《電力電子技術(shù)》教案(總61頁)

1、泰州學院教 案20172018學年第二學期學院(系、部) 教研室(實驗室)電氣工程教研室課 程 名 稱電力電子技術(shù)授 課 班 級 主 講 教 師 職 稱 使 用 教 材電力電子技術(shù) 王兆安主編xxxxxxx二一七年一月 電力電子技術(shù) 課程教案第1講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目1 緒論教學目的、要求1掌握電力電子技術(shù)的基本概念、學科地位、基本內(nèi)容；2了解電力電子技術(shù)的發(fā)展史；3了解電力電子技術(shù)的應用、電力電子技術(shù)的發(fā)展前景；4了解本教材的內(nèi)容。教學重點及難點重點：電力電子器件的分類，電能的4種變換形式。難點：無教 學 過 程方法及手段導入：電力電子技術(shù)的應用案例

2、。新授：1 基本概念1.1 什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)：使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。1.2 兩大分支（1）電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導體物理。（2）變流技術(shù)（電力電子器件應用技術(shù)）用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其進行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。電力變換四大類：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交

3、流變交流1.3 與相關(guān)學科的關(guān)系 電力電子學 (Power Electronics)名稱60年代出現(xiàn)； 1974年，美國的W.Newell用倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。（1）與電子學（信息電子學）的關(guān)系 都分為器件和應用兩大分支；多媒體舉例講解 器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)； 應用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同； 信息電子電路的器件可工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開關(guān)狀態(tài)；（2）與電力學（電氣工程）的關(guān)系 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中：高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳、電解、電鍍、電加熱、高

4、性能交直流電源； 國內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個分支，電力電子技術(shù)是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。（3）與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系 電力電子技術(shù)是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶； 電力電子裝置是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。（4）地位和未來電力電子技術(shù)和運動控制一起，和計算機技術(shù)共同成為未來科學技術(shù)的兩大支柱。電力電子技術(shù)是一門嶄新的技術(shù)，21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展。2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般工業(yè)：交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)； 交通運輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海； 電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償；

5、 電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力； 家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調(diào)； 其他：UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置。3 電力電子技術(shù)的應用 電源技術(shù)：電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源； 節(jié)能技術(shù)：電力電子技術(shù)對節(jié)省電能有重要意義，特別在大型風機、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面。作業(yè)和思考題：教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第2講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目2.1 電力電子器件概述2.2 不控型器件電力二極管教學目的、要求1.掌握電力電子器件的概念和特征；2.熟悉應用電力電子器件的系統(tǒng)組成；3.了解電力電子器件的分類；4.掌握

6、電力二極管的工作特性。教學重點及難點重點：器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題。難點：基本特性及電力電子器件的兩個基本要求。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧。新授：1.1 電力電子器件概述1.1.1 電力電子器件的概念和特征 主電路（Main Power Circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。 電力電子器件（Power Electronic Device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類。 兩類中，自20世紀50年代以來，真空管僅在頻率很高（

7、如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件。 電力半導體器件所采用的主要材料仍然是硅。 同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：1）處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級；2）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)；3）電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制；4）不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。1.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核

8、心的主電路組成。1.1.3 電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類： 半控型器件：通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關(guān)斷，如晶閘管； 全控型器件：通過控制信號既可控制其導通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件，包括絕緣柵雙極晶體管IGBT、電力場效應晶體管MOSFET以及門極可關(guān)斷晶閘管GTO； 不可控器件：不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動電路，如電力二極管。（2）按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類： 電流驅(qū)動型：通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制； 電壓驅(qū)動型：僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號

9、就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。（3）按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類： 單極型器件：由一種載流子參與導電的器件； 雙極型器件：由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件； 復合型器件：由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 。1.2不可控器件電力二極管1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕憾O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r要流過很大的電流； 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響； 承受的電流變化率di/dt較大； 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。1

10、.2.2 電力二極管的基本特性（1）靜態(tài)特性：伏安特性當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。（2）動態(tài)特性：因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。（3）開關(guān)特性：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。1.2.3 電力二極管的主

11、要參數(shù)（1）正向平均電流IF(AV)在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。（2）正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。（3）反向重復峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。（4）最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示，最高工作結(jié)溫TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。（5）反向恢復時間trrt

