電力電子技術(shù)講義第02章

1、2）維持電流Ih在室溫下門(mén)極斷開(kāi)時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降到剛好能保持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流稱(chēng)為 維持電流Ih。維持電流與元件容量、結(jié)溫等因素有關(guān)，額定電流大的管子維持電流也大， 同一管子結(jié)溫低時(shí)維持電流增大，維持電流大的管子容易關(guān)斷。同一型號(hào)的管子其維持電流也各不相同。3）擎住電流Il在晶閘管加上觸發(fā)電壓， 當(dāng)元件從阻斷狀態(tài)剛轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就去除觸發(fā)電壓，此時(shí)要保持元件持續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流，稱(chēng)擎住電流Il。對(duì)同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)， 通常擎住電流比維持電流大數(shù)倍。4）斷態(tài)重復(fù)峰值電流 Idrm和反向重復(fù)峰值電流 IrrmIdrm和Irrm分別是對(duì)應(yīng)于晶閘管承受斷態(tài)重復(fù)峰值電壓Udrm和反向重復(fù)峰

2、值電壓Urrm時(shí)的峰值電流。它們都應(yīng)不大于表1 2中所規(guī)定的數(shù)值。5）浪涌電流ItsmItsm是一種由于電路異常情況（如故障）引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大 正向過(guò)載電流。用峰值表示，見(jiàn)表 1-2。浪涌電流有上下兩個(gè)級(jí)，這些不重復(fù)電流定額用 來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。（3）門(mén)極參數(shù)1）門(mén)極觸發(fā)電流IgT室溫下，在晶閘管的陽(yáng)極一陰極加上6V的正向陽(yáng)極電壓，管子由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)所必需的最小門(mén)極電流，稱(chēng)為門(mén)極觸發(fā)電流IgT。2）門(mén)極觸發(fā)電壓UgT產(chǎn)生門(mén)極觸發(fā)電流IgT所必需的最小門(mén)極電壓，稱(chēng)為門(mén)極觸發(fā)電壓UgT。為了保證晶閘管的可靠導(dǎo)通，常常采用實(shí)際的觸發(fā)電流比規(guī)定的觸發(fā)電流大。（4）動(dòng)態(tài)參數(shù)1）斷態(tài)

3、電壓臨界上升率 du/ dtdu/dt是在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽(yáng)極電壓上 升率。實(shí)際使用時(shí)的電壓上升率必須低于此規(guī)定值（見(jiàn)表 1 - 2）。限制元件正向電壓上升率的原因是：在正向阻斷狀態(tài)下，反偏的J2結(jié)相當(dāng)于一個(gè)結(jié)電容，如果陽(yáng)極電壓突然增大，便會(huì)有一充電電流流過(guò)J2結(jié)，相當(dāng)于有觸發(fā)電流。若 du/dt過(guò)大，即充電電流過(guò)大，就會(huì)造成晶閘管的誤導(dǎo)通。所以在使用時(shí)，采取保護(hù)措施，使它不 超過(guò)規(guī)定值。2）通態(tài)電流臨界上升率 di/ dtdi/dt是在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。其允許值 見(jiàn)表1 2。如果陽(yáng)極電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通

4、時(shí)，會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū) 域內(nèi)，造成J2結(jié)局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。因此，在實(shí)際使用時(shí)要采取保護(hù)措施，使其被 限制在允許值內(nèi)。10(5)晶閘管的型號(hào)根據(jù)國(guó)家的有關(guān)規(guī)定，普通晶閘管的型號(hào)及含義如下:課題二單相可控整流電路,單相半波可控整流電路1 .電阻性負(fù)載如圖1-9單相半波可控整流調(diào)光燈主電路， 實(shí)際上就是負(fù)載為阻性的單相半波可控整流 電路，對(duì)電路的輸出波形 Ud和晶閘管兩端電壓波形 UT的分析在調(diào)試及修理過(guò)程中是非常重 要的。在假設(shè)主電路和觸發(fā)電路均正常工作，下面進(jìn)行電路分析。圖1-9負(fù)載為阻性的單相半波可控整流電路在圖1-9單相半波可控整流電路中，整流變壓器起變換電壓和隔離的作

