1
电力电子技术
电子教案
2
电 子 教 案 部 分
3
目录
?绪论
?第一章 晶闸管
?第二章 单相可控整流电路
?第三章 三相可控整流电路
?第四章 晶闸管整流主电路计算及保护
?第五章 晶闸管触发电路
?第六章 晶闸管有源逆变电路
?第七章 晶闸管交流开关与交流调压
?第八章 变频电路与直流斩波电路
4
绪 论
? 晶闸管全称为晶体闸流管，是一种大功率半导体器件。
它具有容量大、控制特性好、寿命长以及体积小等特点。
? 电力半导体器件应用技术的基本功能是对电能的 整流、
逆变、斩波、变频、开关等的控制。按功能可分为：可
控整流；逆变与变频；交流调压；直流斩波调压；无触
点功率静态开关。
? 本课程是一门专业基础性质较强且与生产紧密联系的课
程，主要介绍晶闸管元件、可控整流电路、触发控制电
路、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理及过
压、过流保护方法、各种典型生产实例。
5
绪 论
? 半导体变流技术，就是利用电力半导体器件（又叫电
力电子器件）进行电能变换的技术，包括电压、电流、
波形、频率和相数等的变换。
? 晶闸管的发展史：
1958年 -------工业用的晶闸管
70年代 -------功率集成器件
80年代 -------功率集成电路
现在 -------新型电力电子器件
? 晶闸管变流技术按其功能可分为：
整流器 — 把交流电压变成固定或可调的直流电压
6
绪 论
?逆变器 — 把 固定的直流电压变成固定或可调的
交流电压
?斩波器 — 把 固定的直流电压变成可调的直流电
压
?交流调压器 --把固定的交流电压变成可调的交
流电压
?变频器 — 把固定的交流频率变成可调的交流频
率
7
晶闸管组成的变流装置的优、缺点
? 优点,
1。装置功率放大倍数大，可达 104以上。与直流发电机组相比，要
高三个数量级。
2。快速响应好，变流机组为秒级而晶闸管为毫秒级。
3。功耗低、效率高、节能效果显著。
4。它是静止式电子装置，体积小、重量轻、无噪声、无火化磨损，
维护方便，可靠性高。
? 缺点,
1。晶闸管元件的电压电流过载能力差，必须设置可靠的保护措施。
2。晶闸管采用移相触发时，出现非正弦电压与电流，使电网波形畸
变产生高次谐波，导致电网质量下降。
3。移相控制在控制角大时，功率因数低。
8
电力电子器件介绍
?kp 普通晶闸管
?GTO 门极可关断晶闸管
?MOSFET 电力场效应晶体管
?IGBT 绝缘栅双极晶体管
?KC 集成化的晶闸管模块
9
晶闸管简介
? 晶闸管结构,
大功率 PNPN四层半
导体元件，
N
N
P
A
K
G
P 有三个引
出极，阳极 （ A）,
阴极 （ K）, 门极 （ G）
符号如左图所示
G
K
A
J1
J2
J3
10
平板式普通晶闸管和螺
栓式普通晶闸管的区别
平板式普通晶闸管属于双面散热，适用于大功率
场合；螺栓式普通晶闸管属于单面散热，适用于中、
小功率场合。
11
门极可关断晶闸管 ---GTO
GTO为 PNPN四层结
构，与普通晶闸管结构相
似。具有门极正信号触发
导通，门极负信号触发关
断的特性。具有耐高压、
电流大、造价便宜、有自
关断能力、线路简单等优
点，导通管压降较大、触
发功率与缓冲电路损耗较
大是它的缺点。主要用于
高电压、大功率的斩波器、
逆变器和调频调压电源 。
K
G
A
N
N
P
A
K
G
P
12
功率场效应管 ---MOSFET
功率场效应管有
三个引脚，源极 S,
栅极 G,漏极 D 。与
GTR比较有驱动电路
简单、开关损耗小、
安全工作区大的优点。
可应用在开关稳压调
压电源方面，可作功
率变换器件和高频的
主功率振荡，放大器
件。
S
G
D
13
绝缘门极晶体管 ---IGBT
IGBT是在功率
MOSFET的基础上增加了
一个 P+层发射极，形成
PN结 J，并由此引出漏极
D、门极 G、和源极 S。其
输入阻抗高、速度快、热
稳定性好、驱动电路简单、
通态电压低、耐压高。可
用于通用逆变器、交流伺
服,DC-DC变流器、不
停电电源、焊机、加工机、
感应加热装置和家用电器。
14
集成化的晶闸管模块
集成化的晶闸管模
块，它的显著特点就
是：它除了拥有晶闸
管的各种特性之外，
还具有体积小、重量
轻、使用方便、性能
较未集成前好等特点，
具有广阔的发展前景。
返回
15
第一章 晶闸管
? § 1-1 晶闸管的可控单向导电性
? § 1-2 晶闸管的工作原理与特性
? § 1-3 晶闸管的主要特性参数
返回
16
§ 1-1 晶闸管的可控单向导电性
Eg Ea
Q 2
Ug
G K
A
Q 1
晶闸管导通关断实验原理图
实验顺序 实验前灯的情况
实验时晶闸管情况 实验后
灯的情
况阳极电压 门极电压
导通
实验
1
2
3
暗
暗
暗
反向
反向
反向
反向
零
正向
暗
暗
暗
1
2
3
暗
暗
暗
正向
正向
正向
反向
零
正向
暗
暗
亮
关断
实验
1
2
3
亮
亮
亮
正向
正向
正向
正向
零
反向
亮
亮
亮
4 亮 正向 (减小到零） (任意 ) 暗
18
实验结论
? 1.晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为
何种电压，都处于关断状态。
? 2.晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压
作用下，才能导通。
? 3.已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门
极失去控制作用。
? 4.晶闸管在导通状态时，当 Ea减小到接近零时，
晶闸管关断。
?可控性,当晶闸管加上正向阳极电压后，
门极加上适当的正向门极电压，
晶闸管才能由截止变为导通。
?晶闸管一旦导通后，门极失去可控作用。
?单向导电性,导通的晶闸管，不管门极有
没有电压，阳极一旦加上反向电
压，晶闸管就由导通变为截止。
20
结论一
?晶闸管的导通条件：
1、阳极与阴极之间加上正向电压；
2、门极与阴极之间加上适当的正向电压。
1,2同时满足。
21
结论二
?晶闸管关断的条件：
? 使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定
的维持电流。
?关断实现的方式：
? ⒈ 减小阳极电压
? ⒉ 增大负载电阻
? ⒊ 加反向阳极电压
返回
22
§ 1-2 晶闸管的工作原理与特性
一、晶闸管触发导通原理：
晶闸管的三个 PN结可等效看成由两个晶体管 V1(P1-N1-P2)
与 V2(N1-P2-N2)组成。
A
G
K
P1
N1 J1
P2
N2
J2
J3
P1
N1 N1
P2 P2
N2
23
A
G
K
Rd
Ea
Eg
Ia
Ik
Ig
Ico
v1
v2
由图可知,v1的集电
极电流同时又是 v2的
基极电流,v2的集电
极电流同时又是 v1的
基极电流，当晶闸管
阳极加正向电压，一
旦有足够的门极电流
流入时，就形成强烈
的正反馈
使两晶体管饱和导通即晶闸管导通
Ig Ib2 Ic2(=βIb2) =Ib1 Ic1
24
⒈ Ig=0时，当阳极电压足够大
时，晶闸管会“硬开通”，此电压称
为正向转折电压。
正
向
导
通
Ig0=0
Ia
Ua
ABIH
URO
⒉ Ig增加时，正向转折电压减小。
3.晶闸管一旦导通，门极失去控制作用，
晶闸管相当于二极管。
二、晶闸管伏安特性：
4.当晶闸管加反向电压
而且此电压足够大时，晶闸
管反向击穿。 UBO
Ig1Ig2
返回
25
? 晶闸管所能承受的最大电压 UTn
当门极断开、元件处在额定结温时，管子阳
极电压升到正向转折电压之前，管子的正向漏
电流开始剧增，此时对应的阳极电压称为正向
阻断不重复峰值电压，用 UDSM表示，取 UDSM的
80%称为正向阻断重复峰值电压，用 UDRM表
示；元件承受反向电压时，对应反向漏电流开
始剧增的电压称为反向不重复峰值电压，用
URSM表示，其值的 80%称为反向重复峰值电压，
用 URRM表示。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
1、额定电压
晶闸管名牌标出的额
定电压通常是元件实测
UDRM和 URRM中较小的值，
去相应的标准电压等级
26
晶闸管元件的正反向重复峰值电压等级
级
别
正反向重复
峰值电压 (V)
级
别
正反向重复
峰值电压 (V)
级
别
正反向重复
峰值电压 (V)
1
2
3
4
5
6
7
100
200
300
400
500
600
700
8
9
10
12
14
16
18
800
900
1000
1200
1400
1600
1800
20
22
24
26
28
30
2000
2200
2400
2600
2800
3000
27
额定电压大小的确定
? 实验方法：通过伏安特性测出 UDRM,URRM
的值，取两个数中的最小值。
UDRM
URRM
Ia
Ua
UTn=(UDRM,URRM)min
28
额定电压大小的确定
? 分析计算 u 2 U m
u 2
如图，晶闸管承受的最大电压为
2
2
2
2
2
UUU
U
UU
mTn
m
??
?
则：
电源电压有效值—
22)3~2(
:
UU Tn ?
若考虑安全裕量
29
2、额定电流
? 在环境温度为 40o和规定的冷却条件
下，元件在 电阻性负载 的 单相工频正弦
半波, 导通角不小于 170o的电路中，当
结温不超过 额定结温 时，所允许的最大
通态平均电流。
? 表示方法,IT(AV)
? IT(AV)=IT/1.57
IT— 流 过晶闸管的电流有效值
§ 1-3 闸管的主要特性参数
30
额定电流
? 若考虑电流的安全裕量
IT(AV)=(2-3)IT/1.57
? 如晶闸管的 IT=100A，则
IT(AV)=127-191A
? 即该晶闸管的通态平均电流应选 200A,
31
3、门极触发电流
? 在 室温 下，晶闸管施加 6V正向阳极电压
时，使元件完全开通所必须的最小门极
电流。
? 表示方法,IGT
? IGT受外界温度的影响。
? 温度 升高 时,IGT值 减小 。
? 温度 降低 时,IGT值 增加 。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
32
4、通态平均电压
组别
通态平均
电压（ V）
组别
通态平均
电压（ V）
A B
UT≤0.4
0.4﹤ UT
≤0.5
C
0.5﹤ UT
≤0.6
D
0.6﹤ UT
≤0.7
E
0.7﹤ UT
≤0.8
F G
0.8﹤ UT
≤0.9
0.9﹤ UT
≤1.0
H
1.0﹤ UT
≤1.1
I
1.1﹤ UT
≤1.2
通态平均电压,在规定环境温度、标准散热条件下，元件通
以额定电流即额定正弦半波时，阳极和阴极间电压降的平均值。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
33
5、维持电流与掣住电流
? 维持电流：在室温下 门极断开时,元件
从较大的 通态电流 降至刚好能保持导通
的 最小阳极电流 。用 IH表示。
? 掣住电流：在晶闸管加上触发电压，当
元件从 阻断状态刚转为导通状态 就去除
触发电压，此时能维持管子继续导通所
需要的最小阳极电流。用 IL表示。
? IL=(2～ 4)IH
§ 1-3 闸管的主要特性参数
34
6、关断时间
? 元件从 正向电流降为零 到元件 恢复阻断
所需时间。
? 表示方法,tq
? 晶闸管的关断时间与元件结温、关断前
阳极电流的大小及所加反向电压有关。
一般为 几十到几百微秒 。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
7、晶闸管的型号 —KP型
K P □ － □ □
表示闸流特性
普通反向阻断型
额定通态平均电流
正反向重复峰值电压等级
通态平均电压组别
返回
§ 1-3 闸管的主要特性参数
36
可控整流电路
整流电路
单相
单相半波
单相全波
单相桥式
三相
三相半波
三相桥式
双反星形
负载性质：
电阻性
电感性
反电势性
37
第二章：单相可控整流电路
用晶闸管组成的可控整流电路，可以很方便地把交流
电变成大小可调的直流电，且具有体积小、重量轻、效率
高以及控制灵敏等优点。
第一节 单相半波可控整流电路
第二节 单相全波可控整流电路
第三节 单相桥式可控整流电路
返回
38
§ 2-1：单相半波可控整流电路
VT
Rd
TR
单相变压器二
次侧电压 u2为
50HZ正 弦波，
晶闸管 VT。当在
电源正半周内且
在门极加触发脉
冲时导通。
VT导通时，
ud= u2,截止时
ud= 0
工作原理
udu2
wt
ud
a q
a：控制角，即晶闸管承受正压到触发导通之间
的电角度。
q：导通角，即晶闸管在一个周期内导通的电角
度。
? ?
2
c o s1
45.0s in2
2
1
22
a
??
a
?
?
?
?? ? UtdUUd
Ud负载端输出直流电压
Rd
Ud
Id
Id
?
负载端平均电流
数量关系：
电源视在功率负载端输出功率
功率因数
????
?
????
22
2;
2
2s i n
4
1
c o s
c o s
IUSUIP
IU
UI
S
P
?
a?
a
?
?
?
? ?
)c o s1(2
22s i n
2
2s i n
4
1
2
2
a
a??a?
?
a?
a
?
?
??
??
?
????
Id
I
k
Rd
U
Rd
U
II
f
负载端电流有效值
42
? 有一单相半波可控流电路，负载电阻为 10Ω,
直接接到交流电源 220V，要求控制角从
180° — 0° 可 移相。求：
1,控制角 α=60° 时，电压表、电流表读数，及
此时的电路功率因数。
2,如导线电流密度取 j=6A/mm2，计算导线截面。
3,计算 Rd的功率。
4,电压电流考虑 2倍裕量，选择晶闸管元件。
例
43
? 求负载端直流电压、电流：
? 计算导线截面、电阻功率、选择晶闸管，考虑电流的
最大值，取 α=0
? ?
? ?
A
C O S
C O S
UU d
4.74
2
601
2 2 045.0
2
1
45.0 2
?
?
???
?
?
?
a
ARUI
d
d
d 44.710 7.74 ???
AIKI
AI
VUU
dMfM
dM
dM
5.159.957.1
9.9
9945.0 2
????
