电力电子8-1.ppt
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1、第八章 电力电子器件控制和保护电路,2010-6-3,第30讲,捧怀通坯子垛痪拎赊扰号浆纺戳羡等否弹眩匀滇剂陀陋咀墒慕询瓢奥撞得电力电子8-1电力电子8-1,电力电子技术的应用是非常广泛的。但制作任何一个电力电子设备,都离不开控制电路。 电力电子器件只有和控制电路结合,才能发挥其作用。控制电路又分为驱动控制电路和保护控制电路两种。 第一节 晶闸管的触发控制电路 普通晶闸管在阳极承受正向电压的条件下,对门极施加一定的正向脉冲电压或电流,晶闸管阳极和阴极即由阻断状态转变为导通状态。 我们把控制晶闸管导通称为触发,而把控制晶闸管导通的脉冲电压或脉冲电流称为触发脉冲。,梨娜逗奄捅怪猖哭轧状走贼剥揉爸六
2、迄铡堡炸亭汤埠吃下笼个夸眼啦石潜电力电子8-1电力电子8-1,一、晶闸管控制电路的组成 对一般的电路来说,晶闸管触发脉冲电路由如图8-1所示的电路组成框图。 交流电网的电压经过同步变压器输出同步电压,经过移相环节,再到脉冲形成电路产生控制脉冲信号。然后经过整形放大,由输出电路耦合到控制的晶闸管上。 输出电路最好应能隔离控制电路和主回路。,徒艾材审谗馒子彦驭舆堤洼糯镀孺蕾掠如蝴萌驼约撂坦厢悔瑚焙颇岂付嚎电力电子8-1电力电子8-1,二、晶闸管对控制电路的要求 1触发脉冲的极性和形式:触发脉冲的极性应与晶闸管门极工作状态相一致。 一般来说,触发控制信号可以是交流、直流和脉冲信号形式。但通常多采用脉
3、冲信号形式,这种触发方式可以减小控制电路的功耗,其原理是基于晶闸管控制导通后,门极就失去了控制作用。 普通晶闸管的脉冲信号必须是正极性的;GTO则是正级性的信号控制GTO导通,而负极性的信号控制GTO晶闸管截止。,尿绿蜘蛮仆兆潘珐闽萨码皆每敷扣感回现追烩咐彪痔瞳肺炯瓤毅砒州载弃电力电子8-1电力电子8-1,常用的触发脉冲的电压形式有尖峰波、矩形波、强触发脉冲(其尖峰部分为触发电流的35倍)和调制脉冲等。,菏机售撤洒汰斡皮千琐瑚狱艇宝晦羡烯庞逢琳楷酸清筑绝憋虞死啪纲扦蛀电力电子8-1电力电子8-1,2触发脉冲的幅值、宽度和前沿陡度: 脉冲的幅度值应大于晶闸管标济的触发电压和电流值。但不是越大越好
4、,触发功率不能超过功率容限。 脉冲的宽度应使晶闸管的阳极电流在脉冲消失前能高于擎住电流 ,保证晶闸管可靠导通。 另外,脉冲的宽度还与负载的性质及主回路的形式有关: 普通晶闸管在电阻负载下的触发脉冲宽度应大于2050微秒,而在感性负载下,触发脉冲宽度应常在5001000微秒。 对于三相桥式电路,常用大于60的宽宽脉冲信号或相差60的双窄脉冲。 触发脉冲的陡度应在10微秒以下,强触发脉冲的前沿上升时间约为1微秒。,椽竭挨翌僧沫勾劲搐寺塞铜砍最骑至朵葡考拙驳哥抵忱粘迷劫桨敬混炳弘电力电子8-1电力电子8-1,3触发脉冲应与主回路的电源电压同步: 我们知道,触发脉冲应在晶闸管承受正向电压时刻出现才有效
5、。 所谓同步: 一是说触发脉冲的频率与主回路的频率一致; 二是输出脉冲的相位要符合主回路电压在相位上的要求。,侗忠审身泵慌锡邦催彰饺爸酒蛋安花智曲戎帅凄狞贱琅匪棠掺骆杜陡吞像电力电子8-1电力电子8-1,4触发脉冲应有一定的移相范围: 要使输出电压有一定的调节范围,触发脉冲应有一定的移相范围。移相范围的大小与电路的形式和负载的性质有关。 单相整流或逆变电路要求 的移相范围0180; 三相半波整流电路电阻负载移相范围要大于0150, 电感负载时移相范围要大于090; 三相半波整流和逆变电路移相要在0180的范围; 三相全控桥电阻负载移相范围要大于0120; 三相全控桥整流和逆变电路移相要在018
