由控制极触发导通双方向均可由控制极触发导通 相当于两只普通的晶闸管反并联，故称为双向晶闸管相当于两只普通的晶闸管反并联，故称为双向晶闸管或交流晶闸管。或交流晶闸管。本讲稿第十页，共五十页二、可关断晶闸管（二、可关断晶闸管（GTOGTO）三、功率晶体管（三、功率晶体管（GTRGTR）在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为功率晶体管在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为功率晶体管 目前现有的功率晶体管的电压和电流额定值还没有晶闸管那么高目前现有的功率晶体管的电压和电流额定值还
10、没有晶闸管那么高 四、大功率二极管四、大功率二极管 亦即整流二极管，是指能在很高的室温下工作的硅整流元件。亦即整流二极管，是指能在很高的室温下工作的硅整流元件。在门极加正脉冲电流能导通，加负脉冲电流就能关断的元件。在门极加正脉冲电流能导通，加负脉冲电流就能关断的元件。本讲稿第十一页，共五十页10.2单相可控整流电路单相可控整流电路可控整流电路：一种把交流电源电压变换成大小可调的直流电压的电路可控整流电路：一种把交流电源电压变换成大小可调的直流电压的电路整流主电路整流主电路交流电源交流电源控制电路控制电路负载负载单相、三相、多相单相、三相、多相半波、零式、桥式半波、零式、桥式电阻负载电阻负载电感
11、负载电感负载反电势负载反电势负载可控整流电路一般结构：可控整流电路一般结构：本讲稿第十二页，共五十页10.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路1）工作原理：）工作原理：1.带电阻性负载的单相半波可控整流电路带电阻性负载的单相半波可控整流电路 tu2 tuG tud tuT 控制角。晶闸管承受正向电压的起点到触发脉冲的作用点之间的电角度。移相范围：控制角。晶闸管承受正向电压的起点到触发脉冲的作用点之间的电角度。移相范围：0 导通角。晶闸管在一周时间内导通的电角度。导通角。晶闸管在一周时间内导通的电角度。的变化范围：的变化范围：0 u1u2uTudAGKRLiduGid本讲稿第十三页，共
12、五十页2）数量关系：）数量关系：tud tuT晶闸管承受的最大正、反向电压：晶闸管承受的最大正、反向电压：2 本讲稿第十四页，共五十页2.2.带电感性负载的单相半波可控整流电路带电感性负载的单相半波可控整流电路负载的感抗负载的感抗 L和电阻和电阻R的大小相比不可忽略时，称为的大小相比不可忽略时，称为电感性负载。电感性负载。电感负载整流电路的特点：电感负载整流电路的特点：v整流电压波形出现负值部分，导致输出直流电压减整流电压波形出现负值部分，导致输出直流电压减小。（小。（L越大，负半周导通时间越长。当越大，负半周导通时间越长。当LR时，时，晶闸管正、负半周的导通时间几乎相等。这时，整晶闸管正、负
13、半周的导通时间几乎相等。这时，整流电压平均值趋近于零。）流电压平均值趋近于零。）v -，即电源电压为负时晶闸管仍然可，即电源电压为负时晶闸管仍然可能继续导通。能继续导通。L越大，越大，越大。越大。vL使输出电流波形峰值降低，导通时间延长，使输出电流波形峰值降低，导通时间延长，波形变平稳。波形变平稳。工作原理：工作原理：流过电感中的电流变化时，电感产生自感电势阻止其变化。从而流过电感中的电流变化时，电感产生自感电势阻止其变化。从而使电感中电流不能突变，总是滞后于电压。（使电感中电流不能突变，总是滞后于电压。（id增加时，增加时，el上正下上正下负；负；id减少时，减少时，el上负下正上负下正）本
14、讲稿第十五页，共五十页3.续流二极管的作用续流二极管的作用Ud、与电阻负载时一样，与电阻负载时一样，Id有很大不同。有很大不同。若若LR，id 的脉动很小。近似看成一条直线。的脉动很小。近似看成一条直线。如果某电阻负载要求很平稳的直流电流，如果某电阻负载要求很平稳的直流电流，可串接一大电感，再并一续流管。可串接一大电感，再并一续流管。晶闸管电流晶闸管电流二极管电流二极管电流负载电流负载电流晶闸管两端电压晶闸管两端电压为了使大电感负载时，整流输出电压不出现负值，提高输为了使大电感负载时，整流输出电压不出现负值，提高输出平均电压，可在大电感负载两端并一续流二极管。出平均电压，可在大电感负载两端并一
