《電工與電子技術》單元9晶閘管及其應用.ppt

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1 主編 李文王慶良副主編 孫全江韋宇主審 于昆倫 電工與電子技術 下篇工業(yè)電子學單元9晶閘管及其應用 2 知識點 晶閘管的基本結構 工作原理 伏安特性和主要參數(shù) 單相半波整流電路和單相全波整流電路的電路組成 工作原理 分析計算方法 元件的選用 能力目標 具有對晶閘管應用電路進行分析計算和正確選擇元器件的能力 單元9晶閘管及其應用 3 單元9晶閘管及其應用 目錄 4 晶閘管的外形如圖9 1所示 它有三個引出極 陽極A 陰極K和門極G 又稱控制極 螺栓式晶閘管中 螺栓是陽極A的引出端 并利用它與散熱器緊固 平板式晶閘管則由兩個彼此絕緣的散熱器把晶閘管夾緊在中間 由于兩面都能散熱 因而200A以上的晶閘管常采用平板式 小功率晶閘管采用塑封式 其上部的金屬片用螺栓與散熱片緊密接觸 以利于散熱 晶閘管的內(nèi)部結構由PNPN四層半導體構成 所以有三個PN結J1 J2 J3 陽極A從P1層引出 陰極K由N2層引出 普通晶閘管的內(nèi)部結構和符號如圖9 2所示 普通晶閘管的型號是KP型 9 1晶閘管 9 1晶閘管 9 1 1晶閘管的結構 5 圖9 1晶閘管的外形 a 螺旋式 b 平板式 c 壓膜塑封式 9 1晶閘管 6 圖9 2晶閘管的內(nèi)部結構和符號 a 內(nèi)部結構 b 符號 圖9 3晶閘管導通關斷實驗 9 1晶閘管 7 晶閘管的工作原理可通過圖9 3所示電路進行晶閘管的導通關斷實驗來說明 主電路的UAK通過雙刀雙擲開關S1與燈泡串聯(lián) 接到晶閘管陽 陰極上 形成主電路 晶閘管陽 陰兩極間的電壓稱陽極電壓 流過晶閘管陽極的電流稱為陽極電流 門極電源UGK經(jīng)雙刀雙擲開關S2加到門極與陰極之間 形成觸發(fā)電路 控制電路 門極與陰極間的電壓稱為門極電壓 流過門極的電流稱為門極電流 實驗結果如下 晶閘管在反向陽極電壓作用下 無論門極為何種電壓 它都處于關斷狀態(tài) 晶閘管同時在正向陽極電壓與正向門極電壓作用下 才能導通 9 1 2晶閘管的工作原理 9 1晶閘管 8 已經(jīng)導通的晶閘管在正向陽極電壓作用下 門極將失去控制作用 晶閘管在導通狀態(tài)下 當陽極電流減小接近于零時 晶閘管關斷 以上結論說明 晶閘管像二極管一樣 具有單向導電性 晶閘管電流只能從陽極流向陰極 若加反向陽極電壓 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài) 只有很小的反向電流 但晶閘管與二極管不同 它還具有正向導通的可控性 當僅加上正向陽極電壓時 元件還不能導通 這時處于正向阻斷狀態(tài) 只有同時還加上正向門極電壓并形成足夠的門極電流時 晶閘管才能正向導通 而且一旦導通后 撤去門極電壓 導通狀態(tài)仍然維持 9 1晶閘管 9 晶閘管之所以具有上述特性 是由其內(nèi)部結構決定的 晶閘管可以等效看成由NPN型和PNP型兩只晶體管組成的 如圖9 4所示 每只管子的基極都與另一只管子的集電極相連 圖9 4晶閘管等效電路 9 1晶閘管 10 當晶閘管加上正向陽極電壓時 一旦有門極電流注入 將形成強烈的正反饋 反饋過程如下 這樣 兩管迅速飽和導通 晶閘管導通后 UAK 0 6 1 2V 晶閘管導通后 即使控制極與外電路斷開 因三極管T2的基極電流IB2 IC1 IA 所以晶閘管仍能維持導通 但是 若在導通過程中 將陽極電流IA減小到一定數(shù)值以下時 晶閘管的導通狀態(tài)無法維持 管子將迅速截止 晶閘管維持導通所必須的最小電流稱為維持電流IH 9 1晶閘管 11 要正確使用晶閘管 不僅需要了解晶閘管的工作原理及工作特性 更重要的是要了解晶閘管的主要參數(shù)含義 