晶闸管变流技术

晶闸管变流技术

晶闸管是一种大功率的可控半导体器件。普通型晶闸管具有反向阻断特性，故又称为逆阻型晶闸管。近年来，晶闸管技术发展很快，出现了许多派生型晶闸管，如快速型、双向型、关断型和逆导型等晶闸管。各种晶闸管具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制灵敏等优点，广泛应用于可控整流、逆度、折波、调压及无触点开关等大功率的电角转换和自动控制领域。

一、晶闸管的构造和工作原理

1、晶闸管器件结构与符号

晶闸管亦称半导体晶闸管，过去称为可控硅，其器件内部有四层半导体（P 1、N 1、P 2、N 2），三个PN 结（P 1N 1、P 2N 2、P 2N 1）。外部有三个电极，分别为阳极A ，阴极K 和门极（控制板）G 。

2、晶闸管的工作原理

有是流流过晶闸管时，称晶闸管导通；反之称为截止。晶闸管导通的条件是：在阳极一阴极间加上正向电压的同时，门极一阴极间加上适当的触发电压。

3、晶闸管的特点

（1）晶闸管不仅具有反向阻断能力，还具有正向阻断能力。其正向导通受门极控制。

（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，要重新关断晶闸管，必须让阳极电流减小到低于其维持电流。

二、可控整流电路

可控整流电路从相数来分，有单相、两相、三相、六相等多种；从控制方式来分，有半控、全控两种；从电路型式来分，有多种多样。

1、三相桥式全控整流电路

（1）电阻负载

三相桥式全控电阻负载整流电路是由三相半波晶闸管共阴极整流电路和三相半波晶闸管共阳极整流电路串联组成的。在纯电阻性质负载时，负载中流过的电流波形与负载上的电压波形相同。电路中，有关电压、电流的数量关系如下：

负载两端的整流输出电压平均值Ud 为：

U d =2.34U 2ψCOS α (当00≤α≤600时，即当电压和电流波形连续时)。

式中U 2ψ—变压器二次侧三相交流电的相电压（有效值）。

流过电阻负载的直流电流平均值I d 为：

I d ＝2.34 d R U ϕ

2 COS α(00≤α≤600

) I d =2.34 d R U ϕ

2[1+COS(600+α)](600≤α≤1200

) 流过每个晶闸管的平均电流I TAV 为负载电流I d 为负载电流的三分之一.即I TAV =I d /3

每个晶闸管可能承受的最高正、反向电压U Tm 为三相交流电线电压的峰值，即U Tm = 2×（

3 U 2g ）。

2、电感负载

三相桥式全控整流电路的负载多数是电感性负载，如电动机的励磁绕组、电感线圈、滤波电抗器等。 三相桥式全控整流电路在大电感负载时，电压、电流的数量关系如下：

整流输出电压平均值U d 为：

U d =2.34U 2ψCOS α (00≤α≤900)

负载中直流电流平均值I d 为：

I d =2.34 d R U

2COS α (00≤α≤900

) 流过晶闸管的平均电流I TAV 为：

I TAV =I d /3

流过晶闸管电流的有效值I T 为：

I T = d I 31

值得注意的是，若大电感负载并接了续流二极管，由于此续流二级管的作用，使电路中的晶闸管能够得到及时关断，从而使整流输出电压U d 的波形不再出现负值，因此这种电路输出电压平均值U d 的计算公式将与电阻负载时相同。

三、斩波器与交流调压器

1、斩波器

斩波器是按在直流电源与负载电器之间，用以改变加到负载电路上的直流平均电压的一种也称之为直流—直流变换器。

调节斩波器输出电压平均值的方法有三种，它们分别是定频调宽法、定宽调频法和调频调宽法。 晶闸管斩波器作为一种直流调压装置，常用于直流电动机的调压调速。广泛应用于电力牵引方面，如地铁、电力机车、蓄电池电动车等。主要有采用普通晶闸管的逆阻型斩波器和采用逆导晶闸秋的逆导型斩波器两种。

2、交流调压器

交流调压器是按在交流电源与负载之间的调压装置。晶闸管交流调压器，可以通过控制晶闸管的通断，方便地调节输出电压的有效值。

在交流调压器中，晶闸管元件一般为反并联的两只普通的晶闸管或双向晶闸管，一般采用的控制方式是能断控制和相位控制。

四、逆变电路

所谓逆变电路是整流的逆向过程，即把直流电转变为交流电。晶闸管的逆变电路可分为二大类：有源逆变和无源逆变。

（1）有源逆变，它将直流电逆变为与电网同频率的交流电并反送到交流电网去其工作过程为直流电→逆变→交流电→交流电网；它主要用于直流可逆调速系统和交流绕线转子异步电动机串级调速系统和高压直流输电等方面。

（2）、无源逆变

在工业生产中，常要求把直流电或某一固定频率的交流电变换成另一频率可变的交流电，供给负载使用，这种变流技术称为变频技术。

变频电路按其能量的变换情况，可分为交—交变频器和交—直—交变频器两种。前者是直接将工频交流电变为所需频率的交流电源，故称为直接变频；后者则是先把工频交流电速流为直流电，然后再由直流电逆变为所需频率的交流电。

在交—直—交变频器中，用于把直流电逆变成交流电的装置称为逆变器，由于逆变的交流电不反送到交流电网，而是直接供给负载使用，因此也称为无源逆变。

五、晶闸管中频电源装置

晶闸管变流装置是一种利用晶闸管把50HZ 工频交流电变换成中频交流电的设备，主要用于感应加热熔炼，可取代中频发电机组，是一种较先进的静止变频设备。

晶闸管中频装置的基本工作原则是通过三相桥式全控整流电路，直接将三相交流电整流为可调直流电，经直流电抗器滤波，供给单相桥式并联逆变器，由逆变器将直流电逆变为中频交流电供给负载。