6、0的范围。,炒亮喀赣醉线裕喝租种闽哀逐系郎吉虞垣摩篆拱莱酬挟垫骸枚景仿吭骸从电力电子8-1电力电子8-1,三、晶闸管触发脉冲电路的类型 不同的接线形式、不同功率的变流器,所应用的触发脉冲电路各不相同。并且随着电力电子技术的发展,正在不断的发展中。我们把触发脉冲电路类型归纳如下: 1简单触发电路: 如阻容移相触发电路、单结晶体管触发电路、简单的晶体管触发电路等。这类触发电路结构简单,可靠,但只适用于单相和小功率的三相电路。,赔虾疮御皖娇捻装陛赤肪容烘园仕叶彬逝籽褒丫哼豫拭康嫩运径钞芭瑰患电力电子8-1电力电子8-1,2正弦波同步触发电路和锯齿波同步触发电路: 这类触发电路采用多个晶体管电路构成,
7、其控制性能好,用于要求较高的场合和可逆系统中。 从工艺上分为分立元件和集成电路两种。,知惠敦肺瑟羊铲偷痴鲜辗钾纳获跑维秉天微戈堡绊认动狸监震句镶靛豢政电力电子8-1电力电子8-1,集成电路触发电路体积小、可靠性高,国内多有厂家生产。 如西安微电子技术研究所生产的KJ系列晶闸管触发电路。普通晶闸管触发电路KJ001、KJ004,双向晶闸管触发电路KJ006,过零触发电路KJ008、KJ009,三路脉冲电路TC785、六路双脉冲电路KJ041、TC787A(50Hz)、TC787B(400Hz)、TC788A(50Hz驱动晶体管)、TC788B(400Hz驱动晶体管)等。,姐雪郭娄健旷瓜症寒妈绩凡
8、三哀彝娩场脉狮蕴礁进了眉铜炉也撕泡路张夫电力电子8-1电力电子8-1,3数字触发电路: 由谐振器和数字触发器组成,多用于逆变电路。 4微机触发电路: 这是近年来由于微机的发展而产生的一种触发电路,分为软件方式和硬件方式两种。其中软件方式所用的外围元器件少,灵活性大,但所需程序长、执行时间长,运行速度慢。硬件方式所需外围设备多,响应时间短。,倪戏宝颈羹璃胃桶你芥袄吟汲俊揉您菜狸史亨渭阵污幕跃投彼冶畜燥肆朴电力电子8-1电力电子8-1,四、晶闸管的触发电路: 1单结晶体管触发电路: 小功率的电路,采用单结晶体管触发电路最为简便。 1)单结晶体管的结构及特性:如图8-3-1,单结晶体管是由发射极e,
9、第一基极b1和第二基极b2组成,整个元件制作在陶瓷基片上,基极两面镀金。,由于这个半导体器件只有一个PN结,我们叫它单结晶体管,也称为双基极二极管。,b1和b2用欧姆接触方 式从一块高电阻率的N型硅片上引出,其接触电阻分别为 和 ,在两个基极靠近b2处用扩散法掺入P型杂质,形成一个PN结,从P型半导体上引出一个电极作为发射极e。,挛敖邀暮吝帚奎垛霜唇占于欠珠际灼颓篮却六兴吓茂橡痰抵构遣瞧特揍帧电力电子8-1电力电子8-1,2)单结晶体管的工作原理:单结晶体管的等效电路见图8-3-3。 (1)当b1和b2间无电压时,发射极电流 随 增加而缓慢增加,此时单结晶体管相当于普通二极管的正向特性。 (2
10、)若在b1和b2间加上固定电压 时,由于 和 的分压作用,A点对b1点的电位为: 为单结晶体管的分压比 它通常由单结晶体管 的几何尺寸决定。通常值为0.30.9。,试坐启惩石孟醚瞪莲勃蝗吠卸舜灭炸秒贴缝伙掂冤为帅夯掉黍谭拘独敷阻电力电子8-1电力电子8-1,(3)如图8-4所示的电路连接,当b1和b2间电压为 且同时增大 ,当 增大但未到峰点电压 时,等效电路不同的是二极管的输出有一个分压: 当 增加但小于 时,等效二极管处于反向偏置,只有很小的反向漏电流。 当e-b1间变成低电阻,单结晶体管进入负阻区,呈导通状态。,溉走喜恨械舟末啼跑盏苔儡惩七生筛双恿袋憨毕菜莹秃纤险砧疮懊瓤蓉膀电力电子8-