12、rr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復反向阻斷能力止的時間。（6）浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。1.2.4 電力二極管的主要類型 普通二極管（General Purpose Diode） 快恢復二極管（Fast Recovery Diode FRD） 肖特基二極管作業(yè)和思考題：教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第3講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目2.3半控型器件晶閘管教學目的、要求1.掌握晶閘管的工作原理、參數(shù)的確定和型號的選擇，熟悉其基本特性，了解晶閘管的派生器件；2.熟悉可關(guān)斷晶閘管（GTO）的結(jié)構(gòu)和

13、工作原理，了解有關(guān)特性和參數(shù)。教學重點及難點重點：晶閘管的額定電流、額定電壓參數(shù)，晶閘管的額定電流計算，GTO的工作原理；難點：晶閘管的額定電流計算和型號選擇，幾個重要參數(shù)的理解；教 學 過 程方法及手段導入：復習回憶：1二極管的導通原理是什么？2功率二極管的額定電流如何計算？3功率二極管的伏安特性相比較有什么特點？新授：1.3 半控型器件晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，又稱可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，1958年

14、商業(yè)化，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代，20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代，能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝， 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端， 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便，平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。工作原理：Ic1=a1 IA + ICBO1；Ic2=a2 IK + ICBO2；IK=IA+IG ；IA=Ic1+Ic2。多媒體、舉例錄像 式中a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；

15、ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，a 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小，流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。 開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。其他幾種可能導通的情況： 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應； 陽極電壓上升率du/dt過高； 結(jié)溫較高； 光直接照射硅片，即光觸發(fā)。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間

16、的良好絕緣而應用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)： 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通； 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通； 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。1.3.2 晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)；正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，

17、則漏電流急劇增大，器件開通；隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。（2）反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流流過；當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1）斷態(tài)重復峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。2）反向重復峰值電壓URRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。3）通態(tài)（峰值）電壓UT晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓； 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23

18、倍。4） 維持電流 IH ：使晶閘管維持導通所必需的最小電流。5）擎住電流 IL :晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。6）浪涌電流ITSM: 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復性最大正向過載電流 。7）通態(tài)平均電流 IT(AV) 使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應相等 ，即有效值相等的原則來選取晶閘管。應留一定的裕量，一般取1.52倍。作業(yè)和思考題：P42習題4、5教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第4講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目2.4典型全控型器件教

19、學目的、要求1熟悉可關(guān)斷晶閘管（GTO）的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解有關(guān)特性和參數(shù)；2熟悉電力晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（P-MOSFET）的結(jié)構(gòu)和工作原理。教學重點及難點重點：熟悉GTR、P-MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的結(jié)構(gòu)及其工作原理；難點：上述各種器件的導通和關(guān)斷過程分析。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧：1晶閘管的額定電流如何計算？2晶閘管的主要參數(shù)有哪些？3、與普通晶閘管相比較，對GTO的結(jié)構(gòu)、工作原理進行比較分析。新授：1.4 典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）在20世紀80年代問世，是晶閘管的一種派生器件，標志電力電子技術(shù)進入了一個嶄新時代，典型代

20、表包括門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（1）主要特點： 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷 GTO的電壓、電流容量較大。（2）結(jié)構(gòu)：（與普通晶閘管相比） 相同點：PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。 不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。（3）工作原理：普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。1.4.2 電力晶體管 電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）； 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為P

21、ower BJT。 應用：20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。多媒體舉例講解1GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)； 在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)；（2）動態(tài)特性 開通過程：延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。 關(guān)斷過程：儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff 。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。（3）參數(shù)1）最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿； 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)；

22、BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。2）集電極最大耗散功率PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率。 一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。1.4.3 電力場效應晶體管通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）。（1）結(jié)構(gòu)截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零；P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1

23、反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導電 。（2）特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。 ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（1）結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E； N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT； IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力； 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，

24、一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管； RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件通斷由柵射極電壓uGE決定：導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通；通態(tài)壓降：電導調(diào)制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減??；關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。（2）基本特性作業(yè)和思考題：教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第5講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目3.1單相可控整流電路教學目的、要求1掌握單相半波可控整流電路的電

25、路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系；2掌握不同負載時，單相橋式全控整流電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和數(shù)量關(guān)系。教學重點及難點重點：1.掌握單相半波可控整流電路的工作原理、波形分析和數(shù)量關(guān)系；2.掌握單相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析和數(shù)量關(guān)系；難點：1.單相半波可控整流電路的工作原理、波形分析。2.單相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧：新授：2.1 單相可控整流電路2.1.1 單相半波可控整流電路（電阻負載） 變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用； 電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同； 基本數(shù)量關(guān)系：VT的 移相范圍為180，通過

