可控硅元件—可控硅整流電路

一、單相半波可控整流電路

1、工作原理

電路和波形如圖1所示，設(shè)u2=U2sinω。

圖1 單相半波可控整流

正半周：

0＜t＜t1,ug=0,T正向阻斷，id=0,uT=u2,ud=0

t=t時(shí),加入ug脈沖，T導(dǎo)通，忽略其正向壓降，uT=0,ud=u2,id=ud/Rd。

負(fù)半周：

π≤t＜2π當(dāng)u2自然過零時(shí)，T自行關(guān)斷而處于反向阻斷狀態(tài)，ut=0,ud=0,id=0。

從0到t1的電度角為α，叫控制角。從t1到π的電度角為θ，叫導(dǎo)通角，顯然α+θ=π。當(dāng)α=0，θ=180度時(shí)，可控硅全導(dǎo)通，與不控整流一樣，當(dāng)α=180度，θ=0度時(shí)，可控硅全關(guān)斷，輸出電壓為零。

2、各電量關(guān)系

ud波形為非正弦波，其平均值（直流電壓）：

由上式可見，負(fù)載電阻Rd上的直流電壓是控制角α的函數(shù)，所以改變α的大小就可以控制直流電壓Ud的數(shù)值，這就是可控整流意義之所在。

流過Rd的直流電流Id：

Ud的有效值（均方根值）：

流過Rd的電流有效值：

由于電源提供的有功功率P=UI，電源視在功率S=U2I（U2是電源電壓有效值），所以功率因數(shù)：

由上式可見，功率因數(shù)cosψ也是α的函數(shù)，當(dāng)α=0時(shí)，cosψ=0.707。顯然，對(duì)于電阻性負(fù)載，單相半波可控整流的功率因數(shù)也不會(huì)是1。

比值Ud/U、I/Id和cosψ隨α的變化數(shù)值，見表1，它們相應(yīng)的關(guān)系曲線，如圖2所示

表1 Ud/U、I/Id和cosψ的關(guān)系

圖2 單相半波可控整流的電壓、電流及功率因數(shù)與控制角的關(guān)系

由于可控硅T與Rd是串聯(lián)的，所以，流過Rd的有效值電流I與平均值電流Id的比值，也就是流過可控硅T的有效值電流IT與平均值電流IdT的比值，即I/Id=It/IdT。

二、單相橋式半控整流電路

1、工作原理

電路與波形如圖3所示

圖3、單相橋式半控整流

正半周：

t1時(shí)刻加入ug1，T1導(dǎo)通，電流通路如圖實(shí)線所示。uT1=0,ud=u2,uT2=-u2。u2過零時(shí)，T1自行關(guān)斷。

負(fù)半周：

t2時(shí)刻加入ug2，T2導(dǎo)通，電流通路如圖虛線所示，uT2=0，ud=-u2,ut1=u2。u2過零時(shí)T2自行關(guān)斷。

2、各電量關(guān)系

由圖3可見，ud波形為非正弦波，其幅值為半波整流的兩倍，所以Rd上的直流電壓Ud：

直流電流Id：

電壓有效值U：

電流有效值I：

功率因數(shù)cosψ：

比值Ud/U,I/Id和cosψ隨α的變化數(shù)值見表2，相應(yīng)關(guān)系曲線見圖4

表2 Ud/U、I/Id、cosψ與α的關(guān)系表

圖4、單相全波和橋式電路電壓、電流及功率因數(shù)與控制角的關(guān)系

把單相全波整流單相半波整流進(jìn)行比較可知：

（1）當(dāng)α相同時(shí)，全波的輸出直流電壓比半波的大一倍。

（2）在α和Id相同時(shí)，全波的電流有效值比半波的減小倍。

（3）α相同時(shí)，全波的功率因數(shù)比半波的提高了倍。

三、整流電路波形分析

1、單相半波可控整流

（1）電阻性負(fù)載（見圖1）

• 電阻性負(fù)載，id波形與ud波形相似，因?yàn)榭煽毓鑄與負(fù)載電阻Rd串聯(lián)，所以id=id。

• 可控硅T承受的正向電壓隨控制角α而變化，但它承受的反向電壓總是負(fù)半波電壓，負(fù)半波電壓的值為U2。

• 線路簡單，多用在要求不高的電阻負(fù)載的場(chǎng)合。

（2）感性負(fù)載（不帶續(xù)流二極管，見圖5）：

圖5 電感性負(fù)載無續(xù)流二極管

• 電機(jī)電器的電磁線圈、帶電感濾波的電阻負(fù)載等均屬于電感性負(fù)載。

• 電感具有障礙電流變化的作用可控硅T導(dǎo)通時(shí)，其壓降uT=0，但電流id只能從零開始上升。id增加和減少時(shí)線圈Ld兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eL的極性變化如圖示。

