2-1-晶闸管的半控性分析

第二章 单相可控整流电路习题与思考题解2-1．什么是整流？它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的？解：整流电路是一种AC ／DC 变换电路，即将交流电能变换为直流电能的电路，它是利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。

2-2．某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为75V ，电流为20A ，采用单相半波可控整流电路直接从220V 交流电网供电。

计算晶闸管的控制角α、导通角θ、负载电流有效值，并选择晶闸管。

解：(1)整流输出平均电压Ｕd =⎰παωωπ22).(.sin 221t td U =⎰παωωπ).(.sin 2212t td U=2cos 145.02cos 1222ααπ+≈⎪⎭⎫⎝⎛+U U cos α=5152.0122045.0752145.022=-⨯⨯=-U U d则 控制角α≈60° 导通角θ=π-α=120° (2).负载电流平均值I d =RU d=20(A) 则 R ＝U d ／I d ＝75／20=3.75Ω 负载电流有效值I ，即为晶闸管电流有效值I V1，所以I =I V1=()⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛παωωπt d t R U 22sin 221=παπαπ22sin 412-+R U ＝37.6(A) (3).当不考虑安全裕量时I V1=k fe I VEAR =1.57I VEAR则晶闸管通态平均电流 I VEAR =I V1 /1.57=37.4 /1.57=23.9(A) 晶闸管可能承受的最大正反向电压为 311220222≈⨯=U (V)所以，可选择额定通态平均电流为30A 、额定电压为400V 的晶闸管。

按裕量系数2，可选择额定通态平均电流为50A 、额定电压为700V 的晶闸管。

2-3．带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。

试证明输出整流电压平均值2cos 122απ+=U U d ，并画出控制角为α时的输出整流电压u d 、晶闸管承受电压u V1的波形。

电力电子变流技术课后答案第2章第二章 单相可控整流电路习题与思考题解2-1．什么是整流？它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的？解：整流电路是一种AC ／DC 变换电路，即将交流电能变换为直流电能的电路，它是利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。

2-2．某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为75V ，电流为20A ，采用单相半波可控整流电路直接从220V 交流电网供电。

计算晶闸管的控制角α、导通角θ、负载电流有效值，并选择晶闸管。

解：(1)整流输出平均电压Ｕd =⎰παωωπ22).(.sin 221t td U =⎰παωωπ).(.sin 2212t td U=2cos 145.02cos 1222ααπ+≈⎪⎭⎫⎝⎛+U Ucos α=5152.0122045.0752145.022=-⨯⨯=-UUd则 控制角α≈60° 导通角θ=π-α=120°(2).负载电流平均值I d =R U d=20(A)则 R ＝U d ／I d ＝75／20=3.75Ω负载电流有效值I ，即为晶闸管电流有效值I V1，所以 I =I V1=()⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛παωωπt d t R U 22sin 221=παπαπ22sin 412-+RU＝37.6(A)(3).当不考虑安全裕量时I V1=k fe I VEAR =1.57I VEAR则晶闸管通态平均电流 I VEAR =I V1 /1.57=37.4 /1.57=23.9(A)晶闸管可能承受的最大正反向电压为311220222≈⨯=U (V)所以，可选择额定通态平均电流为30A 、额定电压为400V 的晶闸管。

按裕量系数2，可选择额定通态平均电流为50A 、额定电压为700V 的晶闸管。

2-3．带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。

试证明输出整流电压平均值2cos 122απ+=U Ud，并画出控制角为α时的输出整流电压u d 、晶闸管承受电压u V1的波形。

实验二单相桥式半控整流电路实验一．实验目的1．研究单相桥式半控整流电路在电阻负载，电阻—电感性负载及反电势负载时的工作。

2．熟悉MCL—05组件锯齿波触发电路的工作。

3．进一步掌握双踪示波器在电力电子线路实验中的使用特点与方法。

二．实验线路及原理见图4-6。

三．实验内容1．单相桥式半控整流电路供电给电阻性负载。

2．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（带续流二极管）。

3．单相桥式半控整流电路供电给反电势负载（带续流二极管）。

4．单相桥式半控整流电路供电给电阻—电感性负载（断开续流二极管）。

四．实验设备及仪器1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）4．MCL—05组件或MCL—05A组件5．MEL—03三相可调电阻器或自配滑线变阻器。