?
??
44
VVU
VVUU
RM
TM
6223112
31122022 2
???
????
A
A
I
AAIII
AVT
MAVTT
7.19
57.1
31
315.152257.1
)(
)(
??
?????
KWWRIP dMM 4.2107.15 22 ????
额定电压应选 600V
额定电流应选 20A，即晶闸管的型号为 KP-20-6
负载端功率
选择晶闸管
额定电压
额定电流
45
二、电感性负载：
VT
Rd
TR Ld
整流电路直流负载的感抗 ?Ld
和电阻 Rd的大小相比不可忽略时，
这种负载称为电感性负载。
wt
ud
工作原理
u2
?返回
46
§ 2-2：单相全波可控整流电路
单相全波可控整流电
路采用了二次侧带有
中心抽头的变压器，
每个二次绕组一周期
内只工作一半时间，
利用率低。
0
TR
u2
u2
47
单相全波可控整流电路 --电阻性负载：
数量关系
工作过程
VT1
VT2
Rd
TR
u2
u2
2
c o s1
9.0
2
c o s1
9.0)(s i n2
1
2
22
a
a
??
?
?
a
?
??
?
??
?
Rd
U
Id
Ud
Id
Id
UttdUUd
Ud
负载端平均电流
负载端输出直流电压
数量关系：
?
a?
a
?
?
?
a?
a
?
?
?????
?
????
2s i n
2
1
c o s
2s i n
2
1
211
2
2
IU
UI
IU
UI
S
P
Rd
U
Rd
U
II
功率因数
负载端电流有效值
?返回
50
单相全波可控整流电路 --感性负载：
VT11
VT2
Rd
Ld
工作过程
u2
u2
51
返回
感性负载 +续流二极管：
工作过程
VT1
VT2
Rd
LdVDu
2
u2
52
§ 2-3：单相桥式整流电路
单相半控桥
单相全控桥
53
Rd
VT1 VT2
VD1 VD2
TR
共阴极连接的晶闸管
共阳极连接的二极管
单相半控桥 —阻 性负载
工作过程 数量关系
?
a?
a
?
a
a
??
?
?
a
?
???
?
??
?
??
?
2s i n
2
1
2
c o s1
9.0
2
c o s1
9.0)(s i n2
1
2
2
2
22
Rd
U
II
Rd
U
Rd
Ud
Id
UttdUUd
负载有效电流
负载端平均电流
负载端输出直流电压
数量关系：
共阳极连接的二极管
VT1 VT2
VD1 VD2
Rd
TR Ld
一、电路图
工作过程
共阴极连接的晶闸管
图 2--14
VT1,VT2具有单向可控导电性，
VD1,VD2具有单向导电性，不
具有可控性，因此将此电路称为
单相半控桥。
单相半控桥感性负载
56
二、工作原理
1,当 u2电压在正半周，控制角为 α 时，触发晶闸管 VT1导通，负载电流 id
经 VT1,VD2流通，电感储存能量，产生上正下负的自感电动势。
2,u2电压下降到零开始变负时，电感由储存能量变为释放能量，产生上
负下正的自感电动势，维持电流流通,VT1将继续到通，同时 VD2关断、
VD1导通，负载端电压为 0。
VT1,VD2导通
VT1,VD1导通
57
二、工作原理
3、当 u2为负半周且控制角为 α
时，触发 VT2导通，负载电流
id经 VT2,VD1流通，电感由
释放能量变成储存能量，负
载端电压 ud=uba=-u2。
4,u2电压由负变正过零时，电
感由储存能量变为释放能量，
产生上负下正的自感电动势，
维持电流流通,VT2将继续到
通，同时 VD1关断,VD2导通，
负载端电压为 0。
VT2,VD1导通
VT2,VD2导通?180??
DT qq
58
结论
1.晶闸管在 触发时刻 换
流，二极管在电源电
压 过零 时刻换流。
2.对于单向半控桥感性
负载，负载端的电压
波形如右图。
? 根据波形得
Ud=0.9U2(1+cosα)/2
59
结论
3.单相半控桥感性负载，
负载端电压波形与阻
性负载完全相同,即
单相半控桥感性负载
本身具有续流作用 。
4.在实际使用的过程中，
单相半控桥感性负载
容易产生 失控现象 。
60
当突然把控制角增大到 180° 或
突然 切断 触发电路时，会发生正在导
通的晶闸管一直导通而两个二极管轮
流导通的现象。
三、失控现象
失控工作过程
61
? 有一大电感负载采用单相半控桥式有续
流二极管的整流电路供电，负载电阻为
5Ω，输入电压 220v，晶闸管的控制角
α=60o，求流过晶闸管、二极管的电流
平均值和有效值。
? 解,负载端输出的电压平均值
Ud=0.9U2(1+COS α)/2
=149V
例
62
负载端电流平均值：
Id=Ud/Rd=149/5=30A
一周期内晶闸管得导通角
θ=180o-α= 180o- 60o= 120o
一周期内二极管得导通角
θD=2 α= 120o
例
63
则电流平均值及有效值为
AIII DDT 3.17
3 6 0
1 2 0 ???
?
?
AIII ddDdT 10
3 6 0
1 2 0 ???
?
?
例
单相半控桥整流电
路，当导通角 θ=120o时
流过续流二极管和晶闸管
的电流平均值相同。
。
?返回
64
单相全控桥
VT1 VT2
VT3 VT4
Rd
wt
ud
VT1.VT4导通
VT2.VT3导通
阻性负载
工作过程
65
VT1 VT2
VT3 VT4
Rd
Ld
结论
感性负载
工作过程
66
a?90?波形断续 wt
ud
wt
ud
结论
a?90?波形连续
?返回
67
反电动势负载
u 1
VD 1
R 0
u d
a
b
u 2
VD 2
VT 1 VT 2
TR E
i d
演示?返回
68
三相桥式全控整流电路
第三章：三相可控整流电路
第一节
第二节
第三节
第四节
三相半波可控整流电路
三相桥式半控整流电路
整流电路的换相压降 返回
69
三相电压介绍
A
B
C
a
b
c
原边△形接法
副边 Y形接法
b c
tUu a ?s i n2 2?
)120_s i n (2 02 tUu b ??
)120s i n (2 02 ?? tUuc ?
a
三相电压波形
wt
u2
a b c a
0 ω t
三相半波可控整流电路，
对脉冲要求，一个周期需
三个脉冲，相邻脉冲间隔
120° 。
A
B
C
§ 3-1：三相半波可控整流电路
a
b
c
VT1
VT2
VT3
Rd
VT1,VT2,VT3共阴极接
法，阳极电位高者先导通
自然换相点，
定义为 a=0°
结论：三相半波 a???距
离坐标原点为 30°
演示
阻性负载
71
结论
a＞ 30?时，负载端电压
波形是断续的
d a b c au
0 ωt
a b c aud
0 ωt
0＜ a≤30?时，负载端
电压波形是连续的
72
晶闸管两端电压波形的确定
演示
数量关系：
α
时当
c o s17.1)(s i n2
2
3
300
22
6
5
6
0
UttdUUd ??
??
?
?
?
??
?
a
?
a
?
a
3
)30c o s (1
17.1)(s in2
6
2
3
15030
0
22
00
a
???
a
?
?
a
??
?
?
?
??
? UttdUUd
时当
74
感性负载
a
b
c
VT1
VT2
VT3 Rd
Ld
VD
演示
75
结论
ddT
T
II
UUd
ud
577.0
3
1
c o s17.1
180
:90
2
0
0
?
?
?
?
a
q
a
?
波形连续，
0
:90
0
?
?
Ud
ud
且正、负面积相等
波形断续，
a
返回
负载端要有电压，
需共阳极组和共
阴极组不同相的
两个管子同时导通。
§ 3-2：三相桥式全控整流电路
VT1 VT3 VT5
VT4 VT6 VT2
VT1,VT3,VT5共阴极接法
VT2,VT4,VT6共阳极接法
如何保证 VT1,VT4同时
导通，一般对此电路采用
双窄脉冲，即：
ug1
ug6' ug2
ug1' ug3
ug2' ug4
ug3'
ug4'
ug5 ug5'
ug6
演示
假设 VT1,VT4
同时导通，则负
载端电压
ud=uab.
77
)]60c o s (1[34.2
:60
c o s34.2
:60
0
2
0
2
0
???
?
?
?
a
a
a
a
UU
UU
d
d
数量关系：
78
① 移相范围 0～ 90° 。
② a≤90° 时，负载端电压连续
Ud=2.34U2cosα
③ 三相全控桥负载端电压为线电压。
结论 返回
79
§ 3-3：三相桥式半控整流电路
一,阻性负载：
a <=60o，负载端电压波形
连续
当 α 〉 60° 时，负载端电压波形断续
二,电感性负载：
与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因
此在带电感性负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出
现负电压。为避免失控现象，负载端要接续流二极管。
VT1 VT3 VT5
VD4 VD6 VD2? ?ac o s117.1
2 ?? UU d
? ?ac o s117.1 2 ?? UU d
80
控制角 α=30°
负载断电压波形连续，
一个周期有 6个波头。
三相半控桥整流电路阻性负载
81
控制角 α=120°控制角 α=60°
当控制角 α≥60 ° 时，负载端电压波形在
一个周期内只有三个波头且电压波形由连
续变成断续。
82
三相半控桥式整流电路与三相全控桥
式整流电路的比较
? 三相全控桥式整流电路能工作于有源逆变状态，
而三相半控桥式整流电路只能作可控整流，不
能工作于逆变状态。
? 三相全控桥式整流电路输出电压脉动小，基波
频率为 300HZ,比三相半控桥式整流电路高一
倍。
? 三相半控桥式整流电路只用三个晶闸管，只需
三套触发电路，不需要宽脉冲或双窄脉冲，线
路简单经济。
? 三相全控桥式整流电路控制增益大，灵敏度高。
返回
83
§ 3-4：整流电路的换相压降
⑴ 概念：
换相压降,换相过程中产生的一个压降。
⑵原因：
整流变压器漏抗存在的结果。
波形演示
a
b
VT1
VT2
Ld
Ld
i k
Ll
Ll
dt
diuu k
Llab ??? 2
dt
diLuu k
lbd ???
)(21 bad uuu ??
a b c a
0 ω t
VT2
Rd
Ll
相压降可控整流一个周期的换
一般的
:
2
2
3
2
3
)(
2
3
)(
2
3
)()(
2
3
0
m
IX
m
U
IX
diL
td
dt
di
L
td
dt
di
L
tduuU
dlr
dl
k
I
l
k
l
k
l
dbr
d
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?a
a
?a
a
?a
a
?????
?
???
???
??
???
?
?
?
?
?
?
?
换相压降
漏抗存在的结果
⑴,在换相过程中，相当于相间短路，产生一个假象的
短路电流 Ik,使输出电压 ud波形，晶闸管两端电压 ut
波形发生畸变，当负载较大时，可造成电网电压波
形畸变, 影响整流装置本身和其它设备的正常运行 。
⑵,漏抗的存在，相当于整流电源增加一项内阻产生换
相压降 △ Ur,使输出平均电压降低，整流电路外特性
变软。
⑶,漏抗使整流装置的功率因数变坏，电压脉动系数增
加，输出电压调整率降低。
换相重叠角 ?：
定义,换相期间，两个相邻晶闸管同时导通所
对应的电角度，用 ?表示。
大小：
m
U
XI ld
??aa s in2)c o s (c o s
2
???
三相半波 m=3,电源相电压为 U2
3
s i n2
)c o s (c o s
2
??aa U
XI ld???
6
s i n32
)c o s (c o s
2
??aa U
XI ld???
相同三相全控桥 m=6,电源电压为 √ 3U2
返回
88
第四章：晶闸管整流主电路计算及保护
第一节 整流变压器参数计算
第二节 晶闸管电压电流的计算与选择
第三节 晶闸管的过电压保护
第四节 晶闸管的过电流保护与电压、
电流上升率的限制
第五节 晶闸管的串联和并联
第六节 平波电抗器电感值的计算
返回
89
一、变压器二次相电压 U2Φ
计算二次相电压必须考虑以下因素：
（ 1）最小控制角 α min。
（ 2）电网电压波动。允许波动 +5%～ -10%，常取 β =0.9。
（ 3）变压器漏抗产生的换相压降 Ur。
（ 4）晶闸管或整流二极管的正向导通压降 △ U。
考虑以上因素之后，变压器二次电压的计算公式为：
§ 4-1：整流变压器参数计算
?
?
?
?
?
?
?
??
??
n
Dl
d
I
I
CUA
UnU
U
2
2
m i n
m a x
2
c o s a?
变压器短路电压比
变压器二次侧实际
工作电流与变压器
二次侧额定电流之比
90
一次、二次电流与变压器容量
如果忽略变压器激磁电流，则变压器一次侧、
二次侧电流的关系根据磁势平衡原理有
I1N1=I2N2 I1=I2N2/N1=I2/K
三相桥式整流电路一次、二次侧容量
S2=3U2Φ I2=1.05Pd S1=3U1Φ I1=3U2Φ I2
三相半波整流电路一次、二次侧容量
S2=3U2Φ I2=1.48Pd S1=3U1Φ I1=3U2Φ I1=1.21Pd
返回
91
§ 4-2:晶闸管电压电流的计算与选择
晶闸管的额定电压必须大于线路实
际承受最大电压的 2～ 3倍
晶闸管的额定电流还要比查表计算
值大 1.5～ 2倍
d
dTfT
dd
d
dTfT
AVT
d
d
dT
fTdTfTTAVT
I
IK
k
kII
I
IK
I
I
I
I
KIKII
57.1
57.1
57.1
)(
)(
?
??
?
?
?
?
?
?
???
某晶闸管直流调速系统采用 Z2－ 92直流电动机，主电路为
三相全控桥式整流电路，已知整流变压器二次相电压为
U2Φ =140V,电动机的最大电流为 466A，试用查表发选
择晶闸管。
解：三相全控桥式整流电路中元件承受的峰值电压 UTM查晶闸管
额定电压、额定电流选择表得
晶闸管额定电压为
取 Utn=800V
晶闸管的额定电流查表得
IT（ AV） =（ 1.5～ 2） × kId=(1.5～ 2) × 0.367× 466A
=257～ 342A
取 IT（ AV） =300A
所以晶闸管的型号规格为 KP300－ 8。
例,
返回
VVUU TM 3 4 31 4 0626 ???? ?