現(xiàn)就經(jīng)常提到的陽極主要參數(shù)介紹如下 1 額定電壓UTn當門極斷開 元件處在額定結溫時 所測定的正向不重復峰值電壓UDSM 反向不重復峰值電壓URSM各乘0 9所得的數(shù)值 分別稱為元件的正向阻斷重復峰值電壓UDRM和反向阻斷重復峰值電壓URRM 至于正反向不重復峰值電壓和相應的轉折電壓UBO 擊穿電壓URO的差值 一般由晶閘管生產(chǎn)廠家自定 9 1 3晶閘管的主要參數(shù) 9 1晶閘管 12 所謂元件的額定電壓UTn 是指UDRM和URRM中的較小值 再取相應于標準電壓等級中偏小的電壓值 例如 晶閘管實測UDRM 736V URRM 820V 取兩者其中小的數(shù)值736V 按標準電壓等級只能取700V 作為晶閘管的額定電壓700V即7級 由于晶閘管的額定電壓的瞬時值 若超過反向擊穿電壓 就會造成元件永久性損壞 若超過正向轉折電壓 元件就會誤導通 同時元件的耐壓還會隨著結溫升高或散熱條件惡化而下降 因此 在選擇晶閘管的額定電壓時應為元件在工作電路中可能承受到的最大瞬時值電壓的2 3倍較安全 即 9 1晶閘管 13 2 額定電流IT AV 在室溫為40 和規(guī)定的冷卻條件下 元件在電阻性負載的單相工頻正弦半波 導通角不小于170 的電路中 當結溫不超過額定結溫且穩(wěn)定時 所允許的最大通態(tài)平均電流 稱為額定通態(tài)平均電流IT AV 將此電流按晶閘管標準系列取相應的電流等級 稱為元件的額定電流 由于晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義 而選管時根據(jù)有效值相等的原則 這樣在選擇晶閘管的額定電流時 需要做電流波形的平均值與有效值的換算 對于定義中的正弦半波電流波形 設電流最大值為Im 則電流平均值IT AV 電流有效值IT分別為 9 1 9 1晶閘管 14 由式 9 1 9 2 可得 例如 對于一只額定電流IT AV 100A的晶閘管 按式 9 3 可知其允許的電流有效值應為157A 因此按照實際電流波形計算其有效值后 再除以1 57作為選擇晶閘管的額定電流的依據(jù) 并且考慮到實際裝置的散熱條件和可能的過載現(xiàn)象 留有1 5 2倍的裕度 9 3 9 2 9 1晶閘管 15 3 通態(tài)平均電壓 管壓降 UT AV 當元件流過正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)定的額定結溫時 元件陽極與陰極之間電壓降的一周平均值稱為管壓降UT AV 管壓降越小 表明元件耗散功率越小 管子質量越好 以上三個陽極主要參數(shù)是選購晶閘管的主要技術數(shù)據(jù) 按標準 普通晶閘管型號命名含義如下 9 1晶閘管 16 例如 KP200 5E 表示該元件額定電流為200A 額定電壓為500V 管壓降為0 7 0 8V的普通晶閘管 9 1晶閘管 17 4 其他參數(shù)維持電流 在室溫與門極斷開時 元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持元件導通所必須的最小通態(tài)電流稱維持電流 擎住電流 晶閘管加上觸發(fā)電壓就導通 去除觸發(fā)電壓 要使管子仍然維持導通 所需要的最小陽極電流稱為擎住電流 對同一個管子來說 通常擎住電流比維持電流大數(shù)倍 9 1晶閘管 18 9 2 1 1電阻性負載電爐 電焊及白熾燈等均屬于電阻性負載 電阻性負載的特點是 負載兩端電壓波形和流過的電流波形相似 其電流 電壓均允許突變 9 2整流電路 9 2 1單相半波可控整流電路 圖9 5單相半波電阻性負載電路及波形 a 電路 9 2整流電路 19 圖9 5 a 為單相半波電阻性負載可控整流電路 由晶閘管VT 負載電阻Rd及單相整流變壓器Tr組成 后者用來變換電壓 使不合適的一次電網(wǎng)電壓U1 