15、续流二极管。本讲稿第十六页，共五十页10.2.2单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路1.单相半控桥式可控整流电路单相半控桥式可控整流电路1)电阻性负载电阻性负载是单相半波整流时的两倍是单相半波整流时的两倍晶闸管承受的最大正、反向电压：晶闸管承受的最大正、反向电压：本讲稿第十七页，共五十页2)电感性负载电感性负载 流过晶闸管的平均电流为：流过晶闸管的平均电流为：流过续流二极管的平均电流为：流过续流二极管的平均电流为：a.带电感性负载的单相半控桥式整流电路及电压、带电感性负载的单相半控桥式整流电路及电压、电流波形电流波形:本讲稿第十八页，共五十页b.晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、晶闸管串
16、联的半控桥式整流电路及电压、电流波形电流波形:流过流过V1、V2的平均电流为：的平均电流为：本讲稿第十九页，共五十页C.只用一只晶闸管的单相桥式整流电路只用一只晶闸管的单相桥式整流电路:本讲稿第二十页，共五十页3)反电势负载反电势负载为了平滑电流的脉动，串电抗器。为了平滑电流的脉动，串电抗器。小，小，id严重不连续。严重不连续。电源电压的瞬时值电源电压的瞬时值反电势，同时又有反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通。触发脉冲时，晶闸管才能导通。负载两端电压平均值比电阻性负载时负载两端电压平均值比电阻性负载时高。高。a.带反电势负载的单相半控桥式整流电路及电压、电带反电势负载的单相半控桥式整流
17、电路及电压、电流波形：流波形：本讲稿第二十一页，共五十页b.带反电势负载有电感滤波时的整流电路及电压、带反电势负载有电感滤波时的整流电路及电压、电流波形：电流波形：本讲稿第二十二页，共五十页2.单相全控桥式可控整流电路单相全控桥式可控整流电路 每半周触发两只晶闸管每半周触发两只晶闸管1)电阻性负载：波形与半控桥一样。电阻性负载：波形与半控桥一样。2)电感性负载：电感性负载：晶闸管承受的最大正、反向电压：晶闸管承受的最大正、反向电压：本讲稿第二十三页，共五十页n例例10.110.1一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，U UN N=0=0180V18
18、0V，电流，电流I IN N=0=010A10A，采用半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流的有效值，并，采用半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流的有效值，并选用元件。选用元件。解解：设导通角：设导通角=0 U=0 U0 0=180V,I=180V,I0 0=10A=10A 有效值有效值U=U0/0.9=180V/0.9=200VI=U/RL=220/(180V/10A)=12.2A平均电流Ivs=Iv=10A/2=5AUFM=URm=1.414U=1.414220=310VUDRM=URRM2310 600V选用3cT10/600,2cz10/300本讲稿第二十四页，共五十页10.3
19、10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n（一）电阻性负载（一）电阻性负载 1 1、(=0)(=0)本讲稿第二十五页，共五十页2.2.电阻性负载电阻性负载(0/6)(0/6)本讲稿第二十六页，共五十页3.3.电阻性负载电阻性负载(05/6)(05/6)本讲稿第二十七页，共五十页(二）电感性负载二）电感性负载本讲稿第二十八页，共五十页本讲稿第二十九页，共五十页变压器利用率低，易产生变压器铁芯饱和变压器利用率低，易产生变压器铁芯饱和本讲稿第三十页，共五十页10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相
20、桥式全控负载平三相桥式全控负载平均电压均电压U Ud d=U=Ud d阴阴+U+Ud d阳阳本讲稿第三十一页，共五十页共阴共阴Vs1,Vs3,Vs5,共阳共阳Vs2,Vs4,Vs6本讲稿第三十二页，共五十页本讲稿第三十三页，共五十页可控整流电路可控整流电路(顺变器顺变器)小结小结单相半波电路简单，指标差，只适用于小功率、要单相半波电路简单，指标差，只适用于小功率、要求不高的场合。求不高的场合。单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大,适用小适用小功率电路。功率电路。晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，适晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，适用