? ? VUU TMTn 1 0 2 96 8 632 ????
93
§ 4-3：晶闸管的过电压保护
94
过电压
? 凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大
峰值电压就称为过电压。过电压产生的
原因：
①,由于雷击等原因从外部电网侵入装置的
偶然性浪涌电压。
②,游宇电路中经常发生某个部位线路的通
断使电感元件积聚的能量骤然释放引起
的过电压，又叫操作过电压。
95
晶闸管关断过电压
由于晶闸管关断引起的过电压，称为 关断过电压,数值
可达工作电压峰值的 5～ 6倍。
方法,在晶闸管两端并联电容 C，利用电容两端电压瞬
时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把它限止
在允许的范围内。实用时，在电容电路中串接电
阻 R，这种电路称为 过电压阻容吸收电路 。
交流侧过电压
由于交流侧电路在接通断开时出现暂态过程，因此在晶
闸管整流桥路输入端出现超过正常计算值的电压，此电压称
为 交流侧操作过电压 。
方法, 1、并接阻容吸收电路。
2、非线性电阻吸收装置。
(常用的有硒堆与压敏电阻 )
97
直流侧过电压
当断开负载时，储存在交流电路、变压器中的磁场能量
会在开关和整流桥两端产生过电压，此电压称做 直流侧过
电压 。
方法,由于直流侧过电压能量较大，因此常采用
硒堆、压敏电阻或小晶闸管来保护。
返回
98
§ 4-4：晶闸管的过电流保护与电压、
电流上升率的限制
? 凡流过晶闸管的电流大于其正常工作电
流时，就叫 过电流 。
? 产生过电流的原因：
1,直流侧短路
2,生产机械过载
3,可逆系统中产生环流或逆变失败
4,直流电动机环火
99
过电流保护
过电流的保护措施
方法,1、在交流进线中串接电抗器，或采用漏抗较
大的变压器。
2、灵敏过电流继电器保护。
3、限流与脉冲移相保护。
4、直流快速开关保护。
5、快速熔断器保护。
100
电压与电流上升率的限制
晶闸管的电压上升率的抑制：
在整流桥臂串接空心
电抗或在桥臂上套磁环，
抑制后的电压上升率与
桥臂交流电压峰值成正
比，与桥臂电抗成反比，
桥臂电抗通常取 20～
30mH.
晶闸管的电流上升率的抑制：
1、在桥臂上串联电感。
2、阻容吸收电路采用
整流式接法，使电
容放电电流不经过
晶闸管，对限制电
流上升率值也有好
处。
返回
§ 4-5：晶闸管的串联和并联
当晶闸管装置提供高电压或大电流时，如果
要求晶闸管应有的电压或电流的额定值，则可把
晶闸管串联起来或并联起来使用。
晶闸管的并联
晶闸管的串联
102
晶闸管的串联
VT1 VT2
u T1 u T2
VT2VT1
Rj Rj
u
io
u T2 u T1
I R
方法,⒈静态均压 ---正反向阻断状态 21 TT uu ?
均压电阻
103
⒉ 动态均压 ---开通过程和关断过程
? 开通时，由于二个二极管开通时间不一样，应导通的晶
闸管将承受全部电源电压，造成硬开通。关断时，先关断的
管子将承受全部的电源电压，造成管子反向击穿。 ---并联阻
容。
R RC C
104
晶闸管的并联 i 2
i 1
i T1 i T2
21 ii ?
105
方法：⒈电阻均流
⒉ 电抗均流
VT2VT1
R R
??
)(
)2~5.0(
AVT
T
I
U
R
+
_
-
+
i T1 i T2
106
结论
⒈ 选管子，尽量选特性一致的管子。
⒉采用强触发脉冲，前沿要陡，幅值要大。
⒊串联时采取均压措施，并联时采取均流措施。
⒋降低电压或电流额定值的 10﹪ 使用。
107
§ 4-6：平波电抗器电感值的计算
维持输出电流连续时电抗器电感值的计算：
L1=1.46 U2Φ sin a ／ Idmin
L1=K1U2Φ ／ Idmin
限制输出电流脉动时电抗器电感值的计算：
返回
did
dM
IS
U
f
U
U
L ??
?
22
2
2 ?
108
平波电抗器的计算
电动机电感值的计算：
mH
IPn
UKL
eDeD
eD
DD
2
10 3??
考虑电流连续时 )(11 DBd LLLL ???
考虑电流脉动时
)(22 DBd LLLL ???
对于三相桥式整流电路，因变压器两相串联导电
式中的 LB应以 2LB代入。
返回
109
第五章：晶闸管触发电路
第一节,对触发电路的要求
第二节,简单触发电路
第三节,简单晶体管触发电路
第四节,正弦波触发电路
第五节,锯齿波触发电路
第六节,集成电路触发器
第七节,触发脉冲与主电路电压的同步
第八节,脉冲变压器与防止误触发的措施
返回
110
§ 5 -1：对触发电路的要求
一、触发信号应有足够的功率，触发电路送出
的触发信号是作用于晶闸管门极与阴极的。
二、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可
能的陡，以使元件在触发导通后，阳极电
流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
三、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，
脉冲移相范围必须满足电路要求。
返回
111
? 交流静态无触点开关电路
? 用光耦合器组成的触发电路
? 用数字集成块组成的触发电路
? 简单移相触发电路
? 阻容移相桥式触发电路
§ 5 -2：简单触发电路
返回
112
§ 5 -3：单结晶体管触发电路
单结晶体管的结构与特性
单结晶体管自激振荡电路
113
单结晶体管的结构与特点
b 2
R b2
VD
e
R b1
b 1e
b 2
b 1
结构与符号
e
b2
b1
第一基极
第二基极
射极
单结晶体管
组成的触发
电路，具有
简单可靠、
触发脉冲前沿陡，
抗干扰能力强以及
温度补偿性能好等
特点。
114
Q2
I bb
b 2
R b2
R b1
b 1
U D
VD
Re
Ee
U bb
Q 1
e
Ie
A
Ue
单结晶体管试验电路
工作原理：
⑴当开关 Q1断开即 b1,b2间未加电压时, 电路则为二极
管 VD和电源 Ee通过电阻 R1及 Rb1串联, Ue与 Ie的关
系曲线接近于普通二极管的正向伏安特性曲线。
⑵发射极断开, 闭合 Q1即在 b1,b2之间加上电压 Ubb时,
A点对 b1的电位为
⑶闭合 Q1,调 Ee,当 Ue从零逐渐增加, 但小于 ?Ubb时,
等效二极管 VD为反偏状态，存在很小的反向漏电流。
9.0~3.01
1
值一般为即单结管的分压比，其
bb
b
bb
bb
b
bbA
R
R
U
R
R
UU
?
???
?
?
⑷ 当 Ue=?Ubb时,Ie=0，管子截止。
⑸当当 Ue>?Ubb，但当 Ue<?Ubb+UD时,Ie>0,管子截
止，存在很小的正向漏电流。
⑹当 Ue>?Ubb+UD时,管子导通, Ie剧增, Rb1为可变电
阻。
—谷点电压—
—峰值电压—
—负阻区—
V
P
e
e
eb
beAb
U
U
I
U
R
RIUR
0
1
11
?
?
?
??
?????
117
单结晶体管的特性
Ue
Ie
Up
V
b
Uv
I bb =0
U bb = 3 0 v
20v
10v
Ip
a
截止区 负阻区 饱和区
P
单
结
晶
体
管
的
伏
安
特
性
118
单结晶体管自激振荡电路
e b2
b1 V
＋
－
Re
返回
R2
R1C
U p
U sc
充电时间常数 CR
e?充? CRR b )( 11 ??放?
)
1
1
l n (
1
1
)
1
1
l n (
1
)1(
)1(
),(
11
?
?
?
?
??
?
?
?
?
??
?
?
??
???
?
???
?
?????
?
?
?
CR
T
f
CRT
e
eUUU
TtUu
eUuu
tT
RRR
e
e
t
t
P
Pc
t
ce
be
充
充
充
即
时，充到当
充电过程中，
所以
由于
充
充
放充
放电时间常数
⑴ 调节电阻 Re能改变自激振荡电路的振荡频率，
要电路保持振荡,Re必须满足下列条件：
P
P
e
V
V
I
UUR
I
UU ????
⑵ R1决定输出脉冲的幅值和宽度
⑶ R2用来补偿温度对 Up的影响，用来稳定振荡
频率。
?返回
§ 5-4：正弦波触发电路
正弦波同步触发电路分析
正弦波同步触发电路
正弦波同步触发电路优缺点
U 5
wt
U
U
U
U
1
2
3
4
wt
wt
wt
wt
R 6
TP
VD 7
VD 8
RP
R 4
VD 5
V 4
V 3
脉冲功放、输出
(7 )
(9 )
G
K
C 1
VD 1
VD 2
VD 3
C 2
R 2 R 3
VD 6
C 3
V 2
R 5
VD 4
B
脉冲形成、整形
(5 )
(6 )
0,04 7U F
U
+15 v
(-)
(+)
Ub
Uc
Us 1 2K Rs
VD
R 1
R b
R c
C
1uF
V 1
R
?
同步、移相
( 1 )
( 4 )
( 2 )
( 3 )
正弦波同步触发电路
U
U
7
8
wt
wt
123
正弦波同步触发电路分析
稳态,V1管未导通,R2供给 V2足够基极电流使之饱和，
V3,V4截止。电容 C3如图①经 R1,VD1充电后
接近 15v，极性为左正右负。
暂态,同步移相使 V1导通,V2截止,V3,V4导通，
C3如图②放电反充。⑥点电位升到 0.7v时,V2
导通,V3,V4截止，暂态结束，输出脉冲截止。
图① 图②
124
?返回
正弦波同步触发电路优缺点
优点,（ 1） 整流装置在负载电流连续时，直流 输出电
压 Ud与控制电压 Uc成线性关系。
（ 2） 能部分补偿电源电压波动对输出电压 Ud的
影响。
缺点, （ 1） 同步电压直接受电网电压的波动及干扰
影响较大，特别是电源电压波形畸变时，导致
整个装置工作不稳定。
（ 2）正弦波移相电路理论上分析移相范围可达
0～ ?，实际上由于正弦波顶部平坦与 Uc交点
不明确而无法工作。
125
§ 5-5：锯齿波触发电路
锯齿波同步触发电路分析
锯齿波同步触发电路
锯齿波同步触发电路
U
U
U
1
2
3
wt
wt
wt
U
b4
wt
R 1 1
C3
R 1 5
R 1 3
V5
V6
V7
C5
V D 7
R 1 6
V D 5
V D 4
C4
C7
15
X Y
15
3 0 K
C6
C D 6
V D 8
V4
Ω
3 0 KΩ
6, 2 KΩ
0, 1 F
μ
0, 4 7 Fμ
0, 4 7 Fμ
( V 1 3 C G 1 D
V 2 - V 7 3 D G 1 2 B
V D 1 - V D 7 2 C P 1 2 n )
4
5
6
7
8
脉冲形成、整形放大、输出环节
R1
V 9
R3
R4
V1
V3
R7
R8
R9
R6
C2
V2
VD 1 VD 2
C1
Uc
RP 2
R1 0
+1 5
1 Fμ
10K Ω
4.7 KΩ
4.7 KΩ
2.2 KΩ
1 Fμ
3,3K
12 K
6,8K
R2
R520 0Ω
36
~
V
1
2
3
锯齿波形成、同步移相控制环节
U
4
wt
U
5 wt
U
6 wt
wt
wt
U
8
U
7
127
锯齿波同步触发电路分析
脉冲形成放大环节：
脉冲形成与放大环节由 V4,V5,V6,V7,V8,C3
等元件组成,T4管道同瞬间决定脉冲输出时刻,T5关持续截
止,时间即使脉冲的宽度,而 T5截止只时间的长短是由 C3反
向充电时间常数 R11C3决定,
VD6在于提高 V7,V8、管的导通阀值，提高抗干扰能力。
uK-移动脉冲的相位，脉冲移相的目的。
uP-当 uK=0时，确定脉冲的初始相位。
返回
锯齿波形成、同步移相环环节
该环节主要由 V1,V2,V3,C2,DW、等元件组成
T1,DW,RW1,R3、组成恒流源向 C2提供充电电流
调节 RW1,即可改变锯齿波的斜率。
?
?
?????
?
