电力电子变流技术

t t t t
t
VT1
VT3 a
i2 a)
id
R
u1
u2
b VT2 VT4
ud
E
1—4.反电动势负载分析 晶闸管最小触发角：
ud
αmin
停止导电角
sin
1
E

b) id


t
E 2 min 2U 2
Id
t
图2--8单相挢式全控整流电路，反 电动势负载的电路及其波形
如果电感较小，电流不连续 则：
Ud 1



2U 2 sin tdt
2U 2
[
cos cos( )]
VT3 a
VT1
i2
id ud
L R
u1
u2
b VT2 VT4
ud


t
Id
iT1-4 iT2-3 i2 uT1-4
图2--6单相挢式全控整流电路， 电感负载的电路及其波形
1 IT(AV)= 2

Imsin td t = 0

Im
Im 1 I I m sin tdt 2 0 2
I / I T（AV）= 2 = 1。57 Im I
IT(AV)


2
I kf Id
其他条件下的 IT（AV ）的计算方法（见表1—5） 通常对晶闸管额定电流的计算有两种形式： 1）已知晶闸管的工作电流波形和电路输出平均电流， 计算需要多大额定电流的晶闸管。 2) 已知晶闸管额定电流和工作电路，求电路允许输出 最大平均电流。 注意：计算额定电流时必须考虑安全系数。 2.2 维持电流；I H 2.3 擎住电流；I L 2.4 断态重复峰值电流IDRM（正向）；IRRM（反向）。也 称为漏电流



2U 2 sin tdt 0.9U 2 cos
α的调节范围为0~90°
晶闸管承受的最高正、反向电压为√2U2。 如果电感足够大，输出电流的脉动可忽约不计，输出电流 为恒定直流，变压器的输出电流为对称方波。即： I2/Id=1 每只管子的电流有效值： IT=1/√2Id=0.707Id
1 cos 0.45U 2 2


t
Id Ud / R
t
2.电感性负载 2.1没有续流管（导通角延长） 2.2有续流管 负载角 1 l
tg
R
负载角越大；导通角延长越长
VT1
VT3 a
i2
i ud
b VT4
§2—2单相桥式整流
1单相全控桥 1.1电路结构 1.2电阻性负载
表2—1单相全控桥整流的电压、电流比及功率因素
与控制角的关系 控制角α 0 Ud/U2 0.9 30 60 90 120 150 180
0.84
0.676 0.45
0.226 0.06 0
I2/Id
cosΦ
1.11 1.17
1
1.33
1.57
1.97
2.82 ---
0.987 0.898 0.707 0.427 0.17 0
u
2.晶闸管
2.1快速晶闸管 2.2双向晶闸管
注意：双向晶闸管的电流定额用有效值表示。
2.3逆导晶闸管 2.4多管封装管
第二章 单相可控整流
u2
u1
u2
uT
id R ud
§2—1单相半波整流
1.电阻性负载
ug

2
t
1 Ud 2


2U 2 sin tdt
id ud uT


t
电力电子变流技术
讲 稿
姚河清 2002.7.27
概述
1.电力电子技术的概念 Power Electronics & Conversion technolegy 1.1电力电子技术： 电子技术在大功率方面的应用 1.2变流技术： 实现电流供流方式的转换 例如：交流---直流、直流---交流、直流--直流、交流---交流
2）各种电路的特点及应用 3）电路设计
第一章晶闸管
§1—1晶闸管(Thrystor)的工作原理 1.晶闸管分类及应用 1.1普通晶闸管；交---直变换为主，用作逆变、调压、
开关等。
1.2快速晶闸管；开通与关断速度快，一般用高频率的
逆变、快速开关、调压等。
1.3双向晶闸管；可双向道通、用于交流开关、调压。 1.4其他晶闸管；可关断晶闸管、特殊门极晶闸管等。
2.电力电子变流技术的应用与 发展
• 2.1电力电子变流技术的应用 例如：· 输变电 · 电力拖动（轧钢、纺织、造纸 等以及其他各种电机的拖动） • 2.2电力电子变流技术的发展 • 发展的动力 1）元器件 2）控制技术 3）变流技术
3.本课程的教学计划
• 3.1教学学时 2学分 • 3.2教学内容：整流、调压、逆变 • 3.3教学目的：1）各种电路的工作原理分 析
该方程即为维持电流连续的最小电流求解方程。最小连续 电流是触发角的函数。
最小连续电流的平均值：
2 2U 2 Id min id (t )dt sin 0 L
由上式可设计电感。 其他整流器可依此方法进行计算。 2. 单相半控桥 2-1.电路原理图 2-2.电感性负载时有 无续流二极管的工作 效果分析：
3 晶闸管的动态特性
iA
100% 90%
图1—6
t
UAK
td
t1 IRM
t
P功耗 trr
URR M tgr
t
开通损耗 通态损耗 关断损耗
扩展损耗
过渡损耗
•主要考查参数 1）开通时间：tgt= td + tr ;
td –延迟时间； tr--上升时间。 2）关断时间tg：从A—K间施加反向电压开始至恢复正
整流器输出电压的有效值：
U
1
( 2U 2 sin t ) dt U 2
2