變成合適的二次電壓U2 分別為整流變壓器一次繞組和二次繞組正弦電壓瞬時值 分別為整流輸出電壓瞬時值和負載電流瞬時值 分別為晶閘管兩端電壓瞬時值和電流的瞬時值 分別為流過整流變壓器一次繞組和二次繞組電流的瞬時值 圖9 5單相半波電阻性負載電路及波形 b 波形 9 2整流電路 20 圖9 5 b 9 2整流電路 21 圖9 5 b 9 2整流電路 22 9 2整流電路 23 9 2整流電路 24 工程上為了計算簡便 有時不用式 9 4 進行計算 而是按式 9 4 先作出表格和曲線 供查閱計算 如圖9 6所示 流過負載電流的平均值為 圖9 6單相半波可控整流電壓 電流及功率因數(shù)與控制角的關系 9 2整流電路 25 負載上電壓有效值U與電流有效值I在計算選擇變壓器容量 晶閘管額定電流 熔斷器以及負載電阻的有功功率等時 均須按有效值計算 根據(jù)有效值的定義 U就是波形的均方根值 即 而有效值電流為 9 7 9 8 9 2整流電路 26 晶閘管電流有效值與管子兩端可能承受的最大正反向電壓在單面半波可控整流電路中 晶閘管與負載串聯(lián) 所以負載電流的有效值也就是通過晶閘管電流的有效值 其關系為 由圖9 5 b 中波形可知 晶閘管可能承受的正反向峰值電壓為由式 9 3 與式 9 6 可得 9 2整流電路 27 圖9 6 9 2整流電路 28 例9 1單相半波可控整流電路 阻性負載 要求輸出的直流平均電壓為50 92V之間連續(xù)可調 最大輸出直流平均電流為30A 直接由交流電網(wǎng)220V供電 試求 1 控制角應有的可調范圍 2 負載電阻的最大有功功率及最大功率因數(shù) 3 選擇晶閘管型號規(guī)格 安全余量取2倍 9 2整流電路 29 9 2 1 2電感性負載屬于此類負載的 工業(yè)上如電動機的勵磁線圈 滑差電動機電磁離合器的勵磁線圈以及輸出串接平波電抗器 FilterReacter 的負載等 電感性負載不同于電阻性負載 為了便于分析 通常電阻與電感分開 單相半波可控整流電感性負載如圖9 7 a 所示 在0 t t1區(qū)間 u2雖然為正 但晶閘管無觸發(fā)脈沖不導通 負載上的電壓ud 電流均為零 晶閘管承受著電源電壓u2 其波形如圖9 7 b 所示 當 t t1 時 晶閘管被觸發(fā)導通 電源電壓u2突加在負載上 由于電感性負載電流不能突變 電路需經(jīng)一段過渡過程 此時電路電壓瞬時值方程如下 9 2整流電路 30 圖9 7單相半波可控整流電感性負載 a 電路 b 波形 9 2整流電路 31 在 t1 t t2區(qū)間 晶閘管被觸發(fā)導通后 由于Ld作用 電流只能從零逐漸增大 到 t2時 已上升到最大值 did dt 0 所以 這期間電源不僅要向負載Rd供給有功功率 而且還要向電感線圈Ld供給磁場能量的無功功率 在 t2 t t3區(qū)間 由于繼續(xù)在減小 也逐漸減小 在電感線圈Ld作用下 id的減小總是要滯后于u2的減小 這期間Ld兩端感生的電動勢方向是阻礙的減小 如圖9 7 b 所示 負載Rd所消耗的能量 除電源電壓供給外 還有部分是由電感線圈Ld所釋放的能量供給 這區(qū)間的電路電壓瞬時值方程如下 9 2整流電路 32 9 2整流電路 33 圖9 7 b 圖9 8 9 2整流電路 34 圖9 8大電感時 不同 負載電壓和電流的波形 9 2整流電路 35 為了使過零變負時能及時地關斷晶閘管 使波形不出現(xiàn)負值 又能給電感線圈提供續(xù)流的旁路 可以在整流輸出端并聯(lián)二極管如圖9 9所示 由于該二極管是為電感負載在晶閘管關斷時提供續(xù)流回路 故將此二極管簡稱續(xù)流管 用VD表示 圖9 9有續(xù)流管的單相半波可控整流電路及波形 9 2整流電路 36 圖9 9 圖9 9 9 2整流電路 37 9 16 9 14 9 15 9 13 9 2整流電路 38 