【机电传动控制-辅导】(邓星钟)第10章要点

1第十章电力电子学——晶闸管及其基本电路10.1知识要点10.1.1基本内容1．晶闸管的工作原理及特性晶闸管(简称SCR)是用很小的功率控制大功率的可控整流元件，要使晶闸管导通必须在其阳极和控制极同时加正向电压，晶闸管导通以后，控制极就失去了控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，则必须把阳极正向电压降低到一定值(断开或反向)。晶闸管的伏安特性曲线是非线性的，为了正确选用晶闸管，了解它的主要参数至关重要。2．各种晶闸管可控整流电路的性能与选用由晶闸管构成的可控整流电路可以把交流电变成大小可调的直流电。晶闸管可控整流电路的共同特点是通过改变控制角来改变晶闸管的导通角，以达到改变直流输出电压的目的。但是对于不同的整流电路、不同的控制角、不同性质的负载，却使这种变换具有不同的特点和指标。各种整流电路的性能比较见表10.1。从表10.1可以看出，单相半波电路最简单，但各项指标都较差，只适用于小功率和输出电压波形要求不高的场合。单相桥式电路各项性能较好，只是电压脉动频率较大，故最适合小功率的电路。单相全波电路由于元件所承受的峰值电压较高，又需采用带中心抽头的变压器，所以较少使用。晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，各项性能较好，只用一只晶闸管，接线简单，一般用于小功率的反电势负载。三相半波可控整流电路各项指标都一般，所以用得不多。三相桥式可控整流电路，各项指标都好，在要求一定输出电压的情况下，元件承受的峰值电压最低，因此，最适合于大功率高压电路。所以一般小功2率电路应优先选用单相桥式电路，对于大功率电路，而应优先考虑三相桥式电路。只有在某种特殊情况下，才选用其他电路。例如，负载要求功率很小，各项指标要求不高，则可采用单相半波电路。至于桥式电路是选用半控桥还是全控桥，要根据电路的要求决定。如果不仅要求电路能工作于整流状态，同时还能工作于逆变状态，则选用全控桥，对于直流电动机负载一般也采用全控桥，对一般要求不高的负载，可采用半控桥。以上提出的仅是选用的一般原理，具体选用时，应根据负载性质、容量大小、电源情况、元件的准备情况等进行具体分析比较，全面衡量后再确定。3．晶闸管可控整流电路中晶闸管额定通态平均电流的选择由式Ie=1.57IT，知57.1eTIKIeI。但由于通过晶闸管的电流波形，在各种不同整流电路、不同性质的负载和不同的导通角θ是不一样的，所以波形系数K也不同，如表10.2和表10.3所示。表中m为并联支路数。例如，在单相半波电路中，当负载为纯电阻时，输出电压(即负载上电压)平均值为2cos145.0sin22122UttdUUd输出电压的有效值为22sin41sin221222UtdtUUe通过晶闸管的电流(也是负载电流)平均值为2cos145.02RURUUdd通过晶闸管的电流(也是负载电流)有效值为22sin412RURUIee波形系数2cos145.022sin412cos145.022sin4122RURUIIKde当α＝0°时，K=1.57；若α＝π/6＝30°时，K=1.66。(注意：式(10.1)中2的α要用弧度表示，30°化成弧度是30/57.3＝0.523)对一个晶闸管而言，在纯电阻负载情况下，式(10.1)也适合于单相全波(用两只SCR)、单相桥式(用两只或四只SCR)电路。在电感负载或电动机负载情况下，由于电流的连续性，按等效发热电流(有效值)选元件，故电流的波形系数K要略小一些。三相(半波、桥式)电路电感负载或电动机负载情况下，由于电流的连续性，每个晶闸管元件的导通角总是θ＝2π/3＝120°，而与控制角α无关，所以电流的波形系数K是相同的。至于在纯电阻负载情3况下，电流的波形系数K则与控制角α有关。总之，一般对各种晶闸管可控整流电路，每个晶闸管元件所允许通过的电流平均值为mKIIdT57.1（10.2）式中，Id——最大负载电流(平均电流)。Id是由晶闸管电路的输出电压Ud(平均值)算出来的，或是负载所要求的直流电流I(对有续流二极管的电路，还要减去通过续流二极管的平均电流)；K——流过晶闸管电流的波形系数；m——晶闸管电路的并联支路数。考虑安全系数1.5~2，故实选晶闸管的额定通态平均电流IT＝(1.5～2)I′T。4．逆变器逆变器的工作是整流器工作的逆过程，它是把直流电变成交流电。逆变器分有源逆变器和无源逆变器，有源逆变器主要用于直流电动机的可逆调速等场合。无源逆变器通常用作变频器，主要用于交流电动机变频调速系统，为了实现既可调频又能调压的目的，逆变器必须进行电压控制，控制电压可以从逆变器的外部或内部进行，改变直流输入电压是从外部进行控制，而脉宽控制和脉宽调制则是从逆变器内部进行的。在逆变器中为了能使晶闸管关断，一般要设置专门环节进行强迫关断和换流。5．晶闸管的触发电路触发电路是供给晶闸管所需触发电压之用，为保证触发可靠，对触发电路的主要要求是：脉冲幅度要足够大且要有一定的脉宽，脉冲前沿要陡且具有一定的触发功率，移相范围要足够宽且要求与主电源同步等。触发电路的种类很多，各种触发器一般都是由同步波形产生、移相控制与脉冲形成三个环节组成。目前用得最多的是集成触发电路。6．晶闸管的串、并联与保护为了满足大容量生产机械拖动控制的需求，晶闸管要进行串、并联应用。为克服晶闸管性能参数分散性对串、联应用中的影响，必须采取均流、均压措施，过载能力较差是晶闸管的缺点，所以使用时要采取过流、过压保护。10.1.2基本要求①掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；②掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及其特点(特别是在不同性质负载下的工作特点)；③熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；④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。10.1.3重点与难点1．重点①晶闸管的导通与关断条件，可控性；②晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点；③晶闸管额定通态平均电流的含义及基本可控整流电路中的选择和额定电压的选择。2．难点①整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况；②额定通态平均电流的选择；③逆变器的工作原理。