《电力电子技术》教案

泰州学院教 案20172018学年第二学期学院(系、部) 教研室(实验室)电气工程教研室课 程 名 称电力电子技术授 课 班 级 主 讲 教 师 职 称 使 用 教 材电力电子技术 王兆安主编xxxxxxx二一七年一月 电力电子技术 课程教案第1讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目1 绪论教学目的、要求1掌握电力电子技术的基本概念、学科地位、基本内容；2了解电力电子技术的发展史；3了解电力电子技术的应用、电力电子技术的发展前景；4了解本教材的内容。教学重点及难点重点：电力电子器件的分类，电能的4种变换形式。难点：无教 学 过 程方法及手段导入：电力电子技术的应用案例。新授：1 基本概念1.1 什么是电力电子技术电力电子技术：使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。1.2 两大分支（1）电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。（2）变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力变换四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流1.3 与相关学科的关系 电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现； 1974年，美国的W.Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。（1）与电子学（信息电子学）的关系 都分为器件和应用两大分支；多媒体举例讲解 器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术； 应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同； 信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态；（2）与电力学（电气工程）的关系 电力电子技术广泛用于电气工程中：高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传、电解、电镀、电加热、高性能交直流电源； 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支，电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。（3）与控制理论（自动化技术）的关系 电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带； 电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。（4）地位和未来电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。电力电子技术是一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。2 电力电子技术的发展史 一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业； 交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海； 电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿； 电子装置电源：为信息电子装置提供动力； 家用电器： “节能灯”、变频空调； 其他：UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置。3 电力电子技术的应用 电源技术：电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源； 节能技术：电力电子技术对节省电能有重要意义，特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面。作业和思考题：教学反思：10电力电子技术 课程教案第2讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目2.1 电力电子器件概述2.2 不控型器件电力二极管教学目的、要求1.掌握电力电子器件的概念和特征；2.熟悉应用电力电子器件的系统组成；3.了解电力电子器件的分类；4.掌握电力二极管的工作特性。教学重点及难点重点：器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。难点：基本特性及电力电子器件的两个基本要求。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾。新授：1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征 主电路（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：1）处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级；2）电力电子器件一般都工作在开关状态；3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制；4）不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。1.1.2 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。1.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： 半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如晶闸管； 全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，包括绝缘栅双极晶体管IGBT、电力场效应晶体管MOSFET以及门极可关断晶闸管GTO； 不可控器件：不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路，如电力二极管。（2）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制； 电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。（3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件：由一种载流子参与导电的器件； 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件； 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 。1.2不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的单向导电性：二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流； 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响； 承受的电流变化率di/dt较大； 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.2.2 电力二极管的基本特性（1）静态特性：伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。（2）动态特性：因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。（3）开关特性：反映通态和断态之间的转换过程。电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。1.2.3 电力二极管的主要参数（1）正向平均电流IF(AV)在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（2）正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。（3）反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3，使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。（4）最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示，最高工作结温TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TJM通常在125175C范围之内。（5）反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。（6）浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。1.2.4 电力二极管的主要类型 普通二极管（General Purpose Diode） 快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD） 肖特基二极管作业和思考题：教学反思：电力电子技术 课程教案第3讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目2.3半控型器件晶闸管教学目的、要求1.掌握晶闸管的工作原理、参数的确定和型号的选择，熟悉其基本特性，了解晶闸管的派生器件；2.熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数。教学重点及难点重点：晶闸管的额定电流、额定电压参数，晶闸管的额定电流计算，GTO的工作原理；难点：晶闸管的额定电流计算和型号选择，几个重要参数的理解；教 学 过 程方法及手段导入：复习回忆：1二极管的导通原理是什么？2功率二极管的额定电流如何计算？3功率二极管的伏安特性相比较有什么特点？新授：1.3 半控型器件晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，又称可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装， 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端， 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便，平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。工作原理：Ic1=a1 IA + ICBO1；Ic2=a2 IK + ICBO2；IK=IA+IG ；IA=Ic1+Ic2。多媒体、举例录像 式中a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 晶体管的特性是：在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。 阻断状态：IG=0，a1+a2很小，流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应； 阳极电压上升率du/dt过高； 结温较高； 光直接照射硅片，即光触发。光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。晶闸管正常工作时的特性总结： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通； 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。