晶閘管和續(xù)流管可能承受的最大正反向電壓為 移相范圍與阻性負載相同為0 由于電感性負載電流不能突變 當晶閘管觸發(fā)導通后 陽極電流上升較緩慢 故要求觸發(fā)脈沖要寬些 約20 以免陽極電流尚未升到晶閘管擎住電流時 觸發(fā)脈沖已消失 晶閘管無法導通 例9 2圖9 10是中 小型發(fā)電機采用的單相半波自勵穩(wěn)壓可控整流電路 當發(fā)電機滿負載運行時 相電壓為220V 要求的勵磁電壓為40V 已知 勵磁線圈的電阻為2 電感量為0 1H 試求 晶閘管及續(xù)流管的電流平均值和有效值各是多少 晶閘管與續(xù)流管可能承受的最大電壓各是多少 并選擇晶閘管與續(xù)流管的型號 9 2整流電路 39 圖9 10中小型發(fā)電機采用晶閘管自勵穩(wěn)壓電路及解題波形 9 2整流電路 40 9 2 1 3反電動勢負載蓄電池 直流電動機的電樞等均屬此負載 這類負載特點是含有直流電動勢E 它的極性對電路中晶閘管是反向電壓故稱反電動勢負載 如圖9 11 a 所示 圖9 11單相半波反電勢負載電路及波形 9 2整流電路 41 圖9 11 b 圖9 11 b 9 2整流電路 42 圖9 11 b 圖9 11 b 9 2整流電路 43 綜上所述 反電動勢負載特點是 電流呈脈沖波形 底部窄 脈動大 如要供出一定的平均電流 其波形幅值必然很大 有效值亦大 這就要增加可控整流裝置和直流電動機的容量 另外 換向電流大 容易產(chǎn)生火花 電動機振動厲害 尤其是斷續(xù)電流會使電動機機械特性變軟 為了克服這些缺點 常在負載回路人為地串聯(lián)一個所謂平波電抗器Ld 來減小電流的脈動和延長晶閘管導通的時間 9 2整流電路 44 反電動勢負載 串接平波電抗器后 整流電路的工作情況與大電感性負載相似 電路與波形如圖9 12 a b 所示 只要所串入的平波電抗器的電感量足夠大 使整流輸出電壓中所包含的交流分量全部降落在電抗器上 則負載兩端的電壓基本平整 輸出電流波形也就平直 這樣就大大改善了整流裝置和電動機的工作條件 電路的各電量與電感性負載相同 值應按下式求得 圖9 12 c 為串接的平波電抗器的電感量不夠大或電動機輕載時的波形 波形仍出現(xiàn)斷續(xù) 斷續(xù)期間 E 波形出現(xiàn)臺階 但電流脈動情況比不串時有很大改善 對小容量直流電動機 因對電源影響較小 且電動機電樞本身的電感量較大 故有時也可以不串平波電抗器 9 17 9 2整流電路 45 圖9 12單相半波反電動勢串接平波電抗器后的電路與波形 a 電路 b 連續(xù)時波形 c 斷續(xù)時波形 9 2整流電路 46 單相半波可控整流電路 雖具有線路簡單 投資小及調試方便等優(yōu)點 但因整流輸出具有直流電壓脈動大 設備利用率不高等缺點 所以一般僅適用于對整流指標要求不高 小容量的可控整流裝置 存在以上缺點的原因是 交流電源在一個周期中 最多只能半個周期向負載供電 為了使交流電源的另一半周期也能向負載輸出同方向的直流電壓 既減少輸出電壓波形的脈動 又能提高輸出直流電壓平均值 需采用本節(jié)要介紹的單相全波可控整流電路 9 2 2單相全波可控整流電路 9 2整流電路 47 9 2 2 1電阻性負載如圖9 13 a 所示 從電路形式上看 它相當于由兩個電源電壓相位錯開180 的兩組單相半波可控整流電路并聯(lián)而成 所以又稱單相雙半波可控整流電路 圖9 13單相全波電阻負載可控整流 a 電路 9 2整流電路 48 電路中晶閘管VT1與VT2是輪流工作的 在電源電壓正半周 時刻 觸發(fā)電路雖然同時向兩管的門極送出觸發(fā)脈沖 但由于VT2承受反向電壓不能導通 而VT1承受正向電壓而導通 負載電流方向如圖上實線所示 電源電壓過零變負時 VT1關斷 在電源電壓負半周同樣 時刻 VT2被觸發(fā)導通 負載電流方向如圖上虛線所示 這樣 