26、控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。多媒體舉例講解觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用a表示，也稱觸發(fā)角或控制角。導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示。2.1.2 單相半波可控整流電路（阻感負載）（1）特點： 電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變； VT的移相范圍為180； 簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。（2）討論負載阻抗角、觸發(fā)角a、晶閘管導通角的關(guān)系。 當u2過零變負時，VDR導通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷； L儲存的能量保證了電流i

27、d在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流，數(shù)量關(guān)系（id近似恒為Id）：2.1.3單相橋式全控整流電路1帶電阻負載的工作情況（1）工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關(guān)斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關(guān)斷。（2）數(shù)量關(guān)系 的移相范圍為180。 向負載輸出的平均電流值為： 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即： 流過晶閘管的電流有效值： 變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：2帶阻感負載的工作情況（1）工作原理及波形分析 假設(shè)

28、電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變； 假設(shè)負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線；（2）數(shù)量關(guān)系 晶閘管移相范圍為90。 晶閘管導通角與a無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值：作業(yè)和思考題： P97習題1、3教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第6講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目3.2三相可控整流電路（三相半波可控整流電路）教學目的、要求1掌握三相半波可控整流電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系。教學重點及難點重點：工作原理、輸出電壓波形、晶閘管電壓波形分析；難點：三相可控整流電路時，強調(diào)自然換流點、觸發(fā)脈沖移相范圍、臨界連續(xù)點等概念。教 學

29、過 程方法及手段導入：復習回顧：新授：2.2 三相可控整流電路 交流測由三相電源供電。 負載容量較大，或要求直流電壓脈動較小、容易濾波。 基本的是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應用最廣 。2.2.1三相半控整流電路1電阻性負載（1）電路特點 變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。 三個晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接法。（2）自然換相點二極管換相時刻為自然換相點，是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角a的起點，即a =0。多媒體舉例講解（3）整流電壓平均值的計算 a30時，負載電流連續(xù)，有： a30時，

30、負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：（4）負載電流平均值為（5）晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即（6）晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即2電阻性負載（1）特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直。 a30時：整流電壓波形與電阻負載時相同。 a30時（如a=60時的波形如圖2-16所示）。 u2過零時，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，ud波形中出現(xiàn)負的部分。 id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。 阻感負載時的移相范圍為90。（2）數(shù)量關(guān)系 變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為 晶閘管的額定電流為

31、 晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值作業(yè)和思考題： P97習題7教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第7講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目3.2三相可控整流電路（三相橋式全控整流電路）教學目的、要求1掌握三相橋式全控整流電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系。教學重點及難點重點：工作原理、輸出電壓波形、晶閘管電壓波形分析；難點：三相可控整流電路時，強調(diào)自然換流點、觸發(fā)脈沖移相范圍、臨界連續(xù)點等概念。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧：新授：2.2.2三相全控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路。1帶電阻負載時的工作情況 當a60時，ud波形

32、均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)。：多媒體舉例講解 當a60時，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值波形圖： ：帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120對觸發(fā)脈沖的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60； 共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120；同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180； ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路； 需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖。2阻感負載時

33、的工作情況（1）a60時 ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時十分相似。各晶閘管的通斷情況、 輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形。 區(qū)別在于：得到的負載電流id波形不同。當電感足夠大的時候， id的波形可近似為一條水平線。（2）a 60時 阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同； 電阻負載時，ud波形不會出現(xiàn)負的部分； 阻感負載時，ud波形會出現(xiàn)負的部分； 帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90。定量分析： 當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60時）的平均值為： 帶電阻負載且a 60時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ： 當整流變壓器為采用星形接法，

34、帶阻感負載時，變壓器二次側(cè)電流有效值為：作業(yè)和思考題： P97習題7、13教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第8講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目3.3 變壓器漏感對整流電路的影響教學目的、要求1掌握變壓器漏感對整流電路的影響及換相壓降的計算教學重點及難點重點：換相過程中的換相重疊角概念、換相期間的整流電壓和換相壓降、重疊角的計算；難點：重疊角的產(chǎn)生，換相期間整流電壓、換相壓降和重疊角的計算。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧。新授：2.3 變壓器漏感對整流電路的影響考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示，現(xiàn)以三相半波為例，然