1.3.2 晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态；正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通；随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。（2）反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过；当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。1.3.3 晶闸管的主要参数1）断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2）反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3）通态（峰值）电压UT晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压； 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。4） 维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。5）擎住电流 IL :晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。6）浪涌电流ITSM: 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。7）通态平均电流 IT(AV) 使用时应按实际电流与通态平均电流所造成的发热效应相等 ，即有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。作业和思考题：P42习题4、5教学反思：电力电子技术 课程教案第4讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目2.4典型全控型器件教学目的、要求1熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数；2熟悉电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）的结构和工作原理。教学重点及难点重点：熟悉GTR、P-MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构及其工作原理；难点：上述各种器件的导通和关断过程分析。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾：1晶闸管的额定电流如何计算？2晶闸管的主要参数有哪些？3、与普通晶闸管相比较，对GTO的结构、工作原理进行比较分析。新授：1.4 典型全控型器件门极可关断晶闸管（GTO）在20世纪80年代问世，是晶闸管的一种派生器件，标志电力电子技术进入了一个崭新时代，典型代表包括门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。1.4.1 门极可关断晶闸管（1）主要特点： 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 GTO的电压、电流容量较大。（2）结构：（与普通晶闸管相比） 相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。（3）工作原理：普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。1.4.2 电力晶体管 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）； 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 应用：20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。多媒体举例讲解1GTR的结构和工作原理（1）静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区； 在电力电子电路中GTR工作在开关状态；（2）动态特性 开通过程：延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 关断过程：储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。（3）参数1）最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿； 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关； BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo。2）集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降，常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。1.4.3 电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）。（1）结构截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零；P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。（2）特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT）（1）结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E； N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT； IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力； 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管； RN为晶体管基区内的调制电阻。 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件通断由栅射极电压uGE决定：导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小；关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。（2）基本特性作业和思考题：教学反思：14电力电子技术 课程教案第5讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目3.1单相可控整流电路教学目的、要求1掌握单相半波可控整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、数量关系；2掌握不同负载时，单相桥式全控整流电路的结构、工作原理、波形分析和数量关系。教学重点及难点重点：1.掌握单相半波可控整流电路的工作原理、波形分析和数量关系；2.掌握单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析和数量关系；难点：1.单相半波可控整流电路的工作原理、波形分析。2.单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾：新授：2.1 单相可控整流电路2.1.1 单相半波可控整流电路（电阻负载） 变压器T起变换电压和电气隔离的作用； 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同； 基本数量关系：VT的 移相范围为180，通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。多媒体举例讲解触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用a表示，也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。2.1.2 单相半波可控整流电路（阻感负载）（1）特点： 电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变； VT的移相范围为180； 简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。（2）讨论负载阻抗角、触发角a、晶闸管导通角的关系。 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断； L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流，数量关系（id近似恒为Id）：2.1.3单相桥式全控整流电路1带电阻负载的工作情况（1）工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。（2）数量关系 的移相范围为180。 向负载输出的平均电流值为： 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即： 流过晶闸管的电流有效值： 变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：2带阻感负载的工作情况（1）工作原理及波形分析 假设电路已工作于稳态，id的平均值不变； 假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线；（2）数量关系 晶闸管移相范围为90。 晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：作业和思考题： P97习题1、3教学反思：18电力电子技术 课程教案第6讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目3.2三相可控整流电路（三相半波可控整流电路）教学目的、要求1掌握三相半波可控整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、数量关系。教学重点及难点重点：工作原理、输出电压波形、晶闸管电压波形分析；难点：三相可控整流电路时，强调自然换流点、触发脉冲移相范围、临界连续点等概念。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾：新授：2.2 三相可控整流电路 交流测由三相电源供电。 负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。2.2.1三相半控整流电路1电阻性负载（1）电路特点 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法。（2）自然换相点二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0。多媒体举例讲解（3）整流电压平均值的计算 a30时，负载电流连续，有： a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：（4）负载电流平均值为（5）晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即（6）晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即2电阻性负载（1）特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。 a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时（如a=60时的波形如图2-16所示）。 