电力电子技术教案讲稿(龙志文版)

辽宁冶金职业技术学院 课程名称： 电力电子技术 任课教师： 开课系部： 自控系 授课班级： 开课教研室： 自控教研室 开课学期： 20xx～20xx学年度第一学期辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 绪论、§1.1电力电子器件概述、§1.2电力二极管 课次 第（1）次课 课时 2 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 了解本课程的基本内容及本课程在专业课中的作用；了解电力电子技术的发展、应用和分类。了解电力二极管的工作原理、基本特性和主要参数；了解晶闸管的结构，掌握晶闸管的导通条件、关断条件及门极的作用； 重点、难点及解决方法 重点：明确本课程在专业课学习中的作用和地位；晶闸管的工作原理、工作特性难点：晶闸管的双晶体管理论 教学基本内容与教学设计 一、绪论1、本课程在专业课学习中的作用和地位2、电力电子技术的概念3、电力电子技术的发展史4、电力电子技术的应用二、电力电子器件概述1、电力电子器件2、电力电子器件的分类三、电力二极管1、工作原理；2、基本特性；3、主要参数四、晶闸管1、晶闸管的结构；2、工作原理 教学方法 讲授法 教学手段 课外学习安排 复习电子技术课程中的二极管、三极管内容；预习电力二极管 参考 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 课外学习指导安排 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 一、绪论1、本课程在专业课学习中的作用和地位供电→变流→系统专业基础课：电路原理、电子技术、电机拖动、变流、自控原理、PLC等专业课：电力传动控制系统、供电、DCS、检测技术2、电力电子技术的概念电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。就是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。1）整流器：把交流电压变为固定的或可调的直流电压。(AC(DC)2）逆变器：把固定直流电压变为固定的或可调的交流电压。(DC(AC)3）斩波器：把固定直流电压变为可调直流电压。(DC(DC)4）交流调压器：把固定交流电压变为可调的交流电压。(AC(AC)5）变频器：把固定的交流频率变为可调的交流频率。3、电力电子技术的发展1）晶闸管：2）全控型器件：门极可关断晶闸管（GTO）；电力双极型晶体管（BJT、GTR）；电力场效应晶体管（电力MOSFET）3）复合型器件：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）；MOS控制晶闸管（MCT）；集成门极换流晶闸管（IGCT）；4）功率集成电路（PIC）4、电力电子技术的应用1）工业应用：如调速、直流电源、中高频感应加热电源等；2）交通运输二、电力电子器件概述1、电力电子器件·电功率的大小是其最主要的参数·一般工作在开关状态·由信息电子电路来控制·自身的功率损耗较大，一般要考虑器件的散热2、电力电子器件的分类按照电力电子器件控制电路信号的程度分：·不可控型器件：电力二极管·半控型器件：晶闸管·全控型器件（自关断器件）：按照控制信号的性质分：·电流驱动型：GTR、GTO·电压驱动型：电力MOSFET、IGBT按照器件内部载流子参与导电的情况分为：·单极型器件：电力MOSFET、静电感应晶体管（SIT）·双极型器件：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、静电感应晶闸管（SITH）·复合型（混合型）器件：IGBT、MCT 组织上课（2分钟）理论教学（43分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 三、电力二极管1、工作原理：与普通二极管相同2、基本特性：静态特性和动态特性3、主要参数：正向平均电流IF（AV）、正向压降UF、反向重复峰值电压URRM等四、晶闸管1、晶闸管的结构：四层三端半导体器件晶闸管是一种大功率的四层三端半导体器件。四层：由P、N、P、N四层半导体组成，依次构成三个PN结。三端：有三个接线端子（电极），即阳极A、阴极K、门极G其内部结构和符号如图所示2、晶闸管的外形常用晶闸管的外形有螺栓式和平板式两种，其优缺点如下：螺栓式：安装、更换方便，但散热效果差。平板式：散热效果好，但安装、更换比较麻烦。3、基本特性：静态特性：·晶闸管导通条件：应同时具备正向阳极电压和正向门极电压。·晶闸管关断条件：阳极电流小于管子的维持电流。·具体实现方法：①阳极电压减小到零或加反向电压。②增大回路负载电阻。·晶闸管导通以后门极失去作用。 