6．MEL—02三相芯式变压器。

7．二踪示波器8．万用电表五．注意事项1．实验前必须先了解晶闸管的电流额定值（本装置为5A），并根据额定值与整流电路形式计算出负载电阻的最小允许值。

2．为保护整流元件不受损坏，晶闸管整流电路的正确操作步骤（1）在主电路不接通电源时，调试触发电路，使之正常工作。

（2）在控制电压U ct =0时，接通主电源。

然后逐渐增大U ct ，使整流电路投入工作。

（3）断开整流电路时，应先把U ct 降到零，使整流电路无输出，然后切断总电源。

3．注意示波器的使用。

4．MCL —33（或MCL —53组件）的内部脉冲需断开。

5．接反电势负载时，需要注意直流电动机必须先加励磁六．实验方法1．将MCL —05（或MCL —05A ，以下均同）面板左上角的同步电压输入接MCL —18的U 、V 输出端（如您选购的产品为MCL —Ⅲ、Ⅴ，则同步电压输入直接与主控制屏的U 、V 输出端相连）， “触发电路选择”拨向“锯齿波”。

1．具有电阻性负载的单相半波可控整流电路若用晶闸管T替代单相半波整流电路中的二极管D，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路，如图7.2.1所示。

设图中变压器副边电压，负载R L为电阻性负载。

现将这种可控整流电路的工作原理分析如下：（1）工作原理图 7.2.1 带电阻负载的单向半波可控整流电路及工作波形若晶闸管的控制极上未加正向触发电压，那么根据晶闸管的导通条件，不论正弦交流电压v2是正半周还是负半周，晶闸管都不会导通。

这时，负载端电压Vo =0、负载电流io=0，因而电源的全部电压都由晶闸管承受，即V T=V2。

当v2由零进入正半周，设a点电位高于b点电位，晶闸管承受正向电压，如果在时「见图7.2.1（b）」，在控制极加上适当的触发脉冲电压，晶闸管将立即导通。

电路中电流流向为a→T→R L→b。

晶闸管导通后，其管压降约1V左右，若忽略此管压降，则电源电压全部加在负载R L上，即，这样负载电流。

此后，尽管触发电压随即消失，晶闸管仍然继续导通，直到电源电压v2从正半周转入负半周过零的时候，晶闸管才自行关断。

当v2在负半周时，因为晶闸管承受的是反向电压，所以即使控制极上加触发电压，晶闸管也不会导通。

这时，负载电压、电流都为零，晶闸管承受v2的全部电压。

在以后各个周期，均重复上述过程。

从整流电路的工作波形图看，v o、i o均是一个不完整的半波整流波形（阴影部分）。

在晶闸管承受正向电压的半周内，加上触发脉冲电压，使晶闸管开始导通的相位角称为控制角，而晶闸管从开始导通到关断所经历的电角度称为导通角，故。

显然，的大小是由加上触发脉冲的时刻来控制的。

改变 的大小称为移相。

的变化范围称为移相范围。

因此，改变 就可以方便地获得可调节的整流电压和电流。

比较图7.2.1（b ）与（c ）可见，控制角越小，则输出电压、电流的平均值越大。

（2）负载电压和电流 单相半波可控整流电路的负载电压和电流的平均值，可以用控制角为变量的函数来表示。

实验三 晶闸管直流调速系统的调试一、实验目的1.分析晶闸管半控桥式整流电路电机负载（反电动势负载）时的电压、电流波形。

2.熟悉典型小功率晶闸管直流调速系统的工作原理，掌握直流调速系统的整定与调试。

3.测定直流调速系统的机械特性。

二、实验设备高自EAD —I 型电力电子与自控系统实验装置 万用表 双踪示波器 滑动变阻器直流电机机组，带涡流制动和机械制动负载，并有光电数字测速计及转速反馈模拟量输出。