u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。 id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为90。（2）数量关系 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值作业和思考题： P97习题7教学反思：21电力电子技术 课程教案第7讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目3.2三相可控整流电路（三相桥式全控整流电路）教学目的、要求1掌握三相桥式全控整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、数量关系。教学重点及难点重点：工作原理、输出电压波形、晶闸管电压波形分析；难点：三相可控整流电路时，强调自然换流点、触发脉冲移相范围、临界连续点等概念。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾：新授：2.2.2三相全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路。1带电阻负载时的工作情况 当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续。：多媒体举例讲解 当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图： ：带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120对触发脉冲的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60； 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180； ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路； 需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。2阻感负载时的工作情况（1）a60时 ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管的通断情况、 输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形。 区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。（2）a 60时 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同； 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分； 阻感负载时，ud波形会出现负的部分； 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。定量分析： 当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为： 带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ： 当整流变压器为采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流有效值为：作业和思考题： P97习题7、13教学反思：25电力电子技术 课程教案第8讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目3.3 变压器漏感对整流电路的影响教学目的、要求1掌握变压器漏感对整流电路的影响及换相压降的计算教学重点及难点重点：换相过程中的换相重叠角概念、换相期间的整流电压和换相压降、重叠角的计算；难点：重叠角的产生，换相期间整流电压、换相压降和重叠角的计算。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾。新授：2.3 变压器漏感对整流电路的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示，现以三相半波为例，然后将其结论推广。（1）VT1换相至VT2的过程：因a、b两相均有漏感，故ia、ib均不能突变。于是VT1和VT2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik；ik=ib是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小的；当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。多媒体举例讲解（2）换相重叠角换相过程持续的时间，用电角度表示。 换相过程中，整流电压ud为同时导通的两个晶闸管所对应的两个相电压的平均值： 换相压降与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少。 换相重叠角的计算（3）变压器漏抗对各种整流电路的影响 出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低； 整流电路的工作状态增多； 晶闸管的di/dt 减小，有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt； 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路； 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。作业和思考题： 教学反思：27电力电子技术 课程教案第9讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目3.4电容滤波的不可控整流电路教学目的、要求1了解电容滤波的不可控整流电路单相、三相的工作原理和波形分析。教学重点及难点重点：电容滤波的不可控整流电路单相、三相的工作原理和波形分析。难点：无教 学 过 程方法及手段导入：复习回忆。新授：2.4 电容滤波的不可控整流电路2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。（1）基本工作过程： 在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流； 至wt=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。（2）主要的数量关系多媒体举例讲解1）输出电压平均值 空载时，； 重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性； 在设计时根据负载的情况选择电容C值，此时输出电压为：Ud1.2 U2。2）电流平均值 输出电流平均值为： ， 二极管电流平均值为： 3）二极管承受的电压2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路（1）基本原理 某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。 考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况： 电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。 随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。（2）主要数量关系（1）输出电压平均值：Ud在（2.34U2 2.45U2）之间变化。（2）电流平均值： 输出电流平均值为： 与单相电路情况一样，电容电流平均值为零，因此 二极管电流平均值为的1/3，即： （3）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为。作业和思考题：教学反思：29电力电子技术 课程教案第10讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目3.7整流电路的有源逆变工作状态教学目的、要求1.掌握逆变的概念、逆变的分类、有源逆变与无源逆变的区别；2.有源逆变的条件、逆变失败、造成逆变失败的原因与预防措施。了解有源逆变的应用。教学重点及难点重点：逆变的概念、分类，有源逆变与无源逆变的区别，实现有源逆变的条件、逆变失败的原因与预防措施；难点：有源逆变的条件、影响逆变失败的因素。教 学 过 程方法及手段导入：复习回忆。新授：一、逆变的概念1什么是逆变？为什么要逆变？1)逆变（Invertion）：把直流电转变成交流电，整流的逆过程。2)逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。 有源逆变电路：交流侧和电网连结，应用在直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。 无源逆变电路：变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在第5章介绍。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变；既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。2逆变产生的条件1）从上述分析中，可以归纳出产生逆变的条件有： 有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压； 晶闸管的控制角，使Ud为负值。2）逆变和整流的区别：控制角a不同： 时，电路工作在整流状态； 时，电路工作在逆变状态。3波形与参数计算多媒体举例讲解 把时的控制角用表示，称为逆变角； 逆变角和控制角的计量方向相反，其大小自的起始点向左方计量；4 逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。1）逆变失败的原因 触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。 晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。2）确定最小逆变角的依据逆变时允许采用的最小逆变角应等于，这样，一般取3035。作业和思考题：P98习题27、28、29教学反思：31电力电子技术 课程教案第11讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目4.1换流方式教学目的、要求1了解逆变电路的概念、换流方式和应用；2理解基本的逆变电路的结构及其工作原理。教学重点及难点重点：逆变电路的结构及其工作原理；难点：无。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾：逆变的概念：与整流相对应，直流电变成交流电，交流侧接电网，为有源逆变；交流侧接负载，为无源逆变。新授：5.1 换流方式（1）逆变与变频 变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。（2）主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。5.1.1 逆变电路的基本工作原理以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理。逆变电路最基本的工作原理：改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率：S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。