35、后將其結(jié)論推廣。（1）VT1換相至VT2的過程：因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik；ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的；當ik增大到等于Id時，ia=0，VT1關(guān)斷，換流過程結(jié)束。多媒體舉例講解（2）換相重疊角換相過程持續(xù)的時間，用電角度表示。 換相過程中，整流電壓ud為同時導通的兩個晶閘管所對應的兩個相電壓的平均值： 換相壓降與不考慮變壓器漏感時相比，ud平均值降低的多少。 換相重疊角的計算（3）變壓器漏抗對各種整流電路的影響 出現(xiàn)換相重疊角，整流輸出電壓平均值Ud降低； 整流電

36、路的工作狀態(tài)增多； 晶閘管的di/dt 減小，有利于晶閘管的安全開通。有時人為串入進線電抗器以抑制晶閘管的di/dt； 換相時晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正du/dt，可能使晶閘管誤導通，為此必須加吸收電路； 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。作業(yè)和思考題： 教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第9講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目3.4電容濾波的不可控整流電路教學目的、要求1了解電容濾波的不可控整流電路單相、三相的工作原理和波形分析。教學重點及難點重點：電容濾波的不可控整流電路單相、三相的工作原理和波形分析。難點：無教 學 過 程方法及手段導入：復習回憶。新授：2.4

37、 電容濾波的不可控整流電路2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入的場合，如目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中。（1）基本工作過程： 在u2正半周過零點至wt=0期間，因u2ud，故二極管均不導通，電容C向R放電，提供負載所需電流； 至wt=0之后，u2將要超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時向負載R供電。（2）主要的數(shù)量關(guān)系多媒體舉例講解1）輸出電壓平均值 空載時，； 重載時，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負載時的特性； 在設(shè)計時根據(jù)負載的情況選擇電容C值，此時輸出電壓為：Ud1.2 U2。2）電流平均值 輸出電流平均值

38、為： ， 二極管電流平均值為： 3）二極管承受的電壓2.4.2電容濾波的三相不可控整流電路（1）基本原理 某一對二極管導通時，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。 當沒有二極管導通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。 考慮實際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時的工作情況： 電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。 隨著負載的加重，電流波形與電阻負載時的交流側(cè)電流波形逐漸接近。（2）主要數(shù)量關(guān)系（1）輸出電壓平均值：Ud在（2.34U2 2.45U2）之間變化。（2）電流平均值： 輸出電流平均值為： 與單相電路情況一樣，電容

39、電流平均值為零，因此 二極管電流平均值為的1/3，即： （3）二極管承受的電壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為。作業(yè)和思考題：教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第10講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目3.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)教學目的、要求1.掌握逆變的概念、逆變的分類、有源逆變與無源逆變的區(qū)別；2.有源逆變的條件、逆變失敗、造成逆變失敗的原因與預防措施。了解有源逆變的應用。教學重點及難點重點：逆變的概念、分類，有源逆變與無源逆變的區(qū)別，實現(xiàn)有源逆變的條件、逆變失敗的原因與預防措施；難點：有源逆變的條件、影響逆變失敗的因素。教 學 過 程方法及手段

40、導入：復習回憶。新授：一、逆變的概念1什么是逆變？為什么要逆變？1)逆變（Invertion）：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。2)逆變電路：把直流電逆變成交流電的電路。 有源逆變電路：交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)，應用在直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速以及高壓直流輸電等。 無源逆變電路：變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，將在第5章介紹。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變；既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路。2逆變產(chǎn)生的條件1）從上述分析中，可以歸納出產(chǎn)生逆變的條件有： 有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一致

41、，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓； 晶閘管的控制角，使Ud為負值。2）逆變和整流的區(qū)別：控制角a不同： 時，電路工作在整流狀態(tài)； 時，電路工作在逆變狀態(tài)。3波形與參數(shù)計算多媒體舉例講解 把時的控制角用表示，稱為逆變角； 逆變角和控制角的計量方向相反，其大小自的起始點向左方計量；4 逆變失?。孀冾嵏玻┠孀儠r，一旦換相失敗，外接直流電源就會通過晶閘管電路短路，或使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變成順向串聯(lián)，形成很大短路電流。1）逆變失敗的原因 觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，致使晶閘管不能正常換相。 晶閘管發(fā)生故障，該斷時不斷，或該通時不通。 交流

42、電源缺相或突然消失。 換相的裕量角不足，引起換相失敗。2）確定最小逆變角的依據(jù)逆變時允許采用的最小逆變角應等于，這樣，一般取3035。作業(yè)和思考題：P98習題27、28、29教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第11講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目4.1換流方式教學目的、要求1了解逆變電路的概念、換流方式和應用；2理解基本的逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理。教學重點及難點重點：逆變電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理；難點：無。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧：逆變的概念：與整流相對應，直流電變成交流電，交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變；交流側(cè)接負載，為無源逆變。新授：5.1 換流方式（