复习相关知识（5分钟）理论教学（40分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 §1.3晶闸管 课次 第（2）次课 课时 2 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 掌握晶闸管的工作特性和主要参数 重点、难点及解决方法 重点：晶闸管的工作原理、工作特性和主要参数 教学基本内容与教学设计 晶闸管的伏安特性晶闸管的主要参数·额定电压UTn·额定电流IT(AV)·门极触发电流IGT和门极触发电压UGT·通态平均电压UT(AV)·维持电流IH与掣住电流IL（平均值、有效值、波形系数的计算）晶闸管的型号 教学方法 讲授法 教学手段 实物 课外学习安排 作业3道题 参考资料 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 主要内容下次课以提问方式进行复习，要求通过作业掌握 课外学习指导安排 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 1、晶闸管的结构：四层三端半导体器件2、晶闸管的外形3、基本特性：图中：UB0——正向转折电压UDSM——正向阻断不重复峰值电压UDRM——正向阻断重复峰值电压；等于90%UDSMUR0——反向击穿电压URSM——反向不重复峰值电压URRM——反向重复峰值电压；等于90%URSM动态特性：·开通过程·关断过程4、主要参数电压定额、电流定额、动态参数；（平均值、有效值、波形系数的计算）1）晶闸管的额定电压UTn·晶闸管的额定电压UTn是取UDRM和URRM中较小的一个。·选择晶闸管的额定电压时应考虑安全余量（2~3倍），即选实际工作时最大电压的2~3倍。2）晶闸管的额定电流IT(AV)晶闸管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定。平均值波形在一个周期内的平均值 组织上课，点名（2分钟）复习（5分钟）理论教学（33分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 有效值，即为“方均根”波形系数：有效值与平均值之比为波形系数。注意：Id、IdT、IT(AV)及I、IT、ITn的区别Id：负载电流平均值I：负载电流有效值IdT：晶闸管平均电流IT：晶闸管有效电流IT(AV)：晶闸管的额定电流ITn：晶闸管的额定电流有效值（举例）3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT在室温下，晶闸管施加6V正相阳极电压时，使元件完全开通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流，对应于门极触发电流时的门极（触发）电压，称为门极触发电压。4）通态平均电压UT(AV)晶闸管通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均电压（管压降）。5）维持电流IH与掣住电流IL维持电流IH：使晶闸管维持通态所必须的最小阳极电流。掣住电流IL：晶闸管从断态转入通态，并且移除触发信号后能维持通态所必须的最小电流。一般IL=(2~4)IH。5、型号 理论教学（50分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 §1.4全控型电力电子器件 课次 第（3）次课 课时 2 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 认识典型全控型器件，如GTO、GTR、IGBT等，重点掌握器件的工作特性和主要参数 重点、难点及解决方法 重点：器件的工作原理、工作特性和主要参数。 教学基本内容与教学设计 一、门极可关断晶闸管（GTO）1、结构和工作原理2、GTO的动态特性3、GTO的主要参数二、电力晶体管（GTR）1、结构和工作原理2、GTR的基本特性：静态特性和动态特性3、GTR的主要参数三、IGBT1、IGBT的结构和工作原理2、IGBT的基本特性：静态特性和动态特性3、IGBT的主要参数4、IGBT的锁定效应 教学方法 讲授法 教学手段 课外学习安排 自学典型全控型器件的相关内容 参考资料 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 课外学习指导安排 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 一、门极可关断晶闸管（GTO）·GTO是一种具有自关断能力的闸流特性功率半导体器件。·既具有普通晶闸管的耐压高、电流大的优点，又具有GTR的一些优点，如具有自关断能力、频率较高、使用方便等。·主要应用在大功率直流斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。1．GTO的结构及工作原理GTO的结构与普通晶闸管相似，也是PNPN四层三端半导体器件，三端A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。与普通晶闸管不同的是，可以从门极抽出电流而使其关断。GTO的触发导通原理与普通晶闸管相似，当阳极加正向阳极电压、门极加触发信号后可使GTO触发导通。因此，通过门极加正触发信号使GTO触发导通，通过门极加负触发信号使GTO关断。2．GTO的主要特性GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相似GTO的动态特性如图所示，由图可以看出，GTO的开通时间包括延迟时间和上升时间，其大小取决于器件特性、门极电流上升率以及门极信号的幅值大小。