21、于小功率的反电势负载。用于小功率的反电势负载。三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状态。态。本讲稿第三十四页，共五十页10.4 逆逆 变变 器器n10.4.110.4.1有源逆变电路有源逆变电路n1.1.整流状态整流状态(0/2)(0/2)本讲稿第三十五页，共五十页n2.2.逆变状态逆变状态(/2)(/2)本讲稿第三十六页，共五十页n10.4.2 10
22、.4.2 无源逆变器无源逆变器n1).1).无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理本讲稿第三十七页，共五十页n2).2).单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器本讲稿第三十八页，共五十页n2.2.单相无源逆变器的电压控制单相无源逆变器的电压控制n(1)(1)控制输入直流电压控制输入直流电压n(2)(2)内部控制内部控制n脉宽控制脉宽控制本讲稿第三十九页，共五十页n脉宽调制脉宽调制n改变脉冲数改变脉冲数n改变脉冲宽度改变脉冲宽度频率、电压协调控制频率、电压协调控制(U/f(U/f保持不变保持不变)如如f f降低则保持脉冲数降低则保持脉冲数不变，间隔拉大使输岀不变，间隔拉大使输岀电压电
23、压U U降低降低本讲稿第四十页，共五十页波形的改善波形的改善本讲稿第四十一页，共五十页3.3.无源逆变器的换相（换流）无源逆变器的换相（换流）本讲稿第四十二页，共五十页3.3.无源逆变器的换相（换流）无源逆变器的换相（换流）本讲稿第四十三页，共五十页10105 5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路一、触发电路一、触发电路：向晶闸管供给触发脉冲的电路。向晶闸管供给触发脉冲的电路。二、常用的触发电路二、常用的触发电路：1 1、单结晶体管触发电路、单结晶体管触发电路2 2、小容量晶闸管触发电路、小容量晶闸管触发电路3 3、晶体管触发电路、晶体管触发电路本讲稿第四十四页，共五十页三、晶闸管对触发电路的
24、要求三、晶闸管对触发电路的要求1 1、能供给、能供给足够大的触发电压和触发电流足够大的触发电压和触发电流。一般要求触发电压应该在。一般要求触发电压应该在4V4V以上，以上，10V10V以下。以下。2 2、触发脉冲的、触发脉冲的宽度宽度必须在必须在10s10s以上（最好有以上（最好有20s20s50s50s）；）；3 3、不触发时，触发电路的输出电压应该小于、不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V0.15V0.20V0.20V，避免误触发避免误触发；4 4、触发脉冲的、触发脉冲的前沿要陡前沿要陡，前沿最好在，前沿最好在10s10s以下；以下；5 5、移移相相控控制制的的触触发发电电路路中
25、中，触触发发脉脉冲冲应应该该和和主主电电路路同同步步，脉脉冲冲发发出出的的时时间间应应该该能能够够平平稳稳地地前前后后移移动（移相），移相的范围要足够宽。动（移相），移相的范围要足够宽。本讲稿第四十五页，共五十页四、单结晶体管触发电路四、单结晶体管触发电路50A50A以下晶闸管组成的单相或三相半控桥式系统中广泛应用。以下晶闸管组成的单相或三相半控桥式系统中广泛应用。1、结构2、特性 本讲稿第四十六页，共五十页本讲稿第四十七页，共五十页单结晶体管的自振荡电路单结晶体管的自振荡电路 本讲稿第四十八页，共五十页单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路本讲稿第四十九页，共五十页小小 结结1重点晶闸管的导通与关断条件，可控性；晶闸管的导通与关断条件，可控性；晶闸管单相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点。晶闸管单相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点。晶晶闸闸管管额额定定通通态态平平均均电电流流IT=Ie/K(波波形形系系数数K=Ie/Id)的的含含义义(Id平平均均值值，Ie有效值有效值)n2 2难点难点n整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况；整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况；n额定通态平均电流额定通态平均电流IT T的选择；的选择；本讲稿第五十页，共五十页