• 當(dāng)電源電壓u2下降及u2≥0時(shí)，只要釋放磁場(chǎng)能量可以維持id繼續(xù)流通，可控硅T仍然牌導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)ud=u2。當(dāng)u2＜0時(shí)，雖然ud出現(xiàn)負(fù)值，但電流id的方向不變。

• 當(dāng)電流id減小到小于維持電流IH時(shí)，可控硅T自行關(guān)斷，id=0,UT=u2，可控硅承受反壓。

• 負(fù)載電壓平均值：其中電感Ld兩端電壓的平均值為零。

• 電感Ld的存在使負(fù)載電壓ud出現(xiàn)負(fù)值，Ld越大，ud負(fù)值越大，負(fù)載上直流電壓Ud就越小，Id=Ud/Rd也越小，所以如果不采取措施，可控硅的輸出就達(dá)不到應(yīng)有的電壓和電流。

（3）感性負(fù)載（帶續(xù)流二極管，見圖6）：

圖6 電感性負(fù)載有續(xù)流二極管

• 在負(fù)載上并聯(lián)一只續(xù)流二極管D，可使Ud提高到和電阻性負(fù)載時(shí)一樣，

• 在電源電壓u2≤0時(shí)，D的作用有點(diǎn)：①把電源負(fù)電壓u2引到可控硅T兩端，使T關(guān)斷，uT=u2；②給電感電流續(xù)流，形成iD；③把負(fù)載短路，ud=0,避免ud出現(xiàn)負(fù)值，使負(fù)載上直流輸出電壓ud提高。

• 負(fù)載電流為何控硅電流iT和二極管的續(xù)流iD之和，即id=iT+iD。當(dāng)ωLd≥R時(shí)，iD下降很慢使id近似為一條水平線，所以流過T和D的電注平均值與有效值分別為：平均值：IdT=（θ/360°）Id；IdD=[(360°-θ)/360°]Id；有效值：IT=根號(hào)下（θ/360°）Id；ID=根號(hào)下[(360°-θ)/360°]Id

• 可控硅T開始導(dǎo)通后，如果電感Ld很大，iT的上升很慢，這就有可能導(dǎo)致觸發(fā)脈沖消失時(shí)可控硅的電流還上升不到維持導(dǎo)通狀態(tài)的維持電流，就是說，可控硅觸發(fā)不了，為了使可控硅可靠觸發(fā)，觸發(fā)脈沖應(yīng)該足夠?qū)?，或者在?fù)載兩端并聯(lián)一只電阻，以利于加快iT的上升。

  晶閘管的工作原理

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  在中頻爐中整流側(cè)關(guān)斷時(shí)間采用KP-60微秒以內(nèi)，逆變側(cè)關(guān)短時(shí)間采用KK-30微秒以內(nèi)這也是KP管與KK管的主要區(qū)別

  晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。

  
  晶閘管的工作條件：

  
  1. 晶閘管承受反向陽極電壓時(shí)，不管門極承受和種電壓，晶閘管都處于關(guān)短狀態(tài)。

  2. 晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。

  3. 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。

  4. 晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。

  從晶閘管的內(nèi)部分析工作過程：

  晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)圖1，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管圖2

  當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)銅，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。圖2中每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此，兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門機(jī)電流Ig流入時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通，晶體管飽和導(dǎo)通。
  設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流相應(yīng)為Ic1和Ic2；發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik；電流放大系數(shù)相應(yīng)為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,
  晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：
  Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
  若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=Ia+Ig
  從而可以得出晶閘管陽極電流為：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2））（1—1）式
  硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)a1和a2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
  當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高起點(diǎn)流放大系數(shù)a2,產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。從圖3，當(dāng)a1和a2隨發(fā)射極電流增加而（a1+a2）≈1時(shí)，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時(shí)，流過晶閘管的電流由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。
  式（1—1）中，在晶閘管導(dǎo)通后，1-（a1+a2）≈0,即使此時(shí)門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后，門極已失去作用。
  在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí)，由于a1和a1迅速下降，當(dāng)1-（a1+a2）≈0時(shí)，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。