GTO的关断过程包含三个时间区间，即存储时间、下降时间和尾部时间，其中存储时间和下降时间的和定义为关断时间。3．GTO的主要参数GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数叙述如下：（1）最大可关断阳极电流即管子的铭牌电流，在实际应用中，它受如下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等。（2）电流关断增益为最大可关断阳极电流与门极最大负电流之比。表示GTO的关断能力，值越大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。 组织上课，点名（2分钟）GTO（30分钟）内容主要以自学为主辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 二、电力晶体管（GTR）·GTR是一种双极型大功率晶体管，因此也称为功率晶体管或双极型晶体管（BJT）。·具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点；·因此广泛应用在交直流调速、不间断电源、中频电源以及家用电器等中小容量的变流装置中。在中小功率应用方面，是取代晶闸管的自关断器件之一。1、结构和工作原理常用的电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。1）单管GTR：结构有PNP和NPN两种。要求有足够大的容量（大电流、高电压）、适当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等，因此在GTR的制造过程中采取了特殊的措施以保证功率应用的需要，如扩大结片的面积、采用特殊形状的管芯图形、精细结构等制造工艺。2）达林顿结构的GTR：解决单管GTR的电流增益较低的问题。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管决定。与单管GTR相比，达林顿GTR提高了电流增益，但饱和压降增加，且开关时间增加。实用达林顿电路是将达林顿结构的GTR、稳定电阻R1、R2、加速二极管VD1和续流二极管VD2等制作在一起。3）GTR模块：作为大功率开关应用最多的还是GTR模块。为了改善器件的开关过程和并联使用方便，中间级晶体管的基极均有引线引出。2．GTR的主要特性GTR的主要特性可分为静态特性和动态特性。静态特性中主要典型的双极型晶体管集电极输出特性，即集电极伏安特性，分为四个区域：截止区、放大区、临界饱和区、饱和区。GTR作为开关使用时，交替工作在饱和区和截止区，在状态转换过程中必须快速地通过放大区和临界饱和区。GTR的动态特性主要指开关特性。GTR的开通时间、关断时间及集电极电压上升率是动态过程中的重要参数。一般开通时间比关断时间短，容量越大，开关时间也越长，但仍比快速晶闸管短。为了抑制过高的对GTR的危害，使用时可在集-射极之间并联阻容缓冲电路。 内容主要以自学为主GTR（30分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 3．GTR的额定参数GTR的额定参数主要包括最高电压额定值、最大电流额定值和最大散耗功率。（1）最高电压额定值最高电压额定值即最高集电极电压额定值，它的大小不仅与器件本身的特性有关，而且还取决于基极回路的接线方式。下图所示为GTR的不同接线方式，对应的最高电压额定值用、、、和表示，一般情况下：在GTR产品目录中作为电压额定值给出，实际应用时必须考虑一定的裕量，GTR的电压额定应满足式中为GTR实际承受的最高电压。（2）最大电流额定值最大电流额定值即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大，但是集电极电流大，则要求基极注入的电流大，这将会使GTR的电气性能变差，甚至损坏器件。因此在实际应用电路中，为了确保使用的安全与稳定，GTR的最大电流额定值应满足式中为流过GTR的电流峰值。同样，基极电流也有最大额定值的规定，常用表示，通常取。（3）最大散耗功率最大散耗功率是指GTR在最高允许结温时所对应的散耗功率，它受结温的限制，其大小由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。由于这部分能量将转化为热能并使GTR发热，因此，GTR在使用中的散热条件是十分重要的。 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 三、IGBT·IGBT是一种复合型器件。·它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。·在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT已逐步取代功率MOSFET和GTR。1．IGBT的结构及工作原理IGBT是在功率MOSFET的基础上增加了一个P+层发射极，形成PN结J1，并由此引出集电极C，栅极G和发射极E。