1 sin 2 2
sin 2 2
整流器输出的有功功率：
P I 2U I 2U
电源的功率因数：
2 1
p cos s
1
sin 2 2
u1
u2
b VT2 VD4
ud
§2—3.单相可控整流的触发控制
1.对触发控制的要求 1-1同步 1-2.移相 能达到所要求的移相工作区间 1-3.触发 有效触发晶闸管的脉冲（电压、电流、时间） 2.单结晶体管式触发电路 2-1.单结晶体管
(a)符号
b2
(b)试验电路
b2 Rb2 Ue
（C）特性曲线
每只管子承受的工作电流平均值为1/2 Id； 每只管子承受的最高工作电压为： 正向： 2 2U2 反向： 2U 2 交流侧电流的有效值：
I2
1
U2 1 R ( 2U 2 sin t ) dt R 2 sin 2
2

在电源设计时要参考变压器的视在功率，即； S=U2*I2
§1--2晶闸管的特性
1.晶闸管的静态特性 1.1 V—A特性 UDRM—正向断态重复电压（可恢复90% UDSM） UDSM--正向断态可恢复电压 URRM –反向断态重复电压（可恢复90% URSM） URSM—反向断态可恢复电压 Ub0—反向击穿电压 IH—正向维持导电电流 IG—触发电流
图1—4
Ud E
1