?
tI
C
dtI
C
u
Ii
dti
C
u
CCC
CC
CC
1
2
1
2
2
11
1
2
2
11
1
?
uc2
t
129
同步电压环节
同步电压环节由同步变压器 BT和 V2管等元件组成。
同步的实现：同步电源变压器 BT和主电路整流变压器接
在同一电源上。
双窄脉冲的形成
本相触发单元发生第一个脉冲后，间隔 60° 的第二个
脉冲可以以滞后 60° 相位的后一相触发单元在产生第一
个脉冲时刻将其同步移相环节送来的负脉冲信号送到本相
触发单元 V6管的基极，强迫 V6截止，于是本相单元的 V8
管导通，输出与第一个脉冲间隔 60° 的第二个脉冲，这
样就得到了间隔 60° 的双窄脉冲。
返回
130
§ 5-6：集成电路触发器
KC04 移相集成触发器简介
KC04 移相集成触发器外型
131
KC04移相集成触发器简介
它由同步信号、锯齿波产生、移相控
制、脉冲形成和整形放大输出等环节组成。
由于集成触发器的应用，提高了触发电路
工作可靠性；缩小体积，大大简化了触发
电路的生产与调试。应用于各种移相触发、
过零触发、双脉冲形成、以及脉冲列调制
等场合。
132
返回
KC04移相集成触发器外型
1#输出正半周脉冲,7#,8#经电阻接电
源,9#综合比较点,13#脉冲列调制,14#脉
冲打锁控制,15#输出负半周脉冲。
1 2 3 4 5 6 7 8
910111213141516
133
§ 5-7：触发脉冲与主电路电压的同步
同步的概念：
正确选择同步
信号电压相位以及
得到不同相位同步
信号的方法，称为
晶闸管装置的同
步或定相 。
实现同步的方法,
晶闸管装置是
通过同步变压器不
同连接方式或再配
合阻容移相，得到
要求相位的同步信
号电压。
① 正弦波：
NPN—— usv滞后 ua120°
PNP—— usv超前 ua60°
② 锯齿波：
NPN—— usv滞后 ua180°
PNP—— usv与 ua同相
wt
u d
wt
w t1
1 2 0
w t3
90
30
u sv
u sv u sv
wt
wt
w t1 w
t3
60
w t1
u sv
u c 2
u sv
wt
u sv
135
实现同步的步骤：
①根据主电路的结构，负载的性质及触发电路的形式与脉
冲移相范围的要求，确定该触发电路的同步电压 UT与对
应晶闸管阳极电压之间的相位关系。
②根据电源变压器的接法，以电网某线电压作参考矢量，
画出电源变压器次级电压的矢量，从而确定相对应的同步
电压和同步线电压矢量。
③根据同步变压器次级线电压矢量位置，确定同步变压器
钟点数。
例 三相半波电源变压器为 Y／ Y-12，触发电路采用PNP的正弦波移相触发电路，求：
1、同步电压与对应晶闸管阳极电压的相位关系
2、确定同步变压器的钟点数
ABU?
aU?
saU
sabU
如果采用 NPN的正弦波触发电路,usv滞后 ua120°
ABU?
aU?
sabU
saU
Y／ Y— 10 Y／ Y— 4
30°
30°
返回
解,正弦波 PNP,usv超前 ua60°
§ 5-8:脉冲变压器与防止误触发的措施
防止误触发的措
施
脉冲变压器
138
脉冲变压器
用途：
1、起阻抗匹配作用，降低脉冲电压幅值增大
输出电流，更好触发晶闸管；
2、可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立
脉冲。
3、将低电压的触发电路与高电压的主电路在
电器上加以隔离，有利于防干扰与安全，并且
可使触发器之间在电气上隔离。
139
防止误触发的措施
1、由于晶闸管装置强弱电混于一体，装置的
电气工艺布置需要认真考虑。
2、触发器的电源采用静电屏蔽的变压器供电，
取自电网的同步信号也必须采用有静电屏蔽的
同步变压器隔离。
3、在晶闸管门阴极之间或在脉冲变压器二次
侧输出端，串并二极管、电阻、电容、有利于
防干扰。
4、采用触发电流大的晶闸管。 返回
140
第六章：晶闸管有源逆变电路
? § 6-1 有源逆变的工作原理
? § 6-2 逆变失败与逆变角的限制
? § 6-3 晶闸管直流可逆拖动的工作原理
? § 6-4 绕线转子异步电动机的串级调速
? § 6-5 晶闸管装置的功率因数与对电网
的影响
返回
141
§ 6-1：有源逆变的工作原理
整流,交流电 整流器 直流电 用电器
逆变,直流电 逆变器 交流电 用电器
有源逆变,直流电 逆变器 交流电 交流
电网，即将直流电变成和电网同频率
的交流电并送到交流电网去的过程。
无源逆变,直流电 逆变器 交流电（频率
可调） 用电器
工作原理：
当晶闸管在交流电源电压瞬时值为
正向导通，电源瞬时输出功率；当瞬时
电压为负时，电源瞬时送出负功率即吸
收功率。在有源逆变时，一周期内晶闸
管导通的时间中，电压波形负面积大于
正面积。
143
实现逆变的条件
1、直流侧必须外接与直流电流 Id同方向
的直流电源 E,其数值要稍大于 Ud，
才能提供逆变能量。
2、变流器必须工作在 ?﹤ 90° 区域，使
Ud﹤ 0，才能把直流功率逆变为交流
功率逆变电网。
返回
144
三相半波有源逆变电路
a
b
c
N
i a
i b
i c
I d
U d
L d
E
a b c
0 ω t
u d
VT1的 ????VT1的 ???
演示
145
结论：
⒈三相半波逆变电路，负载端的电压
基本上为 反向电压。
⒉三相半波逆变电路，晶闸管在阻断
时主要承受正向电压。
逆变角:
c o s17.1 2
?
?UU d ??
146
§ 6-2：逆变失败与逆变角的限制
逆变失败的原因：
1、触发电路工作不可靠
2、电源出现故障
3、晶闸管元器件的质量
4、换相重叠角的大小
最小逆变角：
?min≥?﹢ ?0﹢ qa≈30° ～ 50°
返回
147
§ 6-3：晶闸管直流可逆拖动的工作原理
转速下降
电机正转
制动状态
转速上升
电机正转
电动状态
转速上升
电机反转
电动状态
转速下降
电机反转
制动状态
用
接
触
器
控
制
的
直
流
电
动
机
正
反
转
：
148
采用两组变流桥的可逆电路：
工作情况：
两组变流桥，将其按极性反连接（ 反并
联连接、交叉连接 ），一组工作在电动机正
转，另一组工作在电动机反转。
常用的反并联可逆系统：
1、逻辑控制无环流可逆系统。
2、有环流反并联可逆系统。
3、错位无环流可逆系统。
返回
149
§ 6-4：绕线转子异步电动机的串级调速
低同步串级调速的基本原理：
绕线转子异步电动机的转子电动势其大小
与频率都随电动机转速而变，如果在转子回路
中，串入与转子电动势频率一致、相位相反的
交流附加电动势，则附加电动势增大，电动机
转速下降；附加电动势减小，则电动机转速上
升，即可实现电动机的无级调速。
150
斩波式逆变器串级调速原理
能够大大降低无功损耗，提高功率因
数，减小高次谐波分量而且线路比较简单。
U 21
E 20
M
斩
波
器
返回
151
§ 6-5：晶闸管装置的功率因数与对
电网的影响
整流装置的视在功率,S=U1I1
电网输入的有功功率,P=U1I11cos?1
功率因数,cos? =P／ S=I11cos?1／ U1I1
改善方法,1、小控制角运行
2、采用两组变流器的串联供电
3、增加整流相数
4、设置补偿电容
晶闸管装置对电网的影响,
1、高次谐波电流可引起串联或并联谐振，引起热损
坏、谐振、闪烁等事故。
2、对通信线路产生杂音。
3、对变压器的铁心产生噪声，铁耗和铜耗增加，容
量减小，箱壁或箱盖产生涡流发热。
4、对输电线路，谐波电流常引起线路的串联谐振，
造成绝缘击穿。
5、使感应电动机转速周期性变动，铁耗和铜耗增加。
6、对仪用互感器，会影响电流或电压的相位差，导
致测量精度下降。
7、会导致计算机误操作。 返回
153
第七章：晶闸管交流开关与交流调压
?双向晶闸管
?晶闸管交流开关
?三相交流调压
?单相交流调压电路
返回
154
§ 7-1：双向晶闸管 第一阳极
第二阳极
门极
T 2
G
T 1
? 与普通晶闸管一样，也有塑料封装、螺旋型与平
板型三种，核心部分是五层三端半导体结构。
155
双向晶闸管伏安特性
? 要使管子能通过交流电
流，必须在每个周期内
对门极触发一次，只有
在元件中通过的电流大
于掣住电流后，去掉触
发脉冲后才能维持元件
继续导通；只有在元件
中通过的电流下降到维
持电流以下时，元件才
能关断并恢复阻断能力。
U DSM U DRM
I L
I H
I H
I L
U DRM U
DSM
u
i
156
双向晶闸管的型号
K S □ － □ － □ □
表示闸流特性
表示双向
额定通态电流值
断态重复峰值电压级数
断态电压临界上升率级数
电流临界下降率级数
157
Ⅰ ＋
Ⅲ ＋
Ⅰ －
Ⅲ －
＋
＋
＋
＋－
－
－
－
触发方式
第 Ⅰ 象限
第 Ⅲ 象限
T1端极性 门极极性 触发灵敏性相对于 Ⅰ ＋
1
近似 1／ 3
近似 1／ 4
近似 1／ 2
双向晶闸管的触发方式
?返回
158
§ 7-2：晶闸管交流开关
一、简单交流开关及应用
门极毫安级电流的通断，可控制晶闸管阳极几十
到几百安培大电流的通断。交流开关的特点是晶
闸管在承受正半周电压时触发导通，而它的关断
是利用电源负半周在管子上加反压来实现，在电
流过零时自然关断。
二、过零触发开关电路与交流调功器
移相触发控制使电路中的正弦波出现缺角，包含
较大的高次谐波。为克服此缺点，可采用 过零触
发或称为零触发 。交流零触发开关使电路在电压
为零或零附近的瞬间接通，利用管子电流小于维
持电流使管子自行关断，此开关对外界的电磁干
扰最小。 调节方法,可利用 调功器或周波控制器 。
即在设定的周期内，用零电压开关接通几个周波
然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的
通断时间比例，以调节负载上的交流平均电压，
即可达到调节负载功率的目的。
160
三、固态开关
固态开关 简称 SSS
固态开关 分类, 固态继电器 简称 SSR
固态接触器 简称 SSC
是一种以双向晶闸管为基
础构成的无触点通断组件
特点：体积小、工作频率高，使用于频
繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易
燃的环境。 ?返回
161
§ 7-3：单向交流调压电路
几种交流调压的触发电路
交流调压电路分析
1、电阻性负载
2、电感性负载
晶闸管交流稳压电路
162
几种交流调压的触发电路
简单双向调压电路
触发二极管交流调压电路
单结晶体管触发电路
KC06触发器组成的晶闸管移相
交流调压电路
程控单结晶体管
163
阻性负载
正半周 a时刻触发一只管子，负半周 a时刻触发另一只管子，
输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波。
单相交流调压的负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电
流波形一致，触发电路也可套用，不过触发电路的输出必须通过
脉冲变压器，两个绕组之间要有足够的绝缘。
VT
VT1
VT2
164
感性负载
a ＞ ?,q＜ 18?°,正负半波电流断续,a愈大,q愈小，
波形断续愈严重。
a ＝ ?,q＝ 18?°,正负半周电流处于临界连续状态，相
当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率。
a ＜ ?,q＞ 18?°,电路已不起调压作用，不能正常工作。
所以，带电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发。
165
晶闸管交流稳压电路
VT3
VT4
VT1
VT2
对波形要求较高的
场合，应在输出端
加设电容、电感滤
波环节。
?返回
166
§ 7-4:三相交流调压
当交流功率调节容量较大时通常采用三相交流调压。
三相交流调压常用的四种接线方式：
星形带中性线的三相交流调压电路
晶闸管与负载联结成内三角形的三相交流调压电路
用三对反并联晶闸管联结成三相三线交流调压电路
三相晶闸管接于星形负载中性点的三相交流调压电路
?返回
167
第八章：变频电路与直流斩波
?变频电路的基本概念
?并联谐振与串联谐振逆变器
?强迫换流式逆变电路
?晶闸管中频装置
?直流斩波电路
返回
§ 8-1
§ 8-2
§ 8-3
§ 8-4
§ 8-5
168
§ 8-1:变频电路的基本概念?
变频器及其分类?
无源逆变器的简单工作原理?