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P+区注入到N-区的空穴对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻Rdr，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，MOSFET内沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2．IGBT的工作特性IGBT的工作特性包括静态特性和动态特性。1）静态特性主要有输出特性和转移特性。输出特性表达了集电极电流与集射极电压之间的关系，分正向阻断区、饱和区、放大区（有源区）。饱和导通时管压降一般为2~5V。IGBT输出特性的特点是集电极电流由栅射极电压控制，越大越大。在反向集射极电压作用下器件呈反向阻断特性。IGBT的转移特性表示了栅射极电压对集电极电流的控制关系。在大部分范围内，与呈线性关系，只有当接近开启电压时才呈非线性关系。所以最大栅射极电压应受最大集电极电流得限制，最佳值为。2）IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分。IGBT的的开通时间由开通延迟时间和电流上升时间两部分组成，通常开通时间为（0.5~1.2）。开通延迟时间：是指从驱动电压上升到其幅值电压的10%的时刻起，到集电极电流升到其幅值的10%的时刻止的这段区间；上升时间：集电极电流从其幅值的10%升高到其幅值的90%所需的时间为。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程，关断时间也是由关断延迟时间和电流下降时间两部分组成。关断延迟时间：是指从驱动电压下降到其幅值电压的90%的时刻起，到集电极电流降到其幅值的90%的时刻为止的这段区间；下降时间：是指集电极电流从其幅值的90%降低到其幅值的10%所需的时间。在下降时间内，集电极电流的波形分为和两段，对应于IGBT内部MOSFET的关断过程，在这段时间内集电极电流下降较快；对应于IGBT内PNP晶体管的关断过程。通常关断时间为（0.55~1.5）。3．IGBT的主要参数（1）集射极击穿电压是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的，它决定了IGBT的最高工作电压。（2）开启电压是IGBT导通所需的最低栅射极电压，它随温度升高而下降。（3）通态压降通态压降决定了通态损耗，通常IGBT的通态压降为2~3V。（4）最大栅射极电压为了限制故障情况下的电流和确保长期使用的可靠性，应将栅射极电压限制在20V以内，一般取15V左右。（5）集电极连续电流和峰值电流集电极流过的最大连续电流即为IGBT的额定电流，在不超过额定结温的情况下，通常峰值电流为额定电流的2倍左右。4．IGBT的锁定效应当集电极电流大到一定程度时，NPN晶体管因过高的正偏置而导通，造成寄生晶闸管开通，导致IGBT栅极失去控制作用，这就是锁定效应，也称为擎住效应。因过大而产生的锁定效应称为静态锁定。此外，在关断过程中由于过大而产生的锁定效应称为动态锁定，这种现象在负载为电感性时更容易发生。为了避免IGBT发生锁定现象，必须规定集电极最大电流，由于动态锁定所允许的集电极电流比静态锁定时要小，所以厂家所规定的值是根据避免动态锁定而确定的。在设计时要考虑一定的安全裕量，以保证电流不超过。 内容主要以自学为主IGBT（30分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 单相可控整流电路 课次 第（4、6、9）次课 课时 6 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 熟悉各种单相可控整流电路，明白负载性质对整流电路性能的影响；掌握单相相控整流电路在不同性质负载下的工作原理，控制角移相范围，电流有效值、平均值的计算； 重点、难点及解决方法 重点：单相相控整流电路在不同性质负载下的工作原理；有效值、平均值的计算；难点：不同负载整流电路波形分析 教学基本内容与教学设计 一、单相半波可控整流电路电阻性负载、电感性负载、大电感性负载（接续流二极管）（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）二、单相全波可控整流电路电阻性负载、电感性负载、大电感性负载（接续流二极管）（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）三、单相全控整流电路电阻性负载、大电感性负载、反电动势负载（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）四、单相半控整流电路大电感性负载、大电感性负载（接续流二极管）（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算） 教学方法 讲授法 教学手段 课外学习安排 作业题5道；思考题2道 参考资料 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 作业、上课提问、测验方式 课外学习指导安排 晚自习辅导答疑 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 一、单相半波可控整流电路（一）电阻性负载1、电路图2、整流原理（1）晶闸管导通状态此时必须满足：a.u2为正半波（正向阳极电压）。