机组的直流电机为SZD01型稀土高性能永磁直流电动机，电机的额定值为P nom =100W ，U nom =90V ，I nom =1.5A ，n nom =1000，T nom =1Nm ，Ω=11a R 。

三、实验电路实验电路具体接线如图3-1所示 四、实验原理此调速系统是小容量晶闸管直流调速装置，适用于4kW 以下直流电动机无级调速。

装置的主回路采用单相半控桥式晶闸管可控整流电路，触发电路采用电压控制的单结晶体管移相触发电路。

具有电压负反馈和电流正反馈及电流截止负反馈环节，电路均为分离元件，用于要求不太高的小功率传动调速场合。

1.晶闸管直流调速系统的基本工作原理虽然采用转速负反馈可以有效地保持转速的近似恒定，但安装测速发电机比较麻烦，费用也多。

所以在要求不太高的场合，往往以电压负反馈加电流正反馈来代替转速负反馈。

这是由于当负载转矩变化（设转矩增加）而使转速降低时，电动机的电枢电流将增加，而电流的增加，整流装置的内阻和平波电抗器上的电压降落也成正比地增加，这样，电动机电枢两端的电压将减小，转速也因此要下降，因而可考虑引入电压负反馈，使电压保持不变。

另一方面，电枢电流（d I ）的大小也间接地反映了负载转矩l T （扰动量）的大小（d T m l I K T T Φ=≈），因此可考虑采用扰动顺馈补偿，引入电流正反馈，以补偿因负载转矩l T （扰动）增加而形成的转速降。

电压负反馈不能弥补电枢压降所造成的转速降落，调速性能不太理想。

晶闸管的原理、特性、主要参数及测试方法1.1 晶闸管晶闸管（Thyristor）是硅晶体闸流管的简称，也称为可控硅SCR（Semiconductor Control Rectifier）。

晶闸管作为大功率的半导体器件，只要用几十至几百毫安的电流就可以控制几百至几千安的大电流，实现了弱电对强电的控制。

1.1.1 晶闸管的结构晶闸管是四层（P1N1P2N2）三端（阳极A、阴极K、门极G）器件，其内部结构和等效电路如图1-1所示。

图1-1 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的符号及外形如图1-2所示，图1-2（a）为晶闸管的符号，图1-2（b）为晶闸管的外形。

晶闸管的类型大致有4种：塑封型、螺栓型、平板型和模块型。

塑封型晶闸管多用于额定电流5A以下；螺栓型晶闸管额定电流一般为5～200A；平板型晶闸管用于额定电流200A以上；模块型晶闸管额定电流可达数百安培。

晶闸管由于体积小、安装方便，常用于紧凑型设备中。

晶闸管工作时，由于器件损耗会产生热量，需要通过散热器降低管芯温度，器件外形是为便于安装散热器而设计的。

图1-2 晶闸管的符号及外形晶闸管的散热器如图1-3所示。

图1-3 晶闸管的散热器1.1.2 晶闸管的工作原理以图1-4所示的晶闸管的导通实验电路来说明晶闸管的工作原理。

在该电路中，由电源EA、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路，由电源EG、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。