电感性负载与反馈二极管
169
变频器及其分类
分类：
①交流－交流变频
它将 5?HZ的交流直接变成其它频率的交流，称 直接变频 。
②交流－直流－交流变频
将 5?HZ交流先整流为直流，再由直流逆变为所需的交流。
逆变器：
由直流逆变为交流的装置称为 逆变器,它直接将电压供
给负载使用，因此，也称 无源逆变 。
无源逆变器的简单工作原理
单相零式电路、两
晶闸管按不同频率
交替导通，得到交
流电压
单相桥式电路，两
对晶闸管交替导通
关断，得到交流电
压
单相半桥式逆变
器，两只晶闸管
轮流导通，输出
电压在 ± ? 之间
t
u AB
V T1
V T2
VT1 VT2
VT1 VT2
VT3 VT4
t
u AB
V T1, 4
V T2, 3
t
u AB
V T1
V T2
VT1
VT2
C1
C2
171
电感性负载与反馈二极管
由于半周末关断一对晶闸管和导通另一对晶
闸管是, 由于负载是电感性的, 电流滞后于电压,
故此时电流还未到零，如使负载电流瞬时反向，
将在负载电感两端感应出大电压, 使管子损坏 。 为
此必须在晶闸管两端反并联一个二极管（ 称为反
馈二极管 ），电路才能够正常工作。
?返回
172
§ 8-2:并联谐振与串联谐振逆变器
并联谐振 串联谐振
Zmax Zmin
t
u
t
i
t
u
t
i
?返回
173
§ 8-3:强迫换流式逆变电路
PWM控制简介及原理
PWM控制波形
【 以电压型单向逆变电路为例 】
174
电压型单向逆变电路原理
PWM变频电路上采用电压型逆变器，是利用控
制逆变器开关元件的导通和关断时间比调节脉冲宽
度，来控制逆变电压的大小和频率。主电路简单且
功率因数与效率都高 `。由于调压在逆变器中完成，
故避免额定惯性滤波电容对电压调节响应的影响。
电压调节速度快，适合作为异步电动机变频调速的
供电电源，实现平滑启动、停车和高效率宽范围调
速。
175
电压型单向逆变电路
?电路中 VT1,VT4正半周导通，
VT2,VT3负半周导通。
VT1 VT2
VT3 VT4
176
电压型单向逆变电路波形
电路中 VT1,VT4正半
周导通,VT2,VT3负半
周导通。逆变输出得到正
负矩形波。设法在正负半
周内是对应功率开关元件
多次导通关断，得到正负
电压脉冲，改变脉冲的占
空比 τ/T即可改变逆变电
压大小。 ?返回
177
§ 8-4:晶闸管中频装置
主电路 采用全控桥而不采用半控桥
逆变触发电路的组成：
信号检测电路和脉冲形成电路
装置的保护：
交流侧与直流侧的过电压保护
交流相间短路保护
逆变侧的过压、过流保护 ?返回
178
§ 8-5:直流斩波电路
179
晶闸管直流开关
VT1 VT2
C
晶闸管直流开关是斩
波器的核心,VT1导通时，
C充电，极性为右正左负
要关断 VT1时，只要触发
VT2。
180
普通晶闸管直流斩波电路
脉冲宽度控制（ PWM):也称定频调宽式，此方式
斩波晶闸管的触发频率一定调节脉冲宽度在 0～ T之间变
化，负载电压在 0～ U之间变化。
脉冲频率控制（ PFM):也称定宽调频式，此方式脉
宽一定，改变管子通断频率，频率下降，周期增大，负
载电压减小。
脉冲混合控制,同时改变频率和周期 。
返回
电力电子技术
电子教案
2
电 子 教 案 部 分
3
目录
?绪论
?第一章 晶闸管
?第二章 单相可控整流电路
?第三章 三相可控整流电路
?第四章 晶闸管整流主电路计算及保护
?第五章 晶闸管触发电路
?第六章 晶闸管有源逆变电路
?第七章 晶闸管交流开关与交流调压
?第八章 变频电路与直流斩波电路
4
绪 论
? 晶闸管全称为晶体闸流管，是一种大功率半导体器件。
它具有容量大、控制特性好、寿命长以及体积小等特点。
? 电力半导体器件应用技术的基本功能是对电能的 整流、
逆变、斩波、变频、开关等的控制。按功能可分为：可
控整流；逆变与变频；交流调压；直流斩波调压；无触
点功率静态开关。
? 本课程是一门专业基础性质较强且与生产紧密联系的课
程，主要介绍晶闸管元件、可控整流电路、触发控制电
路、交流调压、直流斩波以及变频电路的工作原理及过
压、过流保护方法、各种典型生产实例。
5
绪 论
? 半导体变流技术，就是利用电力半导体器件（又叫电
力电子器件）进行电能变换的技术，包括电压、电流、
波形、频率和相数等的变换。
? 晶闸管的发展史：
1958年 -------工业用的晶闸管
70年代 -------功率集成器件
80年代 -------功率集成电路
现在 -------新型电力电子器件
? 晶闸管变流技术按其功能可分为：
整流器 — 把交流电压变成固定或可调的直流电压
6
绪 论
?逆变器 — 把 固定的直流电压变成固定或可调的
交流电压
?斩波器 — 把 固定的直流电压变成可调的直流电
压
?交流调压器 --把固定的交流电压变成可调的交
流电压
?变频器 — 把固定的交流频率变成可调的交流频
率
7
晶闸管组成的变流装置的优、缺点
? 优点,
1。装置功率放大倍数大，可达 104以上。与直流发电机组相比，要
高三个数量级。
2。快速响应好，变流机组为秒级而晶闸管为毫秒级。
3。功耗低、效率高、节能效果显著。
4。它是静止式电子装置，体积小、重量轻、无噪声、无火化磨损，
维护方便，可靠性高。
? 缺点,
1。晶闸管元件的电压电流过载能力差，必须设置可靠的保护措施。
2。晶闸管采用移相触发时，出现非正弦电压与电流，使电网波形畸
变产生高次谐波，导致电网质量下降。
3。移相控制在控制角大时，功率因数低。
8
电力电子器件介绍
?kp 普通晶闸管
?GTO 门极可关断晶闸管
?MOSFET 电力场效应晶体管
?IGBT 绝缘栅双极晶体管
?KC 集成化的晶闸管模块
9
晶闸管简介
? 晶闸管结构,
大功率 PNPN四层半
导体元件，
N
N
P
A
K
G
P 有三个引
出极，阳极 （ A）,
阴极 （ K）, 门极 （ G）
符号如左图所示
G
K
A
J1
J2
J3
10
平板式普通晶闸管和螺
栓式普通晶闸管的区别
平板式普通晶闸管属于双面散热，适用于大功率
场合；螺栓式普通晶闸管属于单面散热，适用于中、
小功率场合。
11
门极可关断晶闸管 ---GTO
GTO为 PNPN四层结
构，与普通晶闸管结构相
似。具有门极正信号触发
导通，门极负信号触发关
断的特性。具有耐高压、
电流大、造价便宜、有自
关断能力、线路简单等优
点，导通管压降较大、触
发功率与缓冲电路损耗较
大是它的缺点。主要用于
高电压、大功率的斩波器、
逆变器和调频调压电源 。
K
G
A
N
N
P
A
K
G
P
12
功率场效应管 ---MOSFET
功率场效应管有
三个引脚，源极 S,
栅极 G,漏极 D 。与
GTR比较有驱动电路
简单、开关损耗小、
安全工作区大的优点。
可应用在开关稳压调
压电源方面，可作功
率变换器件和高频的
主功率振荡，放大器
件。
S
G
D
13
绝缘门极晶体管 ---IGBT
IGBT是在功率
MOSFET的基础上增加了
一个 P+层发射极，形成
PN结 J，并由此引出漏极
D、门极 G、和源极 S。其
输入阻抗高、速度快、热
稳定性好、驱动电路简单、
通态电压低、耐压高。可
用于通用逆变器、交流伺
服,DC-DC变流器、不
停电电源、焊机、加工机、
感应加热装置和家用电器。
14
集成化的晶闸管模块
集成化的晶闸管模
块，它的显著特点就
是：它除了拥有晶闸
管的各种特性之外，
还具有体积小、重量
轻、使用方便、性能
较未集成前好等特点，
具有广阔的发展前景。
返回
15
第一章 晶闸管
? § 1-1 晶闸管的可控单向导电性
? § 1-2 晶闸管的工作原理与特性
? § 1-3 晶闸管的主要特性参数
返回
16
§ 1-1 晶闸管的可控单向导电性
Eg Ea
Q 2
Ug
G K
A
Q 1
晶闸管导通关断实验原理图
实验顺序 实验前灯的情况
实验时晶闸管情况 实验后
灯的情
况阳极电压 门极电压
导通
实验
1
2
3
暗
暗
暗
反向
反向
反向
反向
零
正向
暗
暗
暗
1
2
3
暗
暗
暗
正向
正向
正向
反向
零
正向
暗
暗
亮
关断
实验
1
2
3
亮
亮
亮
正向
正向
正向
正向
零
反向
亮
亮
亮
4 亮 正向 (减小到零） (任意 ) 暗
18
实验结论
? 1.晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为
何种电压，都处于关断状态。
? 2.晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压
作用下，才能导通。
? 3.已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门
极失去控制作用。
? 4.晶闸管在导通状态时，当 Ea减小到接近零时，
晶闸管关断。
?可控性,当晶闸管加上正向阳极电压后，
门极加上适当的正向门极电压，
晶闸管才能由截止变为导通。
?晶闸管一旦导通后，门极失去可控作用。
?单向导电性,导通的晶闸管，不管门极有
没有电压，阳极一旦加上反向电
压，晶闸管就由导通变为截止。
20
结论一
?晶闸管的导通条件：
1、阳极与阴极之间加上正向电压；
2、门极与阴极之间加上适当的正向电压。
1,2同时满足。
21
结论二
?晶闸管关断的条件：
? 使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定
的维持电流。
?关断实现的方式：
? ⒈ 减小阳极电压
? ⒉ 增大负载电阻
? ⒊ 加反向阳极电压
返回
22
§ 1-2 晶闸管的工作原理与特性
一、晶闸管触发导通原理：
晶闸管的三个 PN结可等效看成由两个晶体管 V1(P1-N1-P2)
与 V2(N1-P2-N2)组成。
A
G
K
P1
N1 J1
P2
N2
J2
J3
P1
N1 N1
P2 P2
N2
23
A
G
K
Rd
Ea
Eg
Ia
Ik
Ig
Ico
v1
v2
由图可知,v1的集电
极电流同时又是 v2的
基极电流,v2的集电
极电流同时又是 v1的
基极电流，当晶闸管
阳极加正向电压，一
旦有足够的门极电流
流入时，就形成强烈
的正反馈
使两晶体管饱和导通即晶闸管导通
Ig Ib2 Ic2(=βIb2) =Ib1 Ic1
24
⒈ Ig=0时，当阳极电压足够大
时，晶闸管会“硬开通”，此电压称
为正向转折电压。
正
向
导
通
Ig0=0
Ia
Ua
ABIH
URO
⒉ Ig增加时，正向转折电压减小。
3.晶闸管一旦导通，门极失去控制作用，
晶闸管相当于二极管。
二、晶闸管伏安特性：
4.当晶闸管加反向电压
而且此电压足够大时，晶闸
管反向击穿。 UBO
Ig1Ig2
返回
25
? 晶闸管所能承受的最大电压 UTn
当门极断开、元件处在额定结温时，管子阳
极电压升到正向转折电压之前，管子的正向漏
电流开始剧增，此时对应的阳极电压称为正向
阻断不重复峰值电压，用 UDSM表示，取 UDSM的
80%称为正向阻断重复峰值电压，用 UDRM表
示；元件承受反向电压时，对应反向漏电流开
始剧增的电压称为反向不重复峰值电压，用
URSM表示，其值的 80%称为反向重复峰值电压，
用 URRM表示。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
1、额定电压
晶闸管名牌标出的额
定电压通常是元件实测
UDRM和 URRM中较小的值，
去相应的标准电压等级
26
晶闸管元件的正反向重复峰值电压等级
级
别
正反向重复
峰值电压 (V)
级
别
正反向重复
峰值电压 (V)
级
别
正反向重复
峰值电压 (V)
1
2
3
4
5
6
7
100
200
300
400
500
600
700
8
9
10
12
14
16
18
800
900
1000
1200
1400
1600
1800
20
22
24
26
28
30
2000
2200
2400
2600
2800
3000
27
额定电压大小的确定
? 实验方法：通过伏安特性测出 UDRM,URRM
的值，取两个数中的最小值。
UDRM
URRM
Ia
Ua
UTn=(UDRM,URRM)min
28
额定电压大小的确定
? 分析计算 u 2 U m
u 2
如图，晶闸管承受的最大电压为
2
2
2
2
2
UUU
U
UU
mTn
m
??
?
则：
电源电压有效值—
22)3~2(
:
UU Tn ?
若考虑安全裕量
29
2、额定电流
? 在环境温度为 40o和规定的冷却条件
下，元件在 电阻性负载 的 单相工频正弦
半波, 导通角不小于 170o的电路中，当
结温不超过 额定结温 时，所允许的最大
通态平均电流。
? 表示方法,IT(AV)
? IT(AV)=IT/1.57
IT— 流 过晶闸管的电流有效值
§ 1-3 闸管的主要特性参数
30
额定电流
? 若考虑电流的安全裕量
IT(AV)=(2-3)IT/1.57
? 如晶闸管的 IT=100A，则
IT(AV)=127-191A
? 即该晶闸管的通态平均电流应选 200A,
31
3、门极触发电流
? 在 室温 下，晶闸管施加 6V正向阳极电压
时，使元件完全开通所必须的最小门极
电流。
? 表示方法,IGT
? IGT受外界温度的影响。
? 温度 升高 时,IGT值 减小 。
? 温度 降低 时,IGT值 增加 。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
32
4、通态平均电压
组别
通态平均
电压（ V）
组别
通态平均
电压（ V）
A B
UT≤0.4
0.4﹤ UT
≤0.5
C
0.5﹤ UT
≤0.6
D
0.6﹤ UT
≤0.7
E
0.7﹤ UT
≤0.8
F G
0.8﹤ UT
≤0.9
0.9﹤ UT
≤1.0
H
1.0﹤ UT
≤1.1
I
1.1﹤ UT
≤1.2
通态平均电压,在规定环境温度、标准散热条件下，元件通
以额定电流即额定正弦半波时，阳极和阴极间电压降的平均值。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
33
5、维持电流与掣住电流
? 维持电流：在室温下 门极断开时,元件
从较大的 通态电流 降至刚好能保持导通
的 最小阳极电流 。用 IH表示。
? 掣住电流：在晶闸管加上触发电压，当
元件从 阻断状态刚转为导通状态 就去除
触发电压，此时能维持管子继续导通所
需要的最小阳极电流。用 IL表示。
? IL=(2～ 4)IH
§ 1-3 闸管的主要特性参数
34
6、关断时间
? 元件从 正向电流降为零 到元件 恢复阻断
所需时间。
? 表示方法,tq
? 晶闸管的关断时间与元件结温、关断前
阳极电流的大小及所加反向电压有关。
一般为 几十到几百微秒 。
§ 1-3 闸管的主要特性参数
7、晶闸管的型号 —KP型
K P □ － □ □
表示闸流特性
普通反向阻断型
额定通态平均电流
正反向重复峰值电压等级
通态平均电压组别
返回
§ 1-3 闸管的主要特性参数
36
可控整流电路
整流电路
单相
单相半波
单相全波
单相桥式
三相
三相半波
三相桥式
双反星形
负载性质：
电阻性
电感性
反电势性
37
第二章：单相可控整流电路
用晶闸管组成的可控整流电路，可以很方便地把交流
电变成大小可调的直流电，且具有体积小、重量轻、效率
高以及控制灵敏等优点。
第一节 单相半波可控整流电路
第二节 单相全波可控整流电路
第三节 单相桥式可控整流电路
返回
38
§ 2-1：单相半波可控整流电路
VT
Rd
TR
单相变压器二
次侧电压 u2为
50HZ正 弦波，
晶闸管 VT。当在
电源正半周内且
在门极加触发脉
冲时导通。
VT导通时，
ud= u2,截止时
ud= 0
工作原理
udu2
wt
ud
a q
a：控制角，即晶闸管承受正压到触发导通之间
的电角度。
q：导通角，即晶闸管在一个周期内导通的电角
度。
? ?
2
c o s1
45.0s in2
2
1
22
a
??
a
?
?
?
?? ? UtdUUd
Ud负载端输出直流电压
Rd
Ud
Id
Id
?
负载端平均电流
数量关系：
电源视在功率负载端输出功率
功率因数
????
?
????
22
2;
2
2s i n
4
1
c o s
c o s
IUSUIP
IU
UI
S
P
?
a?
a
?
?
?
? ?
)c o s1(2
22s i n
2
2s i n
4
1
2
2
a
a??a?
?
a?
a
?
?
??
??
?
????
Id
I
k
Rd
U
Rd
U
II
f
负载端电流有效值
42
? 有一单相半波可控流电路，负载电阻为 10Ω,
直接接到交流电源 220V，要求控制角从
180° — 0° 可 移相。求：
1,控制角 α=60° 时，电压表、电流表读数，及
此时的电路功率因数。
2,如导线电流密度取 j=6A/mm2，计算导线截面。
3,计算 Rd的功率。
4,电压电流考虑 2倍裕量，选择晶闸管元件。
例
43
? 求负载端直流电压、电流：
? 计算导线截面、电阻功率、选择晶闸管，考虑电流的
最大值，取 α=0
? ?
? ?
A
C O S
C O S
UU d
4.74
2
601
2 2 045.0
2
1
45.0 2
?
?
???
?
?
?
a
ARUI
d
d
d 44.710 7.74 ???