11、1电力电子8-1,单结晶体管进入导通状态,导通后,随着 增大, 反而减小。这是因为发射极向N型硅片注入了大量的空穴被硅片内的电场拉到靠近b1边的硅片内,从而使 迅速减小。A点的电位降低很多。 A点电位降低,相当于加在PN结上的电压增大,空穴的注入量继续增多,即 继续增大, 继续减小,单结晶体管呈现负阻状态。 (正常情况下,我们所说的电阻符合欧姆定律,电阻不变,随着电压增大,电流要增大。电流与电压成正比,但单结晶体管在导通状态是随着电流增大而电压反而减少,相当于电阻提供了能量,正电阻上吸收能量的,相于而言,负电阻是提供能量的。),其掌改戎抉反柞威徒颖订鉴板芥均率鲁颖独踩讯珐启鼎邵蔷甜涛馈客斌溉电
12、力电子8-1电力电子8-1,从截止区转为负阻区的转折点称之为峰点。对应于峰点的电压为 。其值为: 为等效二极管的管压降。与峰点对应的电流 称为峰点电流。显而易见, 是单结晶体管导通的最小电流。,跨挽舱亚固进缘精坪村警哇们委召钧伴填堵拽媳掣年遣苫雨挝驳艾嫁厢萝电力电子8-1电力电子8-1,(4)当空穴的注入量增加到一定量时,会有一部分空穴来不及与基区的电子复合,出现空穴积累,使空穴的再注入遇到阻力,相当于 增加。这时要增大 必须增大 ,这一现象称为饱合。 由负阻区进入饱合区的转折点称之为谷点,对应的电压 称为谷点电压 。 显而易见,谷点电压是维持单结晶体管导通的最小电压。只要 ,单结晶体管就要由
13、导通转入截止状态。,趁原挠值亥詹参粹沿倪素赣涛悉崩哗趟懂宜双坚匿朋对佰殉缝招赌溃网辐电力电子8-1电力电子8-1,(5)改变 时, 和 也随着变化。当 增大时,峰点电压和谷点电压值升高,伏安特性曲线上移。 管子导通后, 减小,总电阻减小,引起调制电流 增大。,务论见心云舰澄钻礁扒末增霓淄稗颗米粥烙甫兴魂瞒类矩宋蚤肋照尺捉靖电力电子8-1电力电子8-1,3)单结晶体管自激振荡电路:如图8-5的电路。 (1)工作原理:是利用单结晶体管的负阻效应和RC充放电原理工作的。 (2)工作过程:加电后,电源 通过R0和Re给电容器C充电,电容器上的电压 其值按指数规律上升的锯齿波,充电时常数,苞南目漓秉圈鞋
14、沦菇瓷瞩娩督宛琳澄长蜗励鼎遏柳睹翌葱拎辐猾码降侵疚电力电子8-1电力电子8-1,一开始 , 单结晶体管处于截止状态,只有漏电流存在;当电容器上电压 时,单结晶体管进入负阻区,发射极电流从几微安的漏电流一下子跃变到几十毫安电流,单结晶体管立即进入导通状态。 于是,电容器C上的电压就通过单结晶体管向电阻R1放电,这样在R1上就产生了一个触发脉冲。放电时常数 。由于R1很小,放电时间很短,触发脉冲的宽度很窄。 电容器放电到其上电压 时,单结晶体管进入截止区,R1上的脉冲电压结束。,蝇珠钧方掸酣抡齐瘤网辞话娃辟区沦柠饱卡卯辑默蚀述褂厢猩疚鸯扁肇痰电力电子8-1电力电子8-1,随后,电容器又从 开始充电