b.有触发脉冲（正向门极电压）。晶闸管导通时有如下关系：ud=u2,uT=0,id=ud/Rd（2）晶闸管截止状态共有以下两种情况：a.u2为正但无触发脉冲。b.u2为负。此时有如下关系：ud=0,id=ud/Rd=0,uT=u23、波形分析：根据如上分析，可画出波形如图所示 组织上课，点名（2分钟）理论教学（45分钟）机动（3分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 4、两个重要角度(和((：从晶闸管承受正向阳极电压开始到晶闸管导通之间的电角度用(表示，称为控制角（或移相角）。(：晶闸管在一个周期内导通的电角度用(表示，称为晶闸管的导通角。5、平均电压Ud及Ud/U2与(的关系6、有效电压7、平均电流、有效电流及波形系数平均电流Id：有效电流I：波形系数kf：当(=0时kf=1.578、变压器二次侧供给的有功功率、视在功率及功率因数有功功率：P=I2Rd=UI视在功率：S=U2I功率因数：(=0时，cos(最大为0.707 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （二）电感性负载1、电路图2、整流原理及波形分析u2=uT+ud=uT+uL+uR①当0≤(t<(tVT截止，ud=0，uT=u2，id=0②当(t=(t1时晶闸管开始导通；③(t1≤(t<(t2VT导通，此时有：ud=u2，uT=0，从零上升；④(t=(t2时，id达到最大⑤(t2＜(t≤(t3此时：ud=u2，uT==0，id逐渐下降⑥(t3＜(t<(t4此时由于eL的作用，继续维持晶闸管导通，eL正的在减少，u2负的在增大.ud=u2⑦(t=(t4此时晶闸管关断，id=0⑧(t4＜(t<(t5晶闸管截止，ud=0uT=u2id=0 理论教学（47分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （三）大电感性负载（接续流二极管）1、电路图2、整流原理及波形分析当电感足够大时，流过负载的电流波形id可以看成一条直线，如图所示3．计算关系式①②θT为晶闸管的导通角为二极管的导通角③④ 作业（3分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 二、单相全波可控整流电路（一）电阻性负载1、电路图2、整流原理及波形分析u2正半波时可触发VT1导通u2负半波时可触发VT2导通波形如右图所示3、计算电压、电流值Id=Ud/RdI=U/Rd 组织上课，点名（2分钟）理论教学（48分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （二）电感性负载1、电路图2、整流原理及波形分析①当0°≤α≤90°时，每一个晶闸管导通半个周期。②当α＝90°时（电感较大），此时Ud=0③当90°＜α时,负载上得到断续的电流波形,每个晶闸管的导通角为(2л-2α),此时,Ud=0结论:①单相全波可控整流电路负载为电感性负载时,移相范围为(0°~90°)②Ud计算公式为电感性负载大电感性负载加续流二极管 理论教学（48分钟）布置作业（2分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 三、单相全控桥式整流电路（一）电阻性负载1、电路图2、工作原理及波形分析.VT1VT4同时加脉冲VT2VT3同时加脉冲VT1VT2共阴极连接VT3VT4共阳极连接3、计算公式 组织上课，点名（2分钟）理论教学（48分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （二）大电感性负载1、电路图2、波形分析（三）反电动势负载1、电路图2、工作原理及波形(1)只有时，触发对应的晶闸管才能使之导通，此时有(2)当时晶闸管截止，此时有ud=E，id=0 理论教学（45分钟）作业（5分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 四、单相半控桥式整流电路（一）大电感性负载1、电路图2、工作原理及波形分析（1）u2为正半波时，VT1承受正压a.VT1无脉冲时，ud=0b.VT1有脉冲时，uT1=0（2）u2为负半波时，VT2承受正压由于负载是大电感性负载，电流波形(id)为一直线保证电流连续，波形如图所示3、电路的工作特点晶闸管在触发时刻换流二极管则在电源过零时刻换流 组织上课，点名（2分钟）理论教学（48分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （二）大电感性负载接续流二极管时1、电路图2、工作原理及波形分析3电流值计算公式晶闸管导通角(T=(-(由波形图可以得到续流二极管承受的最大反向电压为U2 理论教学（45分钟）作业（5分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 三相半波可控整流电路 课次 第（8）次课 