机电传动控制 第8章 电力电子学基础（冯清秀）.ppt

第8章 电力电子学基础 学习要求: 掌握电力半导体器件的基本工作原理、特性和主要参数的含义； 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制； 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。 前 言 电力电子学的任务： 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 电力半导体器件 弱电 强电 华中科技大学机械学院 冯清秀 电力半导体器件根据其导通和管断的可控性可分为 由电力半导体器件和相应电路所组成的电力变换电路按功能可以分为： 可控整流电路—将固定频率、电压的交流电变为固定或可调的直流电； 交流调压电路—将固定频率、电压的交流电变为可调电压的交流电； 逆变电路—把直流电变为频率固定或可调的交流电； 变频电路—把固定频率的交流电变为频率可调的交流电； 斩波电路—把固定的直流电压变为可调直流电压； 电子开关—功率半导体工作在开关状态，可以代替继电器、接触器用于频繁开合操作的场合。 8.1半导体器件 一、不可控型开关器件 大功率二极管属于不可控开关器件 二、半控型开关器件 晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称SCR）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。 优点 ： (1)功率放大倍数可以达到几十万倍，即用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)可以控制较大的功率(电流自几十安～几千安，电压自几百伏～几千伏)， (2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级； (3) 损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右； (4) 体积小、重量轻。 缺点： (1) 过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作； (3) 导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备； (4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。 在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一 种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。 其中：A—阳极，K—阴极，G—控制极。 结构示意图 表示符号 4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结 1.晶闸管的结构和符号 2.晶闸管的工作原理 结论： 1晶闸管具有双向阻断能力 2晶闸管A、G两 极加电压才导通： 3晶闸管导通后，G极失去作用，使晶闸管再次阻断，必须将A极断电或反向. 图8.4 2.晶闸管的工作原理 主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1 瞬间合上开关S，在t4 瞬间拉开开关S。 （1）在0~t1之间: 开关S未合上，ug=0，尽管uAK0，但ud=0，即晶闸管未导通； （2）在t1~t2之间: uAK0 ，由于开关S合上，使ug0，而 ， 即晶闸管导通； （3）在 t2~t3 之间， uAK0，尽管ug0，但 ud=0，即晶闸管关断； （4）在 t3~t4 之间， uAK0，这时ug0 ,而 ，所以，晶闸管又导通； （5）当 t=t4 时， ug=0 ，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态； （6）当 t=t5 时， uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 综上所述可得出以下结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。 3.晶闸管的伏安特性 晶