多媒体举例讲解换流：电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断：全控型器件可通过门极关断；半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断；一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断；研究换流方式主要是研究如何使器件关断。5.1.2 换流方式分类1）器件换流（Device Commutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2）电网换流（Line Commutation）电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3）负载换流（Load Commutation）4）强迫换流（Forced Commutation）作业和思考题：P149 习题1教学反思：33电力电子技术 课程教案第12讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目4.2电压型逆变电路教学目的、要求1掌握无源逆变器的分类、电流型和电压型逆变器的概念；2了解单相半桥、单相全桥逆变电路；掌握1800导电型交-直-交逆变电路。教学重点及难点重点：无源逆变器的分类、电流和电压型逆变器的概念、1800导电型交-直-交逆变电路；难点：电流型和电压型逆变器的比较；1800导电型交-直-交逆变电路。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾。新授：5.2 电压型逆变电路1逆变电路的分类（根据直流侧电源性质的不同） 直流侧是电压源：电压型逆变电路又称为电压源型逆变电路； 直流侧是电流源：电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路。2电压型逆变电路的特点 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗； 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同； 阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。5.2.1 单相电压型逆变电路1半桥逆变电路（1）工作原理多媒体举例讲解 V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。（2）优点：电路简单，使用器件少。（3）缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。（4）应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源； 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。2全桥逆变电路（1）工作原理 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成，两对桥臂交替导通180； 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍； 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现； 阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。 V3的基极信号比V1落后（0180），V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180，输出电压是正负各为的脉冲，改变q就可调节输出电压。5.2.2 三相电压型逆变电路工作原理和特点： 基本工作方式：180导电方式 每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120； 任一瞬间有三个桥臂同时导通； 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。作业和思考题：P149 习题4教学反思：37电力电子技术 课程教案第13讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目5.1 基本斩波电路教学目的、要求1 熟悉直流斩波电路的基本结构和分类；2 掌握降压式和升压直流斩波电路的基本结构、工作原理和波形；3 掌握降压和升压式直流斩波电路的输入和输出之间的关系。教学重点及难点重点：降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理、输入输出关系、电路解析方法和工作特点；难点：直流斩波电路的结构、工作原理、输入和输出之间的关系分析。教 学 过 程方法及手段导入：复习回顾。新授：3.1.1 降压斩波电路（1）电路结构（2）工作原理 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升； t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降； 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。（3）数量关系 电流连续 负载电压平均值： 负载电流平均值：多媒体举例讲解（4）斩波电路三种控制方式 T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。 ton不变，变T 频率调制。 ton和T都可调，改变占空比混合型。3.1.2 升压斩波电路（1）电路结构（2）工作原理 假设L和C值很大； V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定； V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。（3）数量关系输出电流的平均值Io为： 3.1.3 升降压斩波电路（1）电路结构（2）基本工作原理 V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电； V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。（3）数量关系输出电流：3.1.3 Cuk斩波电路（1）工作原理 V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流； V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流； 输出电压的极性与电源电压极性相反； 电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。（2）数量关系作业和思考题： P111习题2/3教学反思：41电力电子技术 课程教案第14讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目6.1 交流调压电路教学目的、要求1了解交流变流电路的分类及其基本概念；2理解单相交流调压电路的电路构成，两种负载时的工作原理和电路特性；3掌握三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理。教学重点及难点重点：晶闸管交流调压电路中的部分概念、单相交流调压电路、三对晶闸管反并联的三相三线交流调压电路（电阻性负载）；难点：三相三线交流调压电路（电阻性负载）不同触发角时的波形分析。教 学 过 程方法及手段4.1 交流调压电路（1）原理两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。（2）应用 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)； 异步电动机软起动； 异步电动机调速； 供用电系统对无功功率的连续调节； 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。4.1.1 单相交流调压电路1电阻负载 多媒体举例讲解1）输出电压与的关系 移相范围为0a； =0时，输出电压为最大，；随 a 的增大，Uo降低，a =时，Uo =0。2）与a的关系 a =0时，功率因数=1，a 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。2阻感负载 负载阻抗角：； 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于的角度为，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后； a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为。4.1.2 三相交流调压电路1. 三相四线（1）基本原理相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。（2）问题三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。a =90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。2. 三相三线（电阻负载） 任一相导通须和另一相构成回路； 电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发； 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差60； 相电压过零点定为a 的起点，a角移相范围是0 150。作业和思考题：P131习题2教学反思：44电力电子技术 课程教案第15讲课程类别理论课 实训课 实验课 习题课 其他课时安排2授课题目6.3 交交变频电路教学目的、要求1掌握晶闸管交-交变频器（方波型、正弦波型）、输出正弦波形的获得方法、三相-单相交-交变频电路、三相交-交变频电路（原理电路的接线方式、具体电路结构）。教学重点及难点重点：晶闸管交-交变频的概念，输出方波型和正弦波形的获得方法，三相-单相、三相交-交变频电路的接线方式；难点：输出方波型和正弦波形的获得方法、三相交-交变频电路的接线方式。教 学 过 程方法及手段导入：复习回忆。新授：4.3.1 单相交交变频器1电路构成和基本工作原理 1）电路构成如图由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路。2）工作原理P组工作时，负载电流io为正。N组工作时，io为负；两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电；改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率。改变变流电路的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a 角进行调制。多媒体举例讲解2整流与逆变工作状态把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联。1）设负载阻抗角为j ，则输出电流滞后输出电压j 角。2）两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。3） 工作状态 t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁；t1 t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正；t2 t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。 t3 t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁；t3 t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正；t4 t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。 小结：哪一组工作由io方向决定