負載兩端可控整流電壓波形是單相半波可控整流電壓波形相同的兩塊 如圖9 13 b 所示 晶閘管承受的電壓 在正半周VT1未導通前 為正向波形 當 90 時 晶閘管承受到最大正向電壓為 在過零變負時 VT1被關斷而VT2還未導通 這時VT1只承受反向電壓 一旦VT2被觸發(fā)導通時 VT1就承受到 9 2整流電路 49 圖9 13單相全波電阻負載可控整流 b 波形 9 2整流電路 50 由于單相全波可控整流輸出電壓在一個周期內(nèi)輸出兩個波頭 所以輸出電壓平均值為單相半波的兩倍 輸出電壓有效值是單相半波的倍 功率因數(shù)為原來的倍 其計算公式如下 9 20 9 19 9 18 9 2整流電路 51 晶閘管電流有效值及可能承受到最大正反向電壓分別為 電路要求的移相范圍為0 與單相半波相同 而觸發(fā)脈沖間隔為 不同于單相半波 9 2整流電路 52 9 2 2 2電感性負載在單相半波可控整流帶大電感負載 如果不并接續(xù)流二極管 無論如何調節(jié)移向角 輸出整流電壓波形的正負面積仍幾乎相等 負載直流平均電壓均接近于零 單相全波可控整流帶大電感負載情況就截然不同 如圖9 14 a 可看出 當0 90 時 雖然波形也會出現(xiàn)負面積 但正面積總是大于負面積 當 0時 波形不出現(xiàn)負面積 為單相不可控全波整流輸出電壓波形 其平均值為0 9U2 顯然 在這區(qū)間輸出電壓平均值與控制角 的關系為 9 2整流電路 53 圖9 14單相全波大電感負載電路與波形 a 不接續(xù)流管 b 接續(xù)流管 9 2整流電路 54 輸出電流為脈動很小的直流 其算式為 晶閘管的電流平均值 有效值以及管子可能承受到的最大電壓分別為 9 2整流電路 55 在 90 時 晶閘管被觸通 一直要持續(xù)到下半周接近于90 時才被關斷 負載兩端波形正負面積接近相等 平均值為零 其輸出電流波形是一條幅度很小的脈動直流 在 90 時 出現(xiàn)的波形和單相半波大電感負載相似 無論如何調節(jié) 波形正負面積都相等 且波形斷續(xù) 此時輸出平均電壓均為零 綜上所述 顯然單相全波可控整流電路感性負載不接續(xù)流管時 有效移相范圍只能是0 2 為了擴大移相范圍 不讓波形出現(xiàn)負值以及使輸出電流更平穩(wěn) 可在電路負載兩端并接續(xù)流二極管 如圖9 14 b 電路所示 9 2整流電路 56 接續(xù)流管后 的移相范圍可擴大到0 在這區(qū)間內(nèi)變化 只要電感量足夠大 輸出電流就可保持連續(xù)且平穩(wěn) 在電源電壓過零變負時 續(xù)流管承受正向電壓而導通 此時晶閘管因承受反向電壓被關斷 這樣波形與電阻性負載相同 如圖9 14 b 波形所示 電流是由晶閘管VT1 VT2及續(xù)流管VD三者相繼輪流導通而形成的 晶閘管兩端電壓波形與電阻性相同 所以 單相全波大電感負載接續(xù)流管的電路各電量計算式如下 9 2整流電路 57 單相全波可控整流電路 具有輸出電壓脈動小 平均電壓大以及整流變壓器沒有直流磁化等優(yōu)點 但該電路一定要配備有中心抽頭的整流變壓器 且變壓器二次側抽頭的上下繞組利用率仍然很低 最多只能工作半個周期 變壓器設置容量仍未充分利用 其次晶閘管承受電壓高 可達 元件價格昂貴 為克服以上缺點 可采用單相全控橋式電路 9 2整流電路 58 本章小結晶閘管的內(nèi)部結構由PNPN四層半導體構成 有三個PN結 三個引出極 陽極A 陰極K和門極G 又稱控制極 晶閘管同時在正向陽極電壓與正向門極電壓作用下 才能導通 晶閘管元件過電壓 過電流能力較差 在使用時 應在額定參數(shù)范圍內(nèi)使用 選擇額定電流時應考慮1 5 2倍的安全裕量 選擇額定電壓時應考慮2 3倍的安全裕量 單相半波整流電路和單相全波整流電路對不同負載時的工作原理分析情況不同 單相半波整流電路帶電阻性負載時 單相全波整流電路帶電阻性負載時 小結