5、用，其一次和二次電壓瞬時(shí)值分別用 U1和U2表示，二次電壓 U2為50Hz正弦波，函數(shù)表達(dá)式為：u2 2U2 sin t當(dāng)接通電源后，便可在負(fù)載兩端得到脈動(dòng)的直流電壓，其輸出電壓的波形可以用示波 器進(jìn)行測(cè)量。(1)工作原理在分析電路工作原理之前，先介紹幾個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)和概念?？刂平?：控制角 也叫觸發(fā)角或觸發(fā)延遲角，是指晶閘管從承受正向電壓開(kāi)始到觸 發(fā)脈沖出現(xiàn)之間的電角度。導(dǎo)通角e :是指晶閘管在一周期內(nèi)處于導(dǎo)通的電角度。移相：移相是指改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變控制角的大小。移相范圍：移相范圍是指一個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)脈沖的移動(dòng)范圍，它決定了輸出電壓的變化 范圍。1) = 0。時(shí)的波形分析圖1 10是

6、 =0。時(shí)實(shí)際電路中輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形。圖1-10 (a)所示為=0。時(shí)負(fù)載兩端(輸出電壓)的理論波形。從理論波形圖中我們可以分析出，在電源電壓 U2正半周區(qū)間內(nèi)，在電源電壓的過(guò)零點(diǎn)，即：=0。時(shí)刻加入觸發(fā)脈沖觸發(fā)晶閘管 VT導(dǎo)通，負(fù)載上得到輸出電壓Ud的波形是與電源電壓 U2相同形狀的波形；當(dāng)電源電壓 U2過(guò)零時(shí)，晶閘管也同時(shí)關(guān)斷，負(fù)載上得到的輸出電壓Ud為零；在電源電壓U2負(fù)半周內(nèi)，晶閘管承受反向電壓不能導(dǎo)通，直到第二周期=0。觸發(fā)電路再次施加觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管再次導(dǎo)通。圖1-8 (b)所示為=0。時(shí)晶閘管兩端電壓的理論波形圖。在晶閘管導(dǎo)通期間，忽略晶閘管的管壓降，UT =

7、 0,在晶閘管截止期間，管子將承受全部反向電壓。(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1-100O時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形2) 30°時(shí)的波形分析改變晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，即控制角的大小即可改變輸出電壓的波形，圖 1-11 (a)所示為 30°的輸出電壓的理論波形。在30°時(shí)，晶閘管承受正向電壓，此時(shí)加入觸發(fā)脈沖晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載上得到輸出電壓Ud的波形是與電源電壓 Ud相同形狀的波形；同樣當(dāng)電源電壓U2過(guò)零時(shí)，晶閘管也同時(shí)關(guān)斷，負(fù)載上得到的輸出電壓Ud為零；在電源電壓過(guò)零點(diǎn)到30°之間的區(qū)間上，雖然晶閘管已經(jīng)承受正向電壓，但由于沒(méi)有觸發(fā)脈沖

8、，晶閘管依然處于截止?fàn)顟B(tài)。圖1-11 (b)所示為30°時(shí)晶閘管兩端的理論波形圖。其原理與0°相同。12(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1 1130°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形圖1-11所示為30°時(shí)實(shí)際電路中用示波器測(cè)得的輸出電壓和晶閘管兩端電壓波形，可與理論波形對(duì)照進(jìn)行比較。將示波器探頭的接于白熾燈兩端，調(diào)節(jié)旋鈕"t/div”和“ v/div"，使示波器穩(wěn)定顯示至少一個(gè)周期的完整波形，并且使每個(gè)周期的寬度在示波器上顯示為六個(gè)方格(即：每個(gè)方格對(duì)應(yīng)的電角度為60°),調(diào)節(jié)電路，使示波器顯示的輸出電壓的

9、波形對(duì)應(yīng)于控制角的角度為，如圖1-12 (a)所示，可與理論波形對(duì)照進(jìn)行比較。將示波器探頭的測(cè)試端和接地端接于晶閘管兩端，測(cè)試晶閘管在控制角的角度為30。時(shí)兩端電壓的波形，如圖 1-12 (b)所示，可與理論波形對(duì)照進(jìn)行比較。(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形30°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實(shí)測(cè)波形圖 1 123)其他角度時(shí)的波形分析為 60°、90°、120° 時(shí)輸繼續(xù)改變觸發(fā)脈沖的加入時(shí)刻，我們可以分別得到控制角出電壓和管子兩端的波形，如圖113、1 14、1 15、1-16、1-17、1-18 所示分別為理論波形和實(shí)測(cè)波形。其原理請(qǐng)自行分

10、析。13(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1 1360o時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形(a)(b)(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1 1460°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實(shí)測(cè)波形,Ln ;p(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1 1590°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形14(a)(b)(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1 1690°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實(shí)測(cè)波形(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端電壓波形圖1 17120°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形(b)(a)輸出電壓波形(b)晶閘管兩端