43、1）逆變與變頻 變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。 交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。（2）主要應用 各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。 交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。5.1.1 逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理。逆變電路最基本的工作原理：改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率：S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正；S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負載電壓uo為負。多媒體舉例講解換流：電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。 開

44、通：適當?shù)拈T極驅(qū)動信號就可使器件開通。 關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷；半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關(guān)斷；一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關(guān)斷；研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。5.1.2 換流方式分類1）器件換流（Device Commutation）利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。在采用IGBT 、電力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2）電網(wǎng)換流（Line Commutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變

45、電路。3）負載換流（Load Commutation）4）強迫換流（Forced Commutation）作業(yè)和思考題：P149 習題1教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第12講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目4.2電壓型逆變電路教學目的、要求1掌握無源逆變器的分類、電流型和電壓型逆變器的概念；2了解單相半橋、單相全橋逆變電路；掌握1800導電型交-直-交逆變電路。教學重點及難點重點：無源逆變器的分類、電流和電壓型逆變器的概念、1800導電型交-直-交逆變電路；難點：電流型和電壓型逆變器的比較；1800導電型交-直-交逆變電路。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧

46、。新授：5.2 電壓型逆變電路1逆變電路的分類（根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同） 直流側(cè)是電壓源：電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路； 直流側(cè)是電流源：電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路。2電壓型逆變電路的特點 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動,直流回路呈現(xiàn)低阻抗； 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同； 阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。5.2.1 單相電壓型逆變電路1半橋逆變電路（1）工作原理多媒體舉例講解 V1和V2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補，輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud

47、/2。 V1或V2通時，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管。（2）優(yōu)點：電路簡單，使用器件少。（3）缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。（4）應用： 用于幾kW以下的小功率逆變電源； 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。2全橋逆變電路（1）工作原理 共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成，兩對橋臂交替導通180； 輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍； 改變輸出交流電壓的有效值只能通過

48、改變直流電壓Ud來實現(xiàn)； 阻感負載時，還可采用移相得方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓。 V3的基極信號比V1落后（0180），V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180，輸出電壓是正負各為的脈沖，改變q就可調(diào)節(jié)輸出電壓。5.2.2 三相電壓型逆變電路工作原理和特點： 基本工作方式：180導電方式 每橋臂導電180，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120； 任一瞬間有三個橋臂同時導通； 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。作業(yè)和思考題：P149 習題4教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第13講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目5.1 基本斬

49、波電路教學目的、要求1 熟悉直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)和分類；2 掌握降壓式和升壓直流斬波電路的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和波形；3 掌握降壓和升壓式直流斬波電路的輸入和輸出之間的關(guān)系。教學重點及難點重點：降壓斬波電路和升壓斬波電路的工作原理、輸入輸出關(guān)系、電路解析方法和工作特點；難點：直流斬波電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、輸入和輸出之間的關(guān)系分析。教 學 過 程方法及手段導入：復習回顧。新授：3.1.1 降壓斬波電路（1）電路結(jié)構(gòu)（2）工作原理 t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數(shù)曲線上升； t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下

50、降； 通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。（3）數(shù)量關(guān)系 電流連續(xù) 負載電壓平均值： 負載電流平均值：多媒體舉例講解（4）斬波電路三種控制方式 T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 ton不變，變T 頻率調(diào)制。 ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型。3.1.2 升壓斬波電路（1）電路結(jié)構(gòu)（2）工作原理 假設(shè)L和C值很大； V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定； V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。（3）數(shù)量關(guān)系輸出電流的平均值Io為： 3.1.3 升降壓斬波電路（1）電路結(jié)構(gòu)（2）基本工作原理 V通時，電源E

51、經(jīng)V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電； V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。（3）數(shù)量關(guān)系輸出電流：3.1.3 Cuk斬波電路（1）工作原理 V通時，EL1V回路和RL2CV回路有電流； V斷時，EL1CVD回路和RL2VD回路有電流； 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反； 電路相當于開關(guān)S在A、B兩點之間交替切換。（2）數(shù)量關(guān)系作業(yè)和思考題： P111習題2/3教學反思：電力電子技術(shù) 課程教案第14講課程類別理論課 實訓課 實驗課 習題課 其他課時安排2授課題目6.1 交流調(diào)壓電路教學目的、要求1了解交流變