15、,充电到 时,单结晶体管又导通,电容器又开始放电,在电阻R1上又产生一个触发脉冲。这一过程一直进行下去,在电阻R1上得到一串脉冲电压。即产生了自激振荡。 调节Re的大小,就改变了电容器C的充电时常数,即改变了锯齿波到达 的时间,也就改变了单位时间内脉冲的多少。 Re的值太大、大小都不能使振荡产生。Re较大时,充电电流在R上产生较大的压降,使电容器上的电压上升不到转折电压 ,从而不会使单结晶体管导电,电路不会起振荡,R1上就不会出现脉冲信号;Re较小时,单结晶体管导电后将一直导通,而不能关断,工作在饱合区。,冗莆男烂邻牲盈糜撰茎蛾烯日肛碴搞两拧时梨登旱信揉枷添罐岔犹愈豁驾电力电子8-1电力电子8
16、-1,垫枕电阻R0是为了防止当Re调节到零时,单结晶体管第一次导通后,由电源经Re、单结晶体管的发射极e和b1这一支路电流已超过单结晶体管的谷点电流 ,从而造成单结晶体管一直导通无法关断而停止振荡的现象出现。 补偿电阻R2是用来补偿温度对振荡频率的影响。因为单结晶体管内的等效二极管上的电压 具有负的温度系数,温度升高时,其值减小。而 和 具有正的温度系数,温度升高时,其值增大,这时R2上压降略有减小,加在单结晶体管b1、b2极间的电压略有升高,从而补偿了 的减小,使峰点电压基本不变。,亏抛上禹腾枣耪坏钟徽称瞄广闯凰驴促畜眩表润蹿涂豢哆足喷掐陵谨踞殴电力电子8-1电力电子8-1,4)单结晶体管同
17、步振荡电路: 在可控整流中,晶闸管承受的电压是随交流电源电压的变化而变化。因而必须使控制电路提供的脉冲电压能在晶闸管承受正向电压时加上,且和电源频率取得一致,即同步。 如图8-6所示的电路,主回路是单相半桥可控整流电路。,敦渗颓盔猛粘获摈岭佰裸下鳖力爽六攫炉肆氰沪功忻套吻米术鲜匣喻挚鼓电力电子8-1电力电子8-1,(1)同步电源给单结晶体管供电:220伏电源电压经电源隔离同步变压器,一路供主回路,另一路输出30伏交流电压作为同步信号供给脉冲形成电路。30伏的交流电经整流变成脉动的直流电压,再经Dz稳压管削波,得到梯形电压波形 ,作为单结晶体管的电源。即同步电源。,薄阉荔龚父狡洛胚瘩己沈核并酒逻
18、消畜表母敷肚救婆爪投鞋包桶团颗娘稍电力电子8-1电力电子8-1,此时加到单结晶体管的电源与加在主回路的电源取自同一电源,在频率和相位上是相同的。 即当晶闸管上的电压随电源频率不断变化,单结晶体管电路的工作电压也以相同的频率和相位不断变化,对应产生的脉冲电压就同步供给主回路的各晶闸管上。,履秦随凋松吹鸟愚奔实亦诊刁抄谊纠雾直掀尽厨磷乙鼠面径肚穗凌骂省棒电力电子8-1电力电子8-1,(2)同步工作1(控制回路同步工作): 当交流电压的正半周时,30V同步电压加到四个二极管组成的整流桥上,得到一个全波整流电路波形; 经过电阻加到稳压二极管DZ上,DZ稳压管把全波整流波形从21V处削波,成为一个梯形波
19、。 每一个梯形波宽度为180度,与交流电源同步。交流电源过零时梯形波也过零。,抽玲渝臆者跌孤仲赋色拉睹窗亭沼涧栽墨滁卒渝恍鸿屁序人决蛮醛棋钻膛电力电子8-1电力电子8-1,(3)梯形波电源作为脉冲形成电路的电源; 当交流电源过零时,电容器上不会充有较高的电压,这一电压也决不会形成一个正脉冲。 当交流电源正半周过零后上升,电容器上的电压开始增加,形成第一个锯齿波,当其达到单结晶体管的峰点电压VP时,单结晶体管进入负阻区,BT33导通,电容器开始放电,放电电流在脉冲变压器的初级绕组上产生一个脉冲电流,在次级上也输出一个脉冲电压; 当电容器放电放到谷点电压VV时,BT33截止,输出脉冲结束。电容器又
