第19章_电力电子技术.ppt

第19章电力电子技术,,19.1电力电子器件,19.2可控整流电路,19.3逆变电路,19.4交流调压电路,本章要求1.了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线和主要参数；2.了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形，了解单结晶闸管及其触发电路；3.了解逆变电路、变频电路和交流调压电路及斩波电路的工作原理和应用。,第19章电力电子技术,19.1电力电子器件,1不控器件器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管D。,2半控器件器件的导通可控,但关断不可控。如普通晶闸管T。,3全控器件器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断晶闸管GTO、功率晶体管GTR、功率场效晶体管VDMOS及绝缘栅双极晶体管IGBT。,19.1.1电力电子器件的分类,电力电子器件的符号,电力电子器件的主要性能指标,电压、电流、工作频率。,可关断晶闸管功率晶体管功率场效晶体管绝缘栅双极晶体管,19.1.2晶闸管,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。,优点体积小、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）。,（SiliconControlledRectifier）,1.基本结构,晶闸管具有三个PN结。,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型两个晶体管的组合,2.工作原理,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,,,EA0、EG0,A,K,G,,,,,晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,2.工作原理,EA0、EG0,G,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,,IG2IG1IG00,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,1正向重复峰值电压UDRM晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般UDRM比正向转折电压UBO低100V。,2反向重复峰值电压URRM晶闸管控制极开路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。一般URRM比反向转折电压|UBO|低100V。,3正向平均电流IF环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,,,如果正弦半波电流的最大值为Im,则,普通晶闸管IF为1A1000A。,4维持电流IH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。,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。,双向晶闸管,特点,相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。晶闸管双向触发导通。,UA2UA1时控制极相对于A1加正脉冲，uGA10，晶闸管正向导通，电流从A2流向A1。,UA2UA1时控制极相对于A1加负脉冲，uGA10时若uG0，晶闸管不导通，,u0时D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,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,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,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,两种常用可控整流电路,电路特点,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,电路特点,1.电路接入电感性负载时，二极管D1、D2起续流作用。,2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,2,19.2.2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，造成元件内部断炉或开路。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，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,在输出端直流输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硒碓保护,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。,硒碓保护硒整流片,晶闸管元件的阻容保护,19.2.3单结晶体管触发电路,,1.单结晶体管,PN结,N型硅片,a示意图,单结晶体管结构示意图及其表示符号,b符号,1结构,2工作原理,,UEUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻-负阻区。,1UEUP时单结管导通，UEUV时恢复截止。,单结晶体管的特点,2晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比有关。固定电压UBB或分压比不同，则峰值电压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25V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.单结晶体管触发电路,1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。,2振荡过程分析,设通电前uC0。,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uO0。,,,,,,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。,b电压波形,,3单结管触发的半控桥式整流电路,1整流削波,削波,整流,2触发电路,,UZ,,t,,,,,,,,,3输出电压uL,问题讨论,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,3.应用举例,1电瓶充电机电路,该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。,工作原理,,当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。,R2、RP、C、T1、R3、R4构成了单结晶体管触发电路。,当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。,触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D和电阻R1来完成的。,交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2、RP向C充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电电流。,交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电。,,19.3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。,,,,,19.3.1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。,19.3.2电压型三相桥式逆变电路,1.电路,2.工作原理,晶闸管T1T6每隔60依次触发导通，每管导通180，每一60区间有三个晶闸管导通。同一臂上的两个晶闸管不能同时导通。,三相负载,逆变电路,,,,,,,晶闸管在一个周期内导通次序,导通区间,06060120120180180240240300300360,晶闸管导通次序,T5T6T1T6T1T2T1T2T3T2T3T4T3T4T5T4T5T6,060区间,60120区间,负载相电压,负载相电压,3.负载相电压与线电压波形,相电压,线电压,相电压之间和线电压之间均相差120。,19.3.3正弦波脉宽调制,1.电路,2.工作波形,uG1,控制电压,调制电压,,uC,uS,,,电压比较器,19.4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,