课时 2 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 使学生掌握三相半波相控整流电路的工作原理；不同负载性质、不同控制角时的工作情况分析；续流二极管的作用；平波电抗器的作用 重点、难点及解决方法 重点：三相相控整流电路在不同性质负载下的工作原理；难点：不同负载整流电路波形分析 教学基本内容与教学设计 三相半波相控整流电路的工作原理；不同负载性质、不同控制角时的工作情况分析；续流二极管的作用；平波电抗器的作用 教学方法 讲授法 教学手段 课外学习安排 作业题3道；思考题1道 参考资料 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 作业、上课提问、测验方式 课外学习指导安排 晚自习辅导答疑 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 三相半波可控整流电路三相交流电uAuBuC画法uABuBCuCAuBAuCBuAC画法（一）电阻性负载1、电路图晶闸管共阴极连接2、工作原理及波形分析(1)α=0的点是对应的自然换流点(2)波形分析如下a.0o<α≤30o时Ud=1.17U2(cos(b.30o<α≤150o时∴移相范围(0o,150o) 组织上课，点名（2分钟）理论教学（45分钟）机动（3分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （二）大电感性负载当α≤30o时，Ud波形与纯电阻时一样。当α>30o时1、电路图2、工作原理及波形分析3、公式（1）Ud=1.17U2φcos(Id=Ud/Rd（2）IdT=Id/3（3）移相范围：0o≤(<90o（4）晶闸管承受的最大电压为： 理论教学（45分钟）布置作业（5分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 三相桥式可控整流电路 课次 第（9-10）次课 课时 4 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 使学生掌握三相桥式相控整流电路的工作原理；不同负载性质、不同控制角时的工作情况分析； 重点、难点及解决方法 重点：三相桥式相控整流电路在不同性质负载下的工作原理；难点：不同负载整流电路波形分析 教学基本内容与教学设计 一、三相桥式全控整流电路1、电路图2、工作原理及波形分析3、对触发脉冲的要求 教学方法 讲授法 教学手段 课外学习安排 作业题5道； 参考资料 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 作业、上课提问、测验方式 课外学习指导安排 晚自习辅导答疑 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 一、三相桥式全控整流电路1、电路图（1）晶闸管接法有两组：共阴极组（1，3，5），共阳极组（4，6，2）。（2）要使负载上有电流流过，则必须使共阴极组和共阳极组中分别有一个（不在同一组）导通。2、工作原理及波形分析（1）共阴极组的自然换流点在a,c,e,g，即对应的(=0的点；共阳极组的自然换流点在对应的b,d,f,h点。两组的自然换流点对应相差60o。（2）每个晶闸管导通角为120o。a~b区间：A为正，B为负，1和6导通，ud=uABb~c区间：A为正，C为负，1和2导通，ud=uACc~d区间：B为正，C为负，3和2导通，ud=uBCd~e区间：B为正，A为负，3和4导通，ud=uBAe~f区间：C为正，A为负，5和4导通，ud=uCAf~g区间：C为正，B为负，5和6导通，ud=uCB波形如图所示 组织上课，点名（2分钟）理论教学（48分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 由上图可知:（1）当α≤60o时，ud为正值。（2）当60o<α<90o时，ud出现负值，但ud为正（3）当α=90o时，ud=0（4）当α=120o时，ud波形杂乱3、对触发脉冲的要求（1）晶闸管触发导通顺序1→2→3→4→5→6→1（2）触发脉冲必须满足a.宽脉冲（宽度大于60）b.双窄脉冲（间隔为60）4、总结（1）计算公式Ud=2.34U2φcos(0o≤α≤90o时（大电感）（2）（大电感）（3）大电感性负载：移相范围为0o~90o电阻性负载：移相范围为0o~120o 理论教学（45分钟）布置作业（5分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 二、三相桥式半控整流电路1、电路图特点：共阴极组由晶闸管组成在触发后进行换流（α）共阴极组由二极管组成，总是在自然换流点换流2、工作原理及波形分析（1）α=0o时，晶闸管在自然换流点换流，此时与三相全控桥α=0o时输出电压波形一样，即Ud=2.34U2φ（2）0o<α≤60o时Ud=1.17U2φ（1+cos(）（0o≤α≤60o） 理论教学（50分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （3）60o<α≤180o时或则：Ud=1.17U2φ（1+cos(）所以，三相半控桥电阻性负载时：Ud=1.17U2φ（1+cos(）（0o≤α≤180o） 理论教学（45分钟）布置作业（5分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 习题课(第一章) 课次 第（7）次课 课时 2 课型 理论（）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（√）；讨论（）；其他（） 教学目标 通过习题课，讲解典型例题和第一章作业题，解决学生作业中存在的问题，使学生进一步加深理解，巩固所学知识。 