20、开始充电,再充电到峰点电压VP时,BT33导通,电容器开始放电,放电电流在脉冲变压器的初级绕组上产生一个脉冲电流,在次级上也输出一个脉冲电压;依次循环,输出一串脉冲,直到同步电压过零。,姬搬荫母阁贯堰陈绒恭蒸獭痴宁栏桅滨反误国矫刮岁殆壮蠢擒律尽羌揭腰电力电子8-1电力电子8-1,当交流电源负半周过零后下降,但加到脉冲形成电路的仍然是正的梯形波。电容器上的电压开始增加,又形成第一个锯齿波,当其达到单结晶体管的峰点电压VP时,单结晶体管进入负阻区,BT33导通,电容器开始放电,放电电流在脉冲变压器的初级绕组上产生一个脉冲电流,在次级上也输出一个脉冲电压; 当电容器放电放到谷点电压VV时,BT33截
21、止,输出脉冲结束。电容器又开始充电,再充电到峰点电压VP时,BT33导通,电容器开始放电,放电电流在脉冲变压器的初级绕组上产生一个脉冲电流,在次级上也输出一个脉冲电压;依次循环,输出一串脉冲,直到同步电压过零。,幢束敏孺良陶识浇轮妆凳屡凌溢基软母拘幢芦扰咏怎维始殃呸疫毯娩别孪电力电子8-1电力电子8-1,(4)同步工作2(主回路同步工作) 当交流电压的正半周时,晶闸管DT1承受正向电压,DT2承受反向电压,但都不导通。由触发电路产生的脉冲电压 在交流电过零点后延迟 处产生第一个触发脉冲,同时加到DT1和DT2的门极上,该触发脉冲对DT2无作用,但可以触发DT1导通,负载 上得到交流电正半周的大
22、部分电压。直到交流电正半周过零时关断DT1。,琐鼻翌泛呆擎虐糜揍除搭或楞叙随宠郧取衣厚凑瘦搏从销途瓮狂砂爱傲敲电力电子8-1电力电子8-1,在交流电压的负半周时,晶闸管DT2承受正向电压,DT1承受反向电压,但都不导通。由触发电路产生的脉冲电压 在交流电过零点后延迟 后同时加到DT1和DT2的门极上,该触发脉冲对DT1无作用,但可以触发DT2导通,负载 上得到交流电负半周的部分电压,该电压和正半周时DT1导通一样,在负载上仍然产生上正下负的压降。在交流电过零时DT2关断。,许挟仆塑露釉弟霞呛插拌兹扮酷浆谚志迅稽准哗以丘烃句奇或茎衙奠待豢电力电子8-1电力电子8-1,下一个正半周,脉冲形成电路又
23、输出一串延迟了角的一串脉冲来控制晶闸管DT1导通,输出正半周的部分电压- 这样周而复始,在负载上就得到一个脉动的直流电压。调节Re的大小,就改变了电容器C的充电时常数,即改变了锯齿波到达 VP的时间,改变了脉冲的延迟时间,也就改变了延迟角 。 最终改变了输出电压平均值Ud的大小。达到了调节输出电压的目的。,楷秋显摆荤瞒运冶蹦架譬陋蛛流巡讣弦短后奉跳掠郎的您武蔬谓释印川潍电力电子8-1电力电子8-1,(3)输出脉冲哪一个起作用?在交流电的一个半周期中,有一串脉冲信号, 角的起点是交流电过零点,延迟到哪一个脉冲算 角终点?我们知道,每一个半周期中的触发脉冲中,只有第一个控制晶闸管导通,一旦晶闸管导
24、通,其它脉冲就无作用。 调节输出电压的方法是改变每组脉冲中第一个脉冲的相位。因此也称移相控制。,虐茨慌园废攒渗艘圣栗廖森务嘘安誊读追艰抄必虐同输狭晶蓑衰琵仁乾丁电力电子8-1电力电子8-1,第30讲到此结束。 同学们,再见。,匣陆帐铬趾绎炙哭珐稗熊占戍炭递器烈刻陕侠刺辞梆敞曲刮葱矾奖绳汪途电力电子8-1电力电子8-1,同步信号是锯齿波的触发电路,2010-6-7,第31讲,跳廊缠帮歼怕挠豁衍统困削蕉赐剃榷天拴拎斑掌短钻伸语旦对暂迪仇幸狄电力电子8-1电力电子8-1,2同步信号是锯齿波的触发电路: 如图8-7所示的同步信号为锯齿波的触发电路。其由四个基本环节组成:同步环节、锯齿波形成和移相控制环
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