11、電壓波形圖1 18120°時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的實(shí)測(cè)波形由以上的分析和測(cè)試可以得出:15 在單相整流電路中，把晶閘管從承受正向陽(yáng)極電壓起到加入觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通之間的 電角度 稱(chēng)為控制角，亦稱(chēng)為觸發(fā)延遲角或移相角。晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)的 電角度用 表示，稱(chēng)為導(dǎo)通角，且。 在單相半波整流電路中，改變的大小即改變觸發(fā)脈沖在每周期內(nèi)出現(xiàn)的時(shí)刻，則Ud和id的波形也隨之改變，但是直流輸出電壓瞬時(shí)值Ud的極性不變，其波形只在 U2的正半周出現(xiàn)，這種通過(guò)對(duì)觸發(fā)脈沖的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制直流輸出電壓大小的控制方式稱(chēng)為相位控 制方式，簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。 理論上移相范圍0°180°

12、;。在本課題中若要實(shí)現(xiàn)移相范圍達(dá)到0°180°,則需要改進(jìn)觸發(fā)電路以擴(kuò)大移相范圍。（2）基本的物理量計(jì)算1）輸出電壓平均值與輸出電流平均值的計(jì)算：Ud17tL1 cos2U2Sin td( t) 0.45U 22/2IdU dU 2 1 cosd 0.45 2-RdRd 2可見(jiàn)，輸出直流電壓平均值Ud與整流變壓器二次側(cè)交流電壓U2和控制角 有關(guān)。當(dāng)U2給定后，Ud僅與 有關(guān)，當(dāng)=0°時(shí)，則Ud0=0.45 U2,為最大輸出直流平均電壓。當(dāng)=0°時(shí)，Ud=0o只要控制觸發(fā)脈沖送出的時(shí)刻，Ud就可以在00.45 U2之間連續(xù)可調(diào)。2）負(fù)載上電壓有效值與電流有

13、效值的計(jì)算：根據(jù)有效值的定義，U應(yīng)是Ud波形的均方根值，即U"（匿U2Sin t）2d（ t） U2J22冗 4冗負(fù)載電流有效值的計(jì)算：| U2 s sin 2Rd '1 2n 4n3）晶閘管電流平均值IdT和有效值It與管子兩端可能承受的最大電壓：在單相半波可控整流且為阻性負(fù)載的電路中，因?yàn)榫чl管與負(fù)載串聯(lián)， 所以負(fù)載電流的 平均值就是流過(guò)晶閘管電流的的平均值，負(fù)載電流的有效值也就是流過(guò)晶閘管電流的有效IdU2 1 0.45-Rd值，其關(guān)系為cos2U2 n sin 2Rd 2n 4汽由圖1 16中ut波形可知，晶閘管可能承受的正反向峰值電壓為Utm 2U24）功率因數(shù)CO

14、S。16cosP UIS U2Isin 2fjt2 2 u 4 冗例12單相半波可控整流電路，阻性負(fù)載，電源電壓壓為50V,直流輸出平均電流為 20A,試計(jì)算：U2為220V,要求的直流輸出電(1)晶閘管的控制角 。(2)輸出電流有效值。(3)電路功率因數(shù)。(4)晶閘管的額定電壓和額定電流，并選擇晶閘管的型號(hào)。解：(1)由下式計(jì)算輸出電壓為50V時(shí)的晶閘管控制角1 cosUd 0.45U222 50,cos10.45 220,求得= 90°RdUd 5017 202.5(2)當(dāng) =90。時(shí)，由下式計(jì)算得I = 44.4AIUj_ _k sin 2Rd V 2-4-(3)求得的功率因數(shù)

15、P UI 冗 sin 2 cosS U2I . 2 冗 4 冗(4)根據(jù)It(av)> (1.52) It /1.57,取2倍安全裕量，晶閘管的額定電流為 It(av)>42.456.6A, 按電流等級(jí)可取額定電流50A。晶閘管的額定電壓為An= (23)Utm=(23) <2 220=622933V ,按電壓等級(jí)可取額定電壓700V即7級(jí)。所以選擇晶閘管型號(hào)為：KP50 7。2 .電感性負(fù)載直流負(fù)載的感抗co Ld和電阻Rd的大小相比不可忽略時(shí)，這種負(fù)載稱(chēng)電感性負(fù)載。屬于 此類(lèi)負(fù)載的如：工業(yè)上電機(jī)的勵(lì)磁線圈、輸出串接電抗器的負(fù)載等。電感性負(fù)載與電阻性負(fù)載時(shí)有很大不同。為了便