重点、难点及解决方法 解决方法：讲解 教学基本内容与教学设计 一、例题讲解二、作业讲解 教学方法 讲授法 教学手段 互动教学 课外学习安排 作业改正 参考资料 学习效果评测 课外学习指导安排 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 1-5．晶闸管正常导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由什么决定？晶闸管的关断条件是什么？如何实现？晶闸管导通与阻断时其两端电压各为多大？导通条件：同时具备：（1）正相阳极电压；（2）正相门极电压导通后流过晶闸管的电流由负载电流（或电源和负载）决定关断条件：流过晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下实现方法：（1）减小阳极电压到零或加反向阳极电压；（2）增大负载电阻晶闸管导通时其两端电压为其管压降（或近似为零）；阻断时其两端电压与电源大小有关。1-8．型号为KP100-3、维持电流为3mA的晶闸管，使用在图1-28三个电路中是否合理？为什么？（不考虑电压、电流裕量）（1）如果晶闸管导通，则流过晶闸管的电流为，小于维持电流，显然不合理；（2）晶闸管承受的最大电压为，超过了晶闸管的额定电压（300V），因此不合理；（3）如果晶闸管导通，则流过晶闸管的电流为，超过了晶闸管的额定电流（100A），因此不合理。1-9．图1-29中阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为，试计算各波形的电流平均值、有效值及波形系数。如不考虑安全余量，额定电流电流100A的晶闸管（a），，，。（b），，，（c），，， 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （d），，，（e），，，（f），，，1-11．100V交流电源接于一只晶闸管与8电阻串联的单相半波整流电路，用直流电压表测得电阻两端电压为40V，试求输出直流平均电压、平均电流以及晶闸管的控制角。解：用直流电压表测得电阻两端电压就是直流平均电压，则；由，可得：，所以：1-13．某电阻负载要求0~24V直流电压，最大负载电流Id=30A，如用220V交流直接供电与用变压器降压到60V供电，都采用单相半波可控整流电路，是否都能满足要求？试比较两种供电的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流值、变压器二次侧的功率因数以及对电源要求的容量。解：（1）由知，当时，对应，所以可以满足要求。当时，由得到，，。所以当时，，晶闸管的导通角；；，当时为最大，所以，由得到：；（2）由知，当时，对应，所以可以满足要求。 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 当时，由得到，，所以当时，；晶闸管的导通角；；，当时为最大，由得到：；1-14．某电阻负载，Rd=50Ω，要求Ud在0~600V可调，试用单相半波和单相全波两种整流电路来供电，分别计算：（1）晶闸管的额定电压、额定电流值；（2）连接负载的导线截面（导线允许电流密度j=6A/mm2）；（3）负载电阻上消耗的最大功率解：（a）单相半波由知，当时，对应，所以：，，，；；（b）单相全波由知，当时，对应，所以：，；此时，，，；；1-15．单相桥式全控整流电路，大电感负载，U2=220V，Rd=4Ω，试计算当α=60o时，输出电流电压的平均值。如负载端并接续流管，其Ud、Id又为多少？并求流过晶闸管和续流管的电流平均值、有效值。解：（a）无续流二极管时；；；。（b）接续流二极管时；；；；；。 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 1-16．单相桥式全控整流电路对恒温电炉供电，电炉电热丝电阻为34Ω，直接由交流220V输入，试选用晶闸管（考虑2倍裕量，计算出额定电流、额定电压就可以），并计算电炉功率。解：已知，，由，当时，，则；，；； 辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 锯齿波同步移相触发电路实验 课次 第（11）次课 课时 2 课型 理论（）；实验（√）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 通过实验，(1)加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。