AIKI
AI
VUU
dMfM
dM
dM
5.159.957.1
9.9
9945.0 2
????
?
??
44
VVU
VVUU
RM
TM
6223112
31122022 2
???
????
A
A
I
AAIII
AVT
MAVTT
7.19
57.1
31
315.152257.1
)(
)(
??
?????
KWWRIP dMM 4.2107.15 22 ????
额定电压应选 600V
额定电流应选 20A，即晶闸管的型号为 KP-20-6
负载端功率
选择晶闸管
额定电压
额定电流
45
二、电感性负载：
VT
Rd
TR Ld
整流电路直流负载的感抗 ?Ld
和电阻 Rd的大小相比不可忽略时，
这种负载称为电感性负载。
wt
ud
工作原理
u2
?返回
46
§ 2-2：单相全波可控整流电路
单相全波可控整流电
路采用了二次侧带有
中心抽头的变压器，
每个二次绕组一周期
内只工作一半时间，
利用率低。
0
TR
u2
u2
47
单相全波可控整流电路 --电阻性负载：
数量关系
工作过程
VT1
VT2
Rd
TR
u2
u2
2
c o s1
9.0
2
c o s1
9.0)(s i n2
1
2
22
a
a
??
?
?
a
?
??
?
??
?
Rd
U
Id
Ud
Id
Id
UttdUUd
Ud
负载端平均电流
负载端输出直流电压
数量关系：
?
a?
a
?
?
?
a?
a
?
?
?????
?
????
2s i n
2
1
c o s
2s i n
2
1
211
2
2
IU
UI
IU
UI
S
P
Rd
U
Rd
U
II
功率因数
负载端电流有效值
?返回
50
单相全波可控整流电路 --感性负载：
VT11
VT2
Rd
Ld
工作过程
u2
u2
51
返回
感性负载 +续流二极管：
工作过程
VT1
VT2
Rd
LdVDu
2
u2
52
§ 2-3：单相桥式整流电路
单相半控桥
单相全控桥
53
Rd
VT1 VT2
VD1 VD2
TR
共阴极连接的晶闸管
共阳极连接的二极管
单相半控桥 —阻 性负载
工作过程 数量关系
?
a?
a
?
a
a
??
?
?
a
?
???
?
??
?
??
?
2s i n
2
1
2
c o s1
9.0
2
c o s1
9.0)(s i n2
1
2
2
2
22
Rd
U
II
Rd
U
Rd
Ud
Id
UttdUUd
负载有效电流
负载端平均电流
负载端输出直流电压
数量关系：
共阳极连接的二极管
VT1 VT2
VD1 VD2
Rd
TR Ld
一、电路图
工作过程
共阴极连接的晶闸管
图 2--14
VT1,VT2具有单向可控导电性，
VD1,VD2具有单向导电性，不
具有可控性，因此将此电路称为
单相半控桥。
单相半控桥感性负载
56
二、工作原理
1,当 u2电压在正半周，控制角为 α 时，触发晶闸管 VT1导通，负载电流 id
经 VT1,VD2流通，电感储存能量，产生上正下负的自感电动势。
2,u2电压下降到零开始变负时，电感由储存能量变为释放能量，产生上
负下正的自感电动势，维持电流流通,VT1将继续到通，同时 VD2关断、
VD1导通，负载端电压为 0。
VT1,VD2导通
VT1,VD1导通
57
二、工作原理
3、当 u2为负半周且控制角为 α
时，触发 VT2导通，负载电流
id经 VT2,VD1流通，电感由
释放能量变成储存能量，负
载端电压 ud=uba=-u2。
4,u2电压由负变正过零时，电
感由储存能量变为释放能量，
产生上负下正的自感电动势，
维持电流流通,VT2将继续到
通，同时 VD1关断,VD2导通，
负载端电压为 0。
VT2,VD1导通
VT2,VD2导通?180??
DT qq
58
结论
1.晶闸管在 触发时刻 换
流，二极管在电源电
压 过零 时刻换流。
2.对于单向半控桥感性
负载，负载端的电压
波形如右图。
? 根据波形得
Ud=0.9U2(1+cosα)/2
59
结论
3.单相半控桥感性负载，
负载端电压波形与阻
性负载完全相同,即
单相半控桥感性负载
本身具有续流作用 。
4.在实际使用的过程中，
单相半控桥感性负载
容易产生 失控现象 。
60
当突然把控制角增大到 180° 或
突然 切断 触发电路时，会发生正在导
通的晶闸管一直导通而两个二极管轮
流导通的现象。
三、失控现象
失控工作过程
61
? 有一大电感负载采用单相半控桥式有续
流二极管的整流电路供电，负载电阻为
5Ω，输入电压 220v，晶闸管的控制角
α=60o，求流过晶闸管、二极管的电流
平均值和有效值。
? 解,负载端输出的电压平均值
Ud=0.9U2(1+COS α)/2
=149V
例
62
负载端电流平均值：
Id=Ud/Rd=149/5=30A
一周期内晶闸管得导通角
θ=180o-α= 180o- 60o= 120o
一周期内二极管得导通角
θD=2 α= 120o
例
63
则电流平均值及有效值为
AIII DDT 3.17
3 6 0
1 2 0 ???
?
?
AIII ddDdT 10
3 6 0
1 2 0 ???
?
?
例
单相半控桥整流电
路，当导通角 θ=120o时
流过续流二极管和晶闸管
的电流平均值相同。
。
?返回
64
单相全控桥
VT1 VT2
VT3 VT4
Rd
wt
ud
VT1.VT4导通
VT2.VT3导通
阻性负载
工作过程
65
VT1 VT2
VT3 VT4
Rd
Ld
结论
感性负载
工作过程
66
a?90?波形断续 wt
ud
wt
ud
结论
a?90?波形连续
?返回
67
反电动势负载
u 1
VD 1
R 0
u d
a
b
u 2
VD 2
VT 1 VT 2
TR E
i d
演示?返回
68
三相桥式全控整流电路
第三章：三相可控整流电路
第一节
第二节
第三节
第四节
三相半波可控整流电路
三相桥式半控整流电路
整流电路的换相压降 返回
69
三相电压介绍
A
B
C
a
b
c
原边△形接法
副边 Y形接法
b c
tUu a ?s i n2 2?
)120_s i n (2 02 tUu b ??
)120s i n (2 02 ?? tUuc ?
a
三相电压波形
wt
u2
a b c a
0 ω t
三相半波可控整流电路，
对脉冲要求，一个周期需
三个脉冲，相邻脉冲间隔
120° 。
A
B
C
§ 3-1：三相半波可控整流电路
a
b
c
VT1
VT2
VT3
Rd
VT1,VT2,VT3共阴极接
法，阳极电位高者先导通
自然换相点，
定义为 a=0°
结论：三相半波 a???距
离坐标原点为 30°
演示
阻性负载
71
结论
a＞ 30?时，负载端电压
波形是断续的
d a b c au
0 ωt
a b c aud
0 ωt
0＜ a≤30?时，负载端
电压波形是连续的
72
晶闸管两端电压波形的确定
演示
数量关系：
α
时当
c o s17.1)(s i n2
2
3
300
22
6
5
6
0
UttdUUd ??
??
?
?
?
??
?
a
?
a
?
a
3
)30c o s (1
17.1)(s in2
6
2
3
15030
0
22
00
a
???
a
?
?
a
??
?
?
?
??
? UttdUUd
时当
74
感性负载
a
b
c
VT1
VT2
VT3 Rd
Ld
VD
演示
75
结论
ddT
T
II
UUd
ud
577.0
3
1
c o s17.1
180
:90
2
0
0
?
?
?
?
a
q
a
?
波形连续，
0
:90
0
?
?
Ud
ud
且正、负面积相等
波形断续，
a
返回
负载端要有电压，
需共阳极组和共
阴极组不同相的
两个管子同时导通。
§ 3-2：三相桥式全控整流电路
VT1 VT3 VT5
VT4 VT6 VT2
VT1,VT3,VT5共阴极接法
VT2,VT4,VT6共阳极接法
如何保证 VT1,VT4同时
导通，一般对此电路采用
双窄脉冲，即：
ug1
ug6' ug2
ug1' ug3
ug2' ug4
ug3'
ug4'
ug5 ug5'
ug6
演示
假设 VT1,VT4
同时导通，则负
载端电压
ud=uab.
77
)]60c o s (1[34.2
:60
c o s34.2
:60
0
2
0
2
0
???
?
?
?
a
a
a
a
UU
UU
d
d
数量关系：
78
① 移相范围 0～ 90° 。
② a≤90° 时，负载端电压连续
Ud=2.34U2cosα
③ 三相全控桥负载端电压为线电压。
结论 返回
79
§ 3-3：三相桥式半控整流电路
一,阻性负载：
a <=60o，负载端电压波形
连续
当 α 〉 60° 时，负载端电压波形断续
二,电感性负载：
与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因
此在带电感性负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出
现负电压。为避免失控现象，负载端要接续流二极管。
VT1 VT3 VT5
VD4 VD6 VD2? ?ac o s117.1
2 ?? UU d
? ?ac o s117.1 2 ?? UU d
80
控制角 α=30°
负载断电压波形连续，
一个周期有 6个波头。
三相半控桥整流电路阻性负载
81
控制角 α=120°控制角 α=60°
当控制角 α≥60 ° 时，负载端电压波形在
一个周期内只有三个波头且电压波形由连
续变成断续。
82
三相半控桥式整流电路与三相全控桥
式整流电路的比较
? 三相全控桥式整流电路能工作于有源逆变状态，
而三相半控桥式整流电路只能作可控整流，不
能工作于逆变状态。
? 三相全控桥式整流电路输出电压脉动小，基波
频率为 300HZ,比三相半控桥式整流电路高一
倍。
? 三相半控桥式整流电路只用三个晶闸管，只需
三套触发电路，不需要宽脉冲或双窄脉冲，线
路简单经济。
? 三相全控桥式整流电路控制增益大，灵敏度高。
返回
83
§ 3-4：整流电路的换相压降
⑴ 概念：
换相压降,换相过程中产生的一个压降。
⑵原因：
整流变压器漏抗存在的结果。
波形演示
a
b
VT1
VT2
Ld
Ld
i k
Ll
Ll
dt
diuu k
Llab ??? 2
dt
diLuu k
lbd ???
)(21 bad uuu ??
a b c a
0 ω t
VT2
Rd
Ll
相压降可控整流一个周期的换
一般的
:
2
2
3
2
3
)(
2
3
)(
2
3
)()(
2
3
0
m
IX
m
U
IX
diL
td
dt
di
L
td
dt
di
L
tduuU
dlr
dl
k
I
l
k
l
k
l
dbr
d
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?a
a
?a
a
?a
a
?????
?
???
???
??
???
?
?
?
?
?
?
?
换相压降
漏抗存在的结果
⑴,在换相过程中，相当于相间短路，产生一个假象的
短路电流 Ik,使输出电压 ud波形，晶闸管两端电压 ut
波形发生畸变，当负载较大时，可造成电网电压波
形畸变, 影响整流装置本身和其它设备的正常运行 。
⑵,漏抗的存在，相当于整流电源增加一项内阻产生换
相压降 △ Ur,使输出平均电压降低，整流电路外特性
变软。
⑶,漏抗使整流装置的功率因数变坏，电压脉动系数增
加，输出电压调整率降低。
换相重叠角 ?：
定义,换相期间，两个相邻晶闸管同时导通所
对应的电角度，用 ?表示。
大小：
m
U
XI ld
??aa s in2)c o s (c o s
2
???
三相半波 m=3,电源相电压为 U2
3
s i n2
)c o s (c o s
2
??aa U
XI ld???
6
s i n32
)c o s (c o s
2
??aa U
XI ld???
相同三相全控桥 m=6,电源电压为 √ 3U2
返回
88
第四章：晶闸管整流主电路计算及保护
第一节 整流变压器参数计算
第二节 晶闸管电压电流的计算与选择
第三节 晶闸管的过电压保护
第四节 晶闸管的过电流保护与电压、
电流上升率的限制
第五节 晶闸管的串联和并联
第六节 平波电抗器电感值的计算
返回
89
一、变压器二次相电压 U2Φ
计算二次相电压必须考虑以下因素：
（ 1）最小控制角 α min。
（ 2）电网电压波动。允许波动 +5%～ -10%，常取 β =0.9。
（ 3）变压器漏抗产生的换相压降 Ur。
（ 4）晶闸管或整流二极管的正向导通压降 △ U。
考虑以上因素之后，变压器二次电压的计算公式为：
§ 4-1：整流变压器参数计算
?
?
?
?
?
?
?
??
??
n
Dl
d
I
I
CUA
UnU
U
2
2
m i n
m a x
2
c o s a?
变压器短路电压比
变压器二次侧实际
工作电流与变压器
二次侧额定电流之比
90
一次、二次电流与变压器容量
如果忽略变压器激磁电流，则变压器一次侧、
二次侧电流的关系根据磁势平衡原理有
I1N1=I2N2 I1=I2N2/N1=I2/K
三相桥式整流电路一次、二次侧容量
S2=3U2Φ I2=1.05Pd S1=3U1Φ I1=3U2Φ I2
三相半波整流电路一次、二次侧容量
S2=3U2Φ I2=1.48Pd S1=3U1Φ I1=3U2Φ I1=1.21Pd
返回
91
§ 4-2:晶闸管电压电流的计算与选择
晶闸管的额定电压必须大于线路实
际承受最大电压的 2～ 3倍
晶闸管的额定电流还要比查表计算
值大 1.5～ 2倍
d
dTfT
dd
d
dTfT
AVT
d
d
dT
fTdTfTTAVT
I
IK
k
kII
I
IK
I
I
I
I
KIKII
57.1
57.1
57.1
)(
)(
?
??
?
?
?
?
?
?
???
某晶闸管直流调速系统采用 Z2－ 92直流电动机，主电路为
三相全控桥式整流电路，已知整流变压器二次相电压为
U2Φ =140V,电动机的最大电流为 466A，试用查表发选
择晶闸管。
解：三相全控桥式整流电路中元件承受的峰值电压 UTM查晶闸管
额定电压、额定电流选择表得
晶闸管额定电压为
取 Utn=800V
晶闸管的额定电流查表得
IT（ AV） =（ 1.5～ 2） × kId=(1.5～ 2) × 0.367× 466A
=257～ 342A
取 IT（ AV） =300A
所以晶闸管的型号规格为 KP300－ 8。
例,
返回
VVUU TM 3 4 31 4 0626 ???? ?
