第八章 電力電子學(xué)

第8章電力電子學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求:

掌握電力半導(dǎo)體器件的基本工作原理、特性和主要參數(shù)的含義；掌握幾種單相和三相基本可控整流電路的工作原理及特點(diǎn)；熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制；了解晶閘管工作時(shí)對(duì)觸發(fā)電路的要求和觸發(fā)電路的基本工作原理。前言

電力電子學(xué)的任務(wù)：利用電力半導(dǎo)體器件和線路來(lái)實(shí)現(xiàn)電功率的變換和控制。電力半導(dǎo)體器件弱電強(qiáng)電

電力半導(dǎo)體器件根據(jù)其導(dǎo)通和管斷的可控性可分為

由電力半導(dǎo)體器件和相應(yīng)電路所組成的電力變換電路按功能可以分為：可控整流電路—將固定頻率、電壓的交流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的直流電；交流調(diào)壓電路—將固定頻率、電壓的交流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的交流電；逆變電路—把直流電變?yōu)轭l率固定或可調(diào)的交流電；變頻電路—把固定頻率的交流電變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電；斬波電路—把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)直流電壓；電子開關(guān)—功率半導(dǎo)體工作在開關(guān)狀態(tài)，可以代替繼電器、接觸器用于頻繁開合操作的場(chǎng)合。

8.1半導(dǎo)體器件

一、不可控型開關(guān)器件

大功率二極管屬于不可控開關(guān)器件二、半控型開關(guān)器件

晶閘管（SiliconControlledRectifier簡(jiǎn)稱SCR）是在60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強(qiáng)電輸出之間的橋梁作用。

晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。

優(yōu)點(diǎn)：(1)功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬(wàn)倍，即用很小的功率(電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2～4V)可以控制較大的功率(電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏)，(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)；(3)損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右；(4)體積小、重量輕。缺點(diǎn)：

(1)過載能力弱，在過電流、過電壓情況下很容易損杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護(hù)措施，在選用時(shí)，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量；(2)抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當(dāng)外界干擾較強(qiáng)時(shí)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；(3)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備；(4)控制電路比較復(fù)雜，對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求高。

在實(shí)踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時(shí)采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中：A—陽(yáng)極，K—陰極，G—控制極。結(jié)構(gòu)示意圖表示符號(hào)4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個(gè)PN結(jié)1.晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

2.晶閘管的工作原理

主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開關(guān)S，在t4瞬間拉開開關(guān)S。

（1）在0~t1之間:開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；

（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；

（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；

（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時(shí)ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；

（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；

（6）當(dāng)t=t5時(shí)，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

綜上所述可得出以下結(jié)論：

（1）若控制極不加電壓，則不論陽(yáng)極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說(shuō)明晶閘管具有正、反向阻斷能力；

（2）晶閘管的陽(yáng)極和控制極同時(shí)正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)條件；

（3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽(yáng)極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。三、全控型開關(guān)器件1.門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）工作特點(diǎn)：當(dāng)門極G上加正電壓或正脈沖信號(hào)時(shí)，GTO導(dǎo)通并保持；當(dāng)門極上加上反向電壓或反向脈沖時(shí)，GTO關(guān)斷并保持。2.電力晶體管（GTR）內(nèi)部結(jié)構(gòu)耐高壓，電流大，開關(guān)性好3.電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管4.絕緣柵雙極晶體管8.2單相可控整流電路整流——將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；整流電路——將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單相三?.2.1單相半波可控整流電路

u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；α－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。θ－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。一、帶電阻性負(fù)載的可控整流電路輸入電壓：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負(fù)載的可控整流電路

單相半波可控整流電路用于大電感性負(fù)載時(shí)，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。三、加續(xù)流二極管的電路

為了提高大電感負(fù)載時(shí)的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管的措施。晶閘管電流平均值：

續(xù)流二極管的電流平均值：輸入電壓：負(fù)載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：8.2.2單相橋式整流電路

一、晶閘管組成的半控橋式整流電路。1.電阻性負(fù)載

負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、單相全控橋式整流電路

單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。

8.2.3三相可控整流電路一、三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路圖如圖所示。自然換相點(diǎn)：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設(shè)輸入電壓為：8.3逆變器

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器交流側(cè)接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為。有源逆變逆變無(wú)源逆變變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去

一、無(wú)源逆變電路的工作原理

無(wú)源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開關(guān)電路來(lái)說(shuō)明。1.無(wú)源逆變器的簡(jiǎn)單工作原理2.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無(wú)源逆變器的電壓控制

1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制

（1）脈寬控制

不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。

若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）

如果使VS1與VS4，VS2與VS3通過高頻調(diào)制控制，能在半個(gè)周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時(shí)N=5）。

逆變器輸出電壓的幅值是通過改變脈沖總的導(dǎo)通時(shí)間與總的關(guān)斷時(shí)間的比率來(lái)控制的，這有兩種基本的方法：

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)。

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。10.4晶閘管的觸發(fā)電路

向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。

（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

（2）小容量晶閘管觸發(fā)電路

（3）晶體管觸發(fā)電路10.4.1晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求

實(shí)質(zhì)：晶閘管的可靠觸發(fā)

（1）觸發(fā)電路應(yīng)能供給足夠大的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，一般要求觸發(fā)電壓應(yīng)該在4V以上，10V以下；

（2）觸發(fā)脈沖的寬度必須在10微秒以上，如果負(fù)載是大電感，電流上升比較慢，那么，觸發(fā)脈沖的寬度還應(yīng)該增大。

（3）不觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)該小于0.15V～0.20V，為了提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時(shí)可在控制極上加上一個(gè)1V～2V的負(fù)偏壓；（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，保證晶閘管的觸發(fā)時(shí)間前后一致。（5）在晶閘管整流等移相控制的觸發(fā)電路中，觸發(fā)脈沖應(yīng)該和主電路同步，脈沖發(fā)出的時(shí)間應(yīng)該能夠平穩(wěn)地前后移動(dòng)（移相），移相的范圍要足夠?qū)挕?.4.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管

單結(jié)晶體管是一種特殊的半導(dǎo)體器件，它有三個(gè)電極，一個(gè)發(fā)射極和兩個(gè)基極，故又叫雙基極二極管。

1.工