(
2U 2 sin t E )dt
反电动势使晶闸管的导通角 减小，容易造成 电流断续。常 用的如电机的电枢供电，电流断续会有两方面的不利影响： 1）电磁力矩降低。当机械力矩增大时速度会降低。即： 机械特性变软。 2）低速运行电流冲击加大，会引起很大的换相火花。 • 常用解决办法：串联平波电抗器。 • 平波电抗器的设计方法： • 设计原则：维持最低运行速度稳定，额定机械负载工作状 态下的电流连续。
向阻断所需时间。 tg= trr + tgr trr—反向阻断恢复时间 tgr—正向阻断恢复时间 通常：tgr要远大于 trr 3）动态损耗 ： P损耗=断态损耗 + 通态损耗 + 开通损耗+关断损耗
§1—4晶闸管的主要参数
1.电压定额
1.1断态重复峰值电压 UDRM 工作于正向断态，重复频率50HZ，过电压连续时间 ≤10ms，晶闸管能达到的最高峰值电压 ； 1.2反向重复峰值电压 URRM=90% URSM（反向不重复峰值 电压） • 晶闸管额定电压取值该管的UDRM与USRM中的最小值 1.3 通态电压降UTH
上述这些参数对整流器的设计是有用的。控制角越小， 电源的工作效率越高，但控制性能变差。在设计时必须 综合考虑
1—3电感性负载
由于电感的作用会延长晶闸管的导通时间，根据负载角 的不同延续时间不同。 以维持负载电流连续为前提，晶闸管的道通角为 180°，即（α~π+α）则整流输出电压的平均值:
Ud 1
IGT—可靠触发最小电流 UGT—可靠触发最低电压 IFGM—门极正向峰值电流 UFGM--门极正向峰值电压
电压过低，电流过小不能触发； 电压过高，电流过大可能烧坏。 通常要远小于阳极电压和阳极电流。 • 使用门极信号应注意： 1）有效触发（信号的电压、电流、时间要合适） 2）防止干扰 3）提高触发速度
2.普通晶闸管的工作原理
2.1结构与等效电路（见图1—3） A
A
P1 N 1 N1 P 2 N 2 P2
A
PNP
G
R EA
G K
G
NPN
K
图1--3
K
2.2晶闸管的工作状态 1）反向截止 2）正向截止 3）正向导通 2.3状态转换 1）正向截止---正向导通 （触发） 条件： A—K 加正向电压，同时 G—K加触发信号； 2）正向导通---截止（关断）条件： A---K电流为零。
2.电流定额
2.1 通态平均电流 IT（AV）---环境温度40°；电阻性负载； 单相工频；半波整流；全导通；规定散热条件；稳 定结温不 超过规定值；允许的最大平均电流。
说明：1）电流导致晶闸管破坏的方式为热破坏。晶闸
管的允许承载电流（即额定电流IT（AV））是 晶闸管工作在确定的散热条件下，IT（AV）使 晶闸管发热达到规定结温。 2）与晶闸管的发热量相对应的是电流的有效 值，而额定电流的计量用的是平均值，其他任 意条件下选择晶闸管额定电流的方法 ：先将任 意条件下的电流平均值转换成有效值（乘波形 系数Kf )，然后将该有效值转换成规定条件的 平均值。
s
Up Ebb Uv Ip P
e
b1
e
Ie Ee
VD A Rb1
v
Iv Ie
b1
当Ue＜UA时，二极管反向，只有很小的漏电电流。 当:
Ue UA
Rb1 Ebb Ebb Rb1 Rb 2
VD两端的电压为零，达到临界点P，对应的UP为峰点 电压；IP为峰点电流。 当Ue＞Ua时，二极管正向导通，随电流Ie的增加，电阻 Rb1减小，行成P点至V点的负阻区，电流急剧增加。 V 点电压UV相当于二极管的正向压降，V点为谷点。 当Ue再次低于UV时，e与b1之间恢复阻断。 每只单结晶体管的η值不同，较多的在0.75左右。 2-2单结晶体管自激振荡器
IA IH U RRM U I DRM
RSM 正向导通
I G1 I
G0
I G2
U
bo
U
A
U I
反向击穿 RRM
DSM
U
DRM
图1--4晶闸管V-A特性曲线
2.晶闸管的门极V—A特性
IG 低阻曲线 IFGM
可 靠 触 发 区
高阻曲线
IGT 0 UFGM UGT 图1--3门极V--A特性 UG
• • • •
3.门极定额
3.1门极触发电流IGT 3.2 门极触发电压UGT 注意：门极定额取最小值，触发讯号必须大于该值才能 有效触发 4.动态参数 4.1断态电压临界上升速度du/dt 4.2通态电流临界上升速度di/dt
5.额定结温Tjm
§1—5其他相关器件介绍
i
1.二极管
1.1普通整流管 1.2快速整流管 1.3快恢复二极管 1.4肖特基二极管
VT1 VT3 a VDR
1

i2
id ud
R
u1
u2
b VD2 VD4
1）无续流二极管 存在问题：失控现象。 解释：当触发角很小时，如果突然停止触发，假设此 时是VT1-VD2之间道通，在停止触发后，电感的反感电 势续流维持其道通，U2反向后还可以经VT1-VD2续流， 当U2再换到正向时，由于VT1未关断，不经触发即可持 续导通，既出现了失控。 2）有续流二极管 3）另一种半控桥 VD3 VT1 id i2 a 2-3.反电动势负载： R
整流输出平均电压和 平均电流的计算： （是半波整流的2倍）
a)
u1
u2
VT2
R
d
ud id
b)

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t
ut1-4
c)
t
i2
d)
t
图2--4单相挢式全控整流电路，电 阻负载的电路及其波形
Ud
1



1 cos 2U 2 sin tdt 0.9U 2 2
Ud 1 cos Id 0.9U 2 / R R 2
•电路等效：
id ud
L
R E
• 回路方程：
当一定负载低速运行电流连 续时，电枢电阻很小，为了 di L Rid 2U 2 sin(t ) E 简化运算，可忽略。简化后 dt 求解，得：
2U 2 2t id (t ) [cos cos(t ) cos ] L