? ? VUU TMTn 1 0 2 96 8 632 ????
93
§ 4-3：晶闸管的过电压保护
94
过电压
? 凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大
峰值电压就称为过电压。过电压产生的
原因：
①,由于雷击等原因从外部电网侵入装置的
偶然性浪涌电压。
②,游宇电路中经常发生某个部位线路的通
断使电感元件积聚的能量骤然释放引起
的过电压，又叫操作过电压。
95
晶闸管关断过电压
由于晶闸管关断引起的过电压，称为 关断过电压,数值
可达工作电压峰值的 5～ 6倍。
方法,在晶闸管两端并联电容 C，利用电容两端电压瞬
时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把它限止
在允许的范围内。实用时，在电容电路中串接电
阻 R，这种电路称为 过电压阻容吸收电路 。
交流侧过电压
由于交流侧电路在接通断开时出现暂态过程，因此在晶
闸管整流桥路输入端出现超过正常计算值的电压，此电压称
为 交流侧操作过电压 。
方法, 1、并接阻容吸收电路。
2、非线性电阻吸收装置。
(常用的有硒堆与压敏电阻 )
97
直流侧过电压
当断开负载时，储存在交流电路、变压器中的磁场能量
会在开关和整流桥两端产生过电压，此电压称做 直流侧过
电压 。
方法,由于直流侧过电压能量较大，因此常采用
硒堆、压敏电阻或小晶闸管来保护。
返回
98
§ 4-4：晶闸管的过电流保护与电压、
电流上升率的限制
? 凡流过晶闸管的电流大于其正常工作电
流时，就叫 过电流 。
? 产生过电流的原因：
1,直流侧短路
2,生产机械过载
3,可逆系统中产生环流或逆变失败
4,直流电动机环火
99
过电流保护
过电流的保护措施
方法,1、在交流进线中串接电抗器，或采用漏抗较
大的变压器。
2、灵敏过电流继电器保护。
3、限流与脉冲移相保护。
4、直流快速开关保护。
5、快速熔断器保护。
100
电压与电流上升率的限制
晶闸管的电压上升率的抑制：
在整流桥臂串接空心
电抗或在桥臂上套磁环，
抑制后的电压上升率与
桥臂交流电压峰值成正
比，与桥臂电抗成反比，
桥臂电抗通常取 20～
30mH.
晶闸管的电流上升率的抑制：
1、在桥臂上串联电感。
2、阻容吸收电路采用
整流式接法，使电
容放电电流不经过
晶闸管，对限制电
流上升率值也有好
处。
返回
§ 4-5：晶闸管的串联和并联
当晶闸管装置提供高电压或大电流时，如果
要求晶闸管应有的电压或电流的额定值，则可把
晶闸管串联起来或并联起来使用。
晶闸管的并联
晶闸管的串联
102
晶闸管的串联
VT1 VT2
u T1 u T2
VT2VT1
Rj Rj
u
io
u T2 u T1
I R
方法,⒈静态均压 ---正反向阻断状态 21 TT uu ?
均压电阻
103
⒉ 动态均压 ---开通过程和关断过程
? 开通时，由于二个二极管开通时间不一样，应导通的晶
闸管将承受全部电源电压，造成硬开通。关断时，先关断的
管子将承受全部的电源电压，造成管子反向击穿。 ---并联阻
容。
R RC C
104
晶闸管的并联 i 2
i 1
i T1 i T2
21 ii ?
105
方法：⒈电阻均流
⒉ 电抗均流
VT2VT1
R R
??
)(
)2~5.0(
AVT
T
I
U
R
+
_
-
+
i T1 i T2
106
结论
⒈ 选管子，尽量选特性一致的管子。
⒉采用强触发脉冲，前沿要陡，幅值要大。
⒊串联时采取均压措施，并联时采取均流措施。
⒋降低电压或电流额定值的 10﹪ 使用。
107
§ 4-6：平波电抗器电感值的计算
维持输出电流连续时电抗器电感值的计算：
L1=1.46 U2Φ sin a ／ Idmin
L1=K1U2Φ ／ Idmin
限制输出电流脉动时电抗器电感值的计算：
返回
did
dM
IS
U
f
U
U
L ??
?
22
2
2 ?
108
平波电抗器的计算
电动机电感值的计算：
mH
IPn
UKL
eDeD
eD
DD
2
10 3??
考虑电流连续时 )(11 DBd LLLL ???
考虑电流脉动时
)(22 DBd LLLL ???
对于三相桥式整流电路，因变压器两相串联导电
式中的 LB应以 2LB代入。
返回
109
第五章：晶闸管触发电路
第一节,对触发电路的要求
第二节,简单触发电路
第三节,简单晶体管触发电路
第四节,正弦波触发电路
第五节,锯齿波触发电路
第六节,集成电路触发器
第七节,触发脉冲与主电路电压的同步
第八节,脉冲变压器与防止误触发的措施
返回
110
§ 5 -1：对触发电路的要求
一、触发信号应有足够的功率，触发电路送出
的触发信号是作用于晶闸管门极与阴极的。
二、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可
能的陡，以使元件在触发导通后，阳极电
流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
三、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，
脉冲移相范围必须满足电路要求。
返回
111
? 交流静态无触点开关电路
? 用光耦合器组成的触发电路
? 用数字集成块组成的触发电路
? 简单移相触发电路
? 阻容移相桥式触发电路
§ 5 -2：简单触发电路
返回
112
§ 5 -3：单结晶体管触发电路
单结晶体管的结构与特性
单结晶体管自激振荡电路
113
单结晶体管的结构与特点
b 2
R b2
VD
e
R b1
b 1e
b 2
b 1
结构与符号
e
b2
b1
第一基极
第二基极
射极
单结晶体管
组成的触发
电路，具有
简单可靠、
触发脉冲前沿陡，
抗干扰能力强以及
温度补偿性能好等
特点。
114
Q2
I bb
b 2
R b2
R b1
b 1
U D
VD
Re
Ee
U bb
Q 1
e
Ie
A
Ue
单结晶体管试验电路
工作原理：
⑴当开关 Q1断开即 b1,b2间未加电压时, 电路则为二极
管 VD和电源 Ee通过电阻 R1及 Rb1串联, Ue与 Ie的关
系曲线接近于普通二极管的正向伏安特性曲线。
⑵发射极断开, 闭合 Q1即在 b1,b2之间加上电压 Ubb时,
A点对 b1的电位为
⑶闭合 Q1,调 Ee,当 Ue从零逐渐增加, 但小于 ?Ubb时,
等效二极管 VD为反偏状态，存在很小的反向漏电流。
9.0~3.01
1
值一般为即单结管的分压比，其
bb
b
bb
bb
b
bbA
R
R
U
R
R
UU
?
???
?
?
⑷ 当 Ue=?Ubb时,Ie=0，管子截止。
⑸当当 Ue>?Ubb，但当 Ue<?Ubb+UD时,Ie>0,管子截
止，存在很小的正向漏电流。
⑹当 Ue>?Ubb+UD时,管子导通, Ie剧增, Rb1为可变电
阻。
—谷点电压—
—峰值电压—
—负阻区—
V
P
e
e
eb
beAb
U
U
I
U
R
RIUR
0
1
11
?
?
?
??
?????
117
单结晶体管的特性
Ue
Ie
Up
V
b
Uv
I bb =0
U bb = 3 0 v
20v
10v
Ip
a
截止区 负阻区 饱和区
P
单
结
晶
体
管
的
伏
安
特
性
118
单结晶体管自激振荡电路
e b2
b1 V
＋
－
Re
返回
R2
R1C
U p
U sc
充电时间常数 CR
e?充? CRR b )( 11 ??放?
)
1
1
l n (
1
1
)
1
1
l n (
1
)1(
)1(
),(
11
?
?
?
?
??
?
?
?
?
??
?
?
??
???
?
???
?
?????
?
?
?
CR
T
f
CRT
e
eUUU
TtUu
eUuu
tT
RRR
e
e
t
t
P
Pc
t
ce
be
充
充
充
即
时，充到当
充电过程中，
所以
由于
充
充
放充
放电时间常数
⑴ 调节电阻 Re能改变自激振荡电路的振荡频率，
要电路保持振荡,Re必须满足下列条件：
P
P
e
V
V
I
UUR
I
UU ????
⑵ R1决定输出脉冲的幅值和宽度
⑶ R2用来补偿温度对 Up的影响，用来稳定振荡
频率。
?返回
§ 5-4：正弦波触发电路
正弦波同步触发电路分析
正弦波同步触发电路
正弦波同步触发电路优缺点
U 5
wt
U
U
U
U
1
2
3
4
wt
wt
wt
wt
R 6
TP
VD 7
VD 8
RP
R 4
VD 5
V 4
V 3
脉冲功放、输出
(7 )
(9 )
G
K
C 1
VD 1
VD 2
VD 3
C 2
R 2 R 3
VD 6
C 3
V 2
R 5
VD 4
B
脉冲形成、整形
(5 )
(6 )
0,04 7U F
U
+15 v
(-)
(+)
Ub
Uc
Us 1 2K Rs
VD
R 1
R b
R c
C
1uF
V 1
R
?
同步、移相
( 1 )
( 4 )
( 2 )
( 3 )
正弦波同步触发电路
U
U
7
8
wt
wt
123
正弦波同步触发电路分析
稳态,V1管未导通,R2供给 V2足够基极电流使之饱和，
V3,V4截止。电容 C3如图①经 R1,VD1充电后
接近 15v，极性为左正右负。
暂态,同步移相使 V1导通,V2截止,V3,V4导通，
C3如图②放电反充。⑥点电位升到 0.7v时,V2
导通,V3,V4截止，暂态结束，输出脉冲截止。
图① 图②
124
?返回
正弦波同步触发电路优缺点
优点,（ 1） 整流装置在负载电流连续时，直流 输出电
压 Ud与控制电压 Uc成线性关系。
（ 2） 能部分补偿电源电压波动对输出电压 Ud的
影响。
缺点, （ 1） 同步电压直接受电网电压的波动及干扰
影响较大，特别是电源电压波形畸变时，导致
整个装置工作不稳定。
（ 2）正弦波移相电路理论上分析移相范围可达
0～ ?，实际上由于正弦波顶部平坦与 Uc交点
不明确而无法工作。
125
§ 5-5：锯齿波触发电路
锯齿波同步触发电路分析
锯齿波同步触发电路
锯齿波同步触发电路
U
U
U
1
2
3
wt
wt
wt
U
b4
wt
R 1 1
C3
R 1 5
R 1 3
V5
V6
V7
C5
V D 7
R 1 6
V D 5
V D 4
C4
C7
15
X Y
15
3 0 K
C6
C D 6
V D 8
V4
Ω
3 0 KΩ
6, 2 KΩ
0, 1 F
μ
0, 4 7 Fμ
0, 4 7 Fμ
( V 1 3 C G 1 D
V 2 - V 7 3 D G 1 2 B
V D 1 - V D 7 2 C P 1 2 n )
4
5
6
7
8
脉冲形成、整形放大、输出环节
R1
V 9
R3
R4
V1
V3
R7
R8
R9
R6
C2
V2
VD 1 VD 2
C1
Uc
RP 2
R1 0
+1 5
1 Fμ
10K Ω
4.7 KΩ
4.7 KΩ
2.2 KΩ
1 Fμ
3,3K
12 K
6,8K
R2
R520 0Ω
36
~
V
1
2
3
锯齿波形成、同步移相控制环节
U
4
wt
U
5 wt
U
6 wt
wt
wt
U
8
U
7
127
锯齿波同步触发电路分析
脉冲形成放大环节：
脉冲形成与放大环节由 V4,V5,V6,V7,V8,C3
等元件组成,T4管道同瞬间决定脉冲输出时刻,T5关持续截
止,时间即使脉冲的宽度,而 T5截止只时间的长短是由 C3反
向充电时间常数 R11C3决定,
VD6在于提高 V7,V8、管的导通阀值，提高抗干扰能力。
uK-移动脉冲的相位，脉冲移相的目的。
uP-当 uK=0时，确定脉冲的初始相位。
返回
锯齿波形成、同步移相环环节
该环节主要由 V1,V2,V3,C2,DW、等元件组成
T1,DW,RW1,R3、组成恒流源向 C2提供充电电流
调节 RW1,即可改变锯齿波的斜率。
?
?
?????
?