图1-4 晶闸管的导通实验电路实验步骤及结果说明如下。

（1）将晶闸管的阳极接电源EA的正极，阴极经白炽灯接电源的负极，此时晶闸管承受正向电压。

当控制电路中的开关S断开时，灯不亮，说明晶闸管不导通。

（2）当晶闸管的阳极和阴极承受正向电压，控制电路中开关S闭合，使控制极也加正向电压（控制极相对阴极）时，灯亮说明晶闸管导通。

（3）当晶闸管导通时，将控制极上的电压去掉（即将开关S断开），灯依然亮，说明一旦晶闸管导通，控制极就失去了控制作用。

晶闸管实验报告引言：晶闸管作为一种重要的电子器件，具有可控性和开关速度快的特点，被广泛应用于交流电源控制、功率调节、变频调速等领域。

本实验通过对晶闸管的性能测试和实际电路应用，旨在深入了解晶闸管的工作原理和特性。

一、实验目的：1. 了解晶闸管的结构和工作原理；2. 学习晶闸管的性能参数测量方法；3. 熟悉晶闸管的典型应用电路；4. 掌握晶闸管的特性和各种控制方法。

二、实验器材：1. 晶闸管（SCR）；2. 直流电源、交流电源；3. 变压器；4. 电阻、电容、电感等元件；5. 示波器、万用表等测量仪器。

三、实验内容及步骤：1. 测量晶闸管的电压特性：将晶闸管与直流电源连接，通过改变电压，记录晶闸管的电压-电流曲线。

2. 测量晶闸管的触发电压特性：通过改变触发电压，记录晶闸管的触发电压-电流特性曲线，并分析触发特性的影响因素。

3. 测量晶闸管的反向特性：通过改变反向电压，记录晶闸管的反向电流和反向功率特性曲线，并分析其对晶闸管的稳定性影响。

4. 实际电路应用：搭建典型的交流调光电路、速度调节电路等，并测量电路的性能指标。

四、实验结果与分析：1. 电压特性测试结果显示，晶闸管的导通电压与电流呈非线性关系，其导通电压较小，为正向电流增加提供了一个较低的通流阻抗，使其能够作为一个开关元件使用。

2. 触发电压特性测试结果表明，晶闸管的触发电压与外部电压源的功率、脉冲宽度等因素有关，需在一定范围内才能触发晶闸管的导通过程。

3. 反向特性测试结果指出，晶闸管在反向电压作用下会出现微小的反向漏电流，且反向电流与反向电压呈指数关系，需要注意晶闸管的正向和反向电压限值，以确保其正常工作。

五、实验结论：通过本次实验，我们对晶闸管的结构、工作原理和性能有了深入了解。

晶闸管的特性测试结果表明，其具有可控性和开关速度快的优点，能够灵活应用于各种电路中。

此外，在实际电路应用方面，晶闸管可以实现交流电源控制、功率调节和变频调速等功能，在现代电气领域有着广泛的应用。

电力电子技术实验总结报告姓名：学号：专业与班级：电气20 - 班实验名称: 实验二单相桥式半控整流电路实验成绩：日期：20 - -实验二单相桥式半控整流电路实验一、实验目的(1)加深对单相桥式半控整流电路带电阻性、电阻电感性负载时各工作情况的理解。

(2)了解续流二极管在单相桥式半控整流电路中的作用，学会对实验中出现的问题加以分析和解决。

三、实验线路及原理本实验线路如图3-1所示，两组锯齿波同步移相触发电路均在DJK03-1挂件上，它们由同一个同步变压器保持与输入的电压同步，触发信号加到共阴极的两个晶闸管，图中的R用D42三相可调电阻，将两个 900Ω接成并联形式，二极管VD1、VD2、VD3及开关S1均在DJK06挂件上，电感L d在DJK02面板上，有100mH、200mH、700mH三档可供选择，本实验用700mH，直流电压表、电流表从DJK02挂件获得。

图2-1 单相桥式半控整流电路实验线路图四、实验内容(1)单相桥式半控整流电路带电阻性负载。

(2)单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载。

五、预习要求(1)阅读电力电子技术教材中有关单相桥式半控整流电路的有关内容。

(2)了解续流二极管在单相桥式半控整流电路中的作用。

六、思考题(1)单相桥式半控整流电路在什么情况下会发生失控现象?答：当a突然增大至180度或触发脉冲丢失是，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使Ud成为正弦波，即半周期Ud为正弦，另外半周期Ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。

在感性负载下发生失控现象。

需在负载前加并续流电容。

(2)在加续流二极管前后，单相桥式半控整流电路中晶闸管两端的电压波形如何?七、试验数据及波形(1)单相桥式半控整流电路带电阻性负载：记录于下表中。

计算公式: U d = 0.9U2(1+cosα)/2描绘α=600、900时Ud、Uvt的波形。

α=600α=900(2)单相桥式半控整流电路带电阻电感性负载不接续流二极管VD3时，描绘α=600、900时Ud、Uvt的波形α=600 α=900③接上续流二极管VD3，接通主电路，观察不同控制角α时U d 的波形，八、实验报告(1)画出①电阻性负载，②电阻电感性负载时U d/U2=f(α)的曲线。