16、于分析，在電路中把電感Ld與電阻Rd分開(kāi)，如圖1-19所示。我們知道，電感線圈是儲(chǔ)能元件，當(dāng)電流id流過(guò)線圈時(shí)，該線圈就儲(chǔ)存有磁場(chǎng)能量，id愈大，線圈儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量也愈大，當(dāng)id減小時(shí)，電感線圈就要將所儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量釋放出來(lái)，試圖維持原有的電流方向和電流大小。電感本身是不消耗能量的。眾所周知，能量的存放是不能突變的，可見(jiàn)當(dāng)流過(guò)電感線圈的電流增大時(shí)，Ld兩端就要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即，ul= Ld (did/dt)其方向應(yīng)阻止id的增大，如圖1-19 (a)所示。反之，id要減小時(shí)，Ld兩端感17應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)方向應(yīng)阻礙的id減小，如圖1-19 (b)所示。尺j 憂衣尺d 狀尺_(dá)X_ L(a)電流id增

17、大時(shí)Ld兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向(b)電流id減小時(shí)Ld兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向圖1-19電感線圈對(duì)電流變化的阻礙作用圖1-20所示為電感性負(fù)載在某一控制角”時(shí)的輸出電壓、電流的理論波形，從波形圖 上可以看出：圖1-20單相半波電感性負(fù)載時(shí)輸出電壓及電流波形(1)在0 期間：晶閘管陽(yáng)極電壓大于零，此時(shí)晶閘管門(mén)極沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管 處于正向阻斷狀態(tài)，輸出電壓和電流都等于零。(2)在 時(shí)刻：門(mén)極加上觸發(fā)信號(hào)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓 U2施加在負(fù)載上, 輸出電壓Ud=U2。由于電感的存在，在 Ud的作用下，負(fù)載電流id只能從零按指數(shù)規(guī)律逐漸上 升。(3)在兀時(shí)刻：交流電壓過(guò)零，由于電感的存在，流過(guò)晶閘管的

18、陽(yáng)極電流仍大于零， 晶閘管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)電感儲(chǔ)存的能量一部分釋放變成電阻的熱能，同時(shí)另一部分送回電網(wǎng)，電感的能量全部釋放完后，晶閘管在電源電壓U2的反壓作用下而截止。直到下一個(gè)周18期的正半周，即2兀十 時(shí)刻，晶閘管再次被觸發(fā)導(dǎo)通。如此循環(huán)，其輸出電壓、電流波形 如圖1 20所示。結(jié)論：由于電感的存在，使得晶閘管的導(dǎo)通角增大，在電源電壓由正到負(fù)的過(guò)零點(diǎn)也不會(huì)關(guān)斷，使負(fù)載電壓波形出現(xiàn)部分負(fù)值，其結(jié)果使輸出電壓平均值Ud減小。電感越大，維持導(dǎo)電時(shí)間越長(zhǎng)，輸出電壓負(fù)值部分占的比例愈大，Ud減少愈多。當(dāng)電感 Ld非常大時(shí)(滿足co Ld>>Rd,通常3 Ld>10Rd即可)，對(duì)于不

19、同的控制角，導(dǎo)通角 將接近2兀-2 ,這時(shí)負(fù)載上得到的電壓波形正負(fù)面積接近相等，平均電壓Ud=0。可見(jiàn)，不管如何調(diào)節(jié)控制角，Ud值總是很小，電流平均值 Id也很小，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。實(shí)際的單相半波可控整流電路在帶有電感性負(fù)載時(shí)，都在負(fù)載兩端并聯(lián)有續(xù)流二極管。3 .感性負(fù)載接續(xù)流二極管(1)電路結(jié)構(gòu)為了使電源電壓過(guò)零變負(fù)時(shí)能及時(shí)地關(guān)斷晶閘管，使Ud波形不出現(xiàn)負(fù)值，又能給電感線圈Ld提供續(xù)流的旁路，可以在整流輸出端并聯(lián)二極管，如圖 1-21所示。由于該二極管是 為電感負(fù)載在晶閘管關(guān)斷時(shí)提供續(xù)流回路，F(xiàn)T在晶閘管關(guān)斷時(shí)，該管 能為負(fù)載提供續(xù)流回 路，故稱(chēng)續(xù)流二極管圖1-21電感性負(fù)載接續(xù)流二極管時(shí)的電路作用：使負(fù)載不 出現(xiàn)負(fù)電壓(2)工作原理圖1-22所示為電感性負(fù)載接續(xù)流二極管某一控制角時(shí)輸出電壓、電流的理論波形。圖1-22電感性負(fù)載接續(xù)流二極管時(shí)輸出電壓及電流波形從波形圖上可以看出:19