?
tI
C
dtI
C
u
Ii
dti
C
u
CCC
CC
CC
1
2
1
2
2
11
1
2
2
11
1
?
uc2
t
129
同步电压环节
同步电压环节由同步变压器 BT和 V2管等元件组成。
同步的实现：同步电源变压器 BT和主电路整流变压器接
在同一电源上。
双窄脉冲的形成
本相触发单元发生第一个脉冲后，间隔 60° 的第二个
脉冲可以以滞后 60° 相位的后一相触发单元在产生第一
个脉冲时刻将其同步移相环节送来的负脉冲信号送到本相
触发单元 V6管的基极，强迫 V6截止，于是本相单元的 V8
管导通，输出与第一个脉冲间隔 60° 的第二个脉冲，这
样就得到了间隔 60° 的双窄脉冲。
返回
130
§ 5-6：集成电路触发器
KC04 移相集成触发器简介
KC04 移相集成触发器外型
131
KC04移相集成触发器简介
它由同步信号、锯齿波产生、移相控
制、脉冲形成和整形放大输出等环节组成。
由于集成触发器的应用，提高了触发电路
工作可靠性；缩小体积，大大简化了触发
电路的生产与调试。应用于各种移相触发、
过零触发、双脉冲形成、以及脉冲列调制
等场合。
132
返回
KC04移相集成触发器外型
1#输出正半周脉冲,7#,8#经电阻接电
源,9#综合比较点,13#脉冲列调制,14#脉
冲打锁控制,15#输出负半周脉冲。
1 2 3 4 5 6 7 8
910111213141516
133
§ 5-7：触发脉冲与主电路电压的同步
同步的概念：
正确选择同步
信号电压相位以及
得到不同相位同步
信号的方法，称为
晶闸管装置的同
步或定相 。
实现同步的方法,
晶闸管装置是
通过同步变压器不
同连接方式或再配
合阻容移相，得到
要求相位的同步信
号电压。
① 正弦波：
NPN—— usv滞后 ua120°
PNP—— usv超前 ua60°
② 锯齿波：
NPN—— usv滞后 ua180°
PNP—— usv与 ua同相
wt
u d
wt
w t1
1 2 0
w t3
90
30
u sv
u sv u sv
wt
wt
w t1 w
t3
60
w t1
u sv
u c 2
u sv
wt
u sv
135
实现同步的步骤：
①根据主电路的结构，负载的性质及触发电路的形式与脉
冲移相范围的要求，确定该触发电路的同步电压 UT与对
应晶闸管阳极电压之间的相位关系。
②根据电源变压器的接法，以电网某线电压作参考矢量，
画出电源变压器次级电压的矢量，从而确定相对应的同步
电压和同步线电压矢量。
③根据同步变压器次级线电压矢量位置，确定同步变压器
钟点数。
例 三相半波电源变压器为 Y／ Y-12，触发电路采用PNP的正弦波移相触发电路，求：
1、同步电压与对应晶闸管阳极电压的相位关系
2、确定同步变压器的钟点数
ABU?
aU?
saU
sabU
如果采用 NPN的正弦波触发电路,usv滞后 ua120°
ABU?
aU?
sabU
saU
Y／ Y— 10 Y／ Y— 4
30°
30°
返回
解,正弦波 PNP,usv超前 ua60°
§ 5-8:脉冲变压器与防止误触发的措施
防止误触发的措
施
脉冲变压器
138
脉冲变压器
用途：
1、起阻抗匹配作用，降低脉冲电压幅值增大
输出电流，更好触发晶闸管；
2、可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立
脉冲。
3、将低电压的触发电路与高电压的主电路在
电器上加以隔离，有利于防干扰与安全，并且
可使触发器之间在电气上隔离。
139
防止误触发的措施
1、由于晶闸管装置强弱电混于一体，装置的
电气工艺布置需要认真考虑。
2、触发器的电源采用静电屏蔽的变压器供电，
取自电网的同步信号也必须采用有静电屏蔽的
同步变压器隔离。
3、在晶闸管门阴极之间或在脉冲变压器二次
侧输出端，串并二极管、电阻、电容、有利于
防干扰。
4、采用触发电流大的晶闸管。 返回
140
第六章：晶闸管有源逆变电路
? § 6-1 有源逆变的工作原理
? § 6-2 逆变失败与逆变角的限制
? § 6-3 晶闸管直流可逆拖动的工作原理
? § 6-4 绕线转子异步电动机的串级调速
? § 6-5 晶闸管装置的功率因数与对电网
的影响
返回
141
§ 6-1：有源逆变的工作原理
整流,交流电 整流器 直流电 用电器
逆变,直流电 逆变器 交流电 用电器
有源逆变,直流电 逆变器 交流电 交流
电网，即将直流电变成和电网同频率
的交流电并送到交流电网去的过程。
无源逆变,直流电 逆变器 交流电（频率
可调） 用电器
工作原理：
当晶闸管在交流电源电压瞬时值为
正向导通，电源瞬时输出功率；当瞬时
电压为负时，电源瞬时送出负功率即吸
收功率。在有源逆变时，一周期内晶闸
管导通的时间中，电压波形负面积大于
正面积。
143
实现逆变的条件
1、直流侧必须外接与直流电流 Id同方向
的直流电源 E,其数值要稍大于 Ud，
才能提供逆变能量。
2、变流器必须工作在 ?﹤ 90° 区域，使
Ud﹤ 0，才能把直流功率逆变为交流
功率逆变电网。
返回
144
三相半波有源逆变电路
a
b
c
N
i a
i b
i c
I d
U d
L d
E
a b c
0 ω t
u d
VT1的 ????VT1的 ???
演示
145
结论：
⒈三相半波逆变电路，负载端的电压
基本上为 反向电压。
⒉三相半波逆变电路，晶闸管在阻断
时主要承受正向电压。
逆变角:
c o s17.1 2
?
?UU d ??
146
§ 6-2：逆变失败与逆变角的限制
逆变失败的原因：
1、触发电路工作不可靠
2、电源出现故障
3、晶闸管元器件的质量
4、换相重叠角的大小
最小逆变角：
?min≥?﹢ ?0﹢ qa≈30° ～ 50°
返回
147
§ 6-3：晶闸管直流可逆拖动的工作原理
转速下降
电机正转
制动状态
转速上升
电机正转
电动状态
转速上升
电机反转
电动状态
转速下降
电机反转
制动状态
用
接
触
器
控
制
的
直
流
电
动
机
正
反
转
：
148
采用两组变流桥的可逆电路：
工作情况：
两组变流桥，将其按极性反连接（ 反并
联连接、交叉连接 ），一组工作在电动机正
转，另一组工作在电动机反转。
常用的反并联可逆系统：
1、逻辑控制无环流可逆系统。
2、有环流反并联可逆系统。
3、错位无环流可逆系统。
返回
149
§ 6-4：绕线转子异步电动机的串级调速
低同步串级调速的基本原理：
绕线转子异步电动机的转子电动势其大小
与频率都随电动机转速而变，如果在转子回路
中，串入与转子电动势频率一致、相位相反的
交流附加电动势，则附加电动势增大，电动机
转速下降；附加电动势减小，则电动机转速上
升，即可实现电动机的无级调速。
150
斩波式逆变器串级调速原理
能够大大降低无功损耗，提高功率因
数，减小高次谐波分量而且线路比较简单。
U 21
E 20
M
斩
波
器
返回
151
§ 6-5：晶闸管装置的功率因数与对
电网的影响
整流装置的视在功率,S=U1I1
电网输入的有功功率,P=U1I11cos?1
功率因数,cos? =P／ S=I11cos?1／ U1I1
改善方法,1、小控制角运行
2、采用两组变流器的串联供电
3、增加整流相数
4、设置补偿电容
晶闸管装置对电网的影响,
1、高次谐波电流可引起串联或并联谐振，引起热损
坏、谐振、闪烁等事故。
2、对通信线路产生杂音。
3、对变压器的铁心产生噪声，铁耗和铜耗增加，容
量减小，箱壁或箱盖产生涡流发热。
4、对输电线路，谐波电流常引起线路的串联谐振，
造成绝缘击穿。
5、使感应电动机转速周期性变动，铁耗和铜耗增加。
6、对仪用互感器，会影响电流或电压的相位差，导
致测量精度下降。
7、会导致计算机误操作。 返回
153
第七章：晶闸管交流开关与交流调压
?双向晶闸管
?晶闸管交流开关
?三相交流调压
?单相交流调压电路
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154
§ 7-1：双向晶闸管 第一阳极
第二阳极
门极
T 2
G
T 1
? 与普通晶闸管一样，也有塑料封装、螺旋型与平
板型三种，核心部分是五层三端半导体结构。
155
双向晶闸管伏安特性
? 要使管子能通过交流电
流，必须在每个周期内
对门极触发一次，只有
在元件中通过的电流大
于掣住电流后，去掉触
发脉冲后才能维持元件
继续导通；只有在元件
中通过的电流下降到维
持电流以下时，元件才
能关断并恢复阻断能力。
U DSM U DRM
I L
I H
I H
I L
U DRM U
DSM
u
i
156
双向晶闸管的型号
K S □ － □ － □ □
表示闸流特性
表示双向
额定通态电流值
断态重复峰值电压级数
断态电压临界上升率级数
电流临界下降率级数
157
Ⅰ ＋
Ⅲ ＋
Ⅰ －
Ⅲ －
＋
＋
＋
＋－
－
－
－
触发方式
第 Ⅰ 象限
第 Ⅲ 象限
T1端极性 门极极性 触发灵敏性相对于 Ⅰ ＋
1
近似 1／ 3
近似 1／ 4
近似 1／ 2
双向晶闸管的触发方式
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158
§ 7-2：晶闸管交流开关
一、简单交流开关及应用
门极毫安级电流的通断，可控制晶闸管阳极几十
到几百安培大电流的通断。交流开关的特点是晶
闸管在承受正半周电压时触发导通，而它的关断
是利用电源负半周在管子上加反压来实现，在电
流过零时自然关断。
二、过零触发开关电路与交流调功器
移相触发控制使电路中的正弦波出现缺角，包含
较大的高次谐波。为克服此缺点，可采用 过零触
发或称为零触发 。交流零触发开关使电路在电压
为零或零附近的瞬间接通，利用管子电流小于维
持电流使管子自行关断，此开关对外界的电磁干
扰最小。 调节方法,可利用 调功器或周波控制器 。
即在设定的周期内，用零电压开关接通几个周波
然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的
通断时间比例，以调节负载上的交流平均电压，
即可达到调节负载功率的目的。
160
三、固态开关
固态开关 简称 SSS
固态开关 分类, 固态继电器 简称 SSR
固态接触器 简称 SSC
是一种以双向晶闸管为基
础构成的无触点通断组件
特点：体积小、工作频率高，使用于频
繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易
燃的环境。 ?返回
161
§ 7-3：单向交流调压电路
几种交流调压的触发电路
交流调压电路分析
1、电阻性负载
2、电感性负载
晶闸管交流稳压电路
162
几种交流调压的触发电路
简单双向调压电路
触发二极管交流调压电路
单结晶体管触发电路
KC06触发器组成的晶闸管移相
交流调压电路
程控单结晶体管
163
阻性负载
正半周 a时刻触发一只管子，负半周 a时刻触发另一只管子，
输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波。
单相交流调压的负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电
流波形一致，触发电路也可套用，不过触发电路的输出必须通过
脉冲变压器，两个绕组之间要有足够的绝缘。
VT
VT1
VT2
164
感性负载
a ＞ ?,q＜ 18?°,正负半波电流断续,a愈大,q愈小，
波形断续愈严重。
a ＝ ?,q＝ 18?°,正负半周电流处于临界连续状态，相
当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率。
a ＜ ?,q＞ 18?°,电路已不起调压作用，不能正常工作。
所以，带电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发。
165
晶闸管交流稳压电路
VT3
VT4
VT1
VT2
对波形要求较高的
场合，应在输出端
加设电容、电感滤
波环节。
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166
§ 7-4:三相交流调压
当交流功率调节容量较大时通常采用三相交流调压。
三相交流调压常用的四种接线方式：
星形带中性线的三相交流调压电路
晶闸管与负载联结成内三角形的三相交流调压电路
用三对反并联晶闸管联结成三相三线交流调压电路
三相晶闸管接于星形负载中性点的三相交流调压电路
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167
第八章：变频电路与直流斩波
?变频电路的基本概念
?并联谐振与串联谐振逆变器
?强迫换流式逆变电路
?晶闸管中频装置
?直流斩波电路
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§ 8-1
§ 8-2
§ 8-3
§ 8-4
§ 8-5
168
§ 8-1:变频电路的基本概念?
变频器及其分类?
无源逆变器的简单工作原理?
电感性负载与反馈二极管
169
变频器及其分类
分类：
①交流－交流变频
它将 5?HZ的交流直接变成其它频率的交流，称 直接变频 。
②交流－直流－交流变频
将 5?HZ交流先整流为直流，再由直流逆变为所需的交流。
逆变器：
由直流逆变为交流的装置称为 逆变器,它直接将电压供
给负载使用，因此，也称 无源逆变 。
无源逆变器的简单工作原理
单相零式电路、两
晶闸管按不同频率
交替导通，得到交
流电压
单相桥式电路，两
对晶闸管交替导通
关断，得到交流电
压
单相半桥式逆变
器，两只晶闸管
轮流导通，输出
电压在 ± ? 之间
t
u AB
V T1
V T2
VT1 VT2
VT1 VT2
VT3 VT4
t
u AB
V T1, 4
V T2, 3
t
u AB
V T1
V T2
VT1
VT2
C1
C2
171
电感性负载与反馈二极管
由于半周末关断一对晶闸管和导通另一对晶
闸管是, 由于负载是电感性的, 电流滞后于电压,
故此时电流还未到零，如使负载电流瞬时反向，
将在负载电感两端感应出大电压, 使管子损坏 。 为
此必须在晶闸管两端反并联一个二极管（ 称为反
馈二极管 ），电路才能够正常工作。
?返回
172
§ 8-2:并联谐振与串联谐振逆变器
并联谐振 串联谐振
Zmax Zmin
t
u
t
i
t
u
t
i
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173
§ 8-3:强迫换流式逆变电路
PWM控制简介及原理
PWM控制波形
【 以电压型单向逆变电路为例 】
174
电压型单向逆变电路原理
PWM变频电路上采用电压型逆变器，是利用控
制逆变器开关元件的导通和关断时间比调节脉冲宽
度，来控制逆变电压的大小和频率。主电路简单且
功率因数与效率都高 `。由于调压在逆变器中完成，
故避免额定惯性滤波电容对电压调节响应的影响。
电压调节速度快，适合作为异步电动机变频调速的
供电电源，实现平滑启动、停车和高效率宽范围调
速。
175
电压型单向逆变电路
?电路中 VT1,VT4正半周导通，
VT2,VT3负半周导通。
VT1 VT2
VT3 VT4
176
电压型单向逆变电路波形
电路中 VT1,VT4正半
周导通,VT2,VT3负半
周导通。逆变输出得到正
负矩形波。设法在正负半
周内是对应功率开关元件
多次导通关断，得到正负
电压脉冲，改变脉冲的占
空比 τ/T即可改变逆变电
压大小。 ?返回
177
§ 8-4:晶闸管中频装置
主电路 采用全控桥而不采用半控桥
逆变触发电路的组成：
信号检测电路和脉冲形成电路
装置的保护：
交流侧与直流侧的过电压保护
交流相间短路保护
逆变侧的过压、过流保护 ?返回
178
§ 8-5:直流斩波电路
179
晶闸管直流开关
VT1 VT2
C
晶闸管直流开关是斩
波器的核心,VT1导通时，
C充电，极性为右正左负
要关断 VT1时，只要触发
VT2。
180
普通晶闸管直流斩波电路
脉冲宽度控制（ PWM):也称定频调宽式，此方式
斩波晶闸管的触发频率一定调节脉冲宽度在 0～ T之间变
化，负载电压在 0～ U之间变化。
脉冲频率控制（ PFM):也称定宽调频式，此方式脉
宽一定，改变管子通断频率，频率下降，周期增大，负
载电压减小。
脉冲混合控制,同时改变频率和周期 。
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