(2)掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。 重点、难点及解决方法 锯齿波同步移相触发电路的工作原理 教学基本内容与教学设计 一、实验注意事项、安全问题二、实验内容1、实验目的2、实验仪器及设备3、实验线路及原理4、实验内容（包括接线）5、数据波形纪录三、实验及思考题 教学方法 讲授法、现场教学法 教学手段 实物教学法 课外学习安排 预习触发电路的内容，弄清锯齿波同步移相触发电路的工作原理 参考资料 电力电子实验指导书 学习效果评测 课外学习指导安排 写实验报告 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 实验安全操作规程为了顺利完成电力电子技术及电机控制实验，确保实验时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：(1)在实验过程时，绝对不允许实验人员双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载使用。(2)为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。(3)为了提高实验过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。(4)如果在实验过程中发生过流告警，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行实验。(5)在实验中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成实验，以免损坏仪表、电源或负载。(6)电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号是经我们反复实验选定的，不得私自改变其规格和型号，否则可能会引起不可预料的后果。(7)在完成电流、转速闭环实验前一定要确保反馈极性是否正确，应构成负反馈，避免出现正反馈，造成过流。(8)除作阶跃起动试验外，系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。(9)在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。在完成实验时，要先关电枢电压，再关励磁电源。 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 1、实验目的(1)加深理解锯齿波同步移相触发电路的工作原理及各元件的作用。(2)掌握锯齿波同步移相触发电路的调试方法。2、实验仪器及设备KZS-1型可控硅直流调速装置3、实验线路及原理锯齿波同步移相触发电路I、II由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图3-1所示。图3-1锯齿波同步移相触发电路I原理图由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图3-2所示。本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O，供单相整流及逆变实验用。电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 4、实验内容1)锯齿波同步移相触发电路的调试。2)锯齿波同步移相触发电路各点波形的观察和分析。5、预习要求1)阅读电力电子技术教材中有关锯齿波同步移相触发电路的内容，弄清锯齿波同步移相触发电路的工作原理。2)掌握锯齿波同步移相触发电路脉冲初始相位的调整方法。6、思考题1)锯齿波同步移相触发电路有哪些特点?2)锯齿波同步移相触发电路的移相范围与哪些参数有关?3)为什么锯齿波同步移相触发电路的脉冲移相范围比正弦波同步移相触发电路的移相范围要大? 辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 三相桥式全控整流电路实验 课次 第（12-14）次课 课时 6 课型 理论（）；实验（√）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 通过实验，(1)加深理解三相桥式全控整流电路的工作原理。(2)了解KC系列集成触发器的调整方法和各点的波形。 重点、难点及解决方法 电路的工作原理 教学基本内容与教学设计 一、实验注意事项、安全问题二、实验内容1、实验目的2、实验仪器及设备3、实验线路及原理4、实验内容（包括接线）5、数据波形纪录三、实验报告及思考题 教学方法 讲授法、现场教学法 教学手段 实物教学法 课外学习安排 预习有关三相桥式全控整流电路的有关内容 参考资料 电力电子实验指导书 学习效果评测 课外学习指导安排 写实验报告 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 1、实验目的(1)加深理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理。(2)了解KC系列集成触发器的调整方法和各点的波形。2、实验仪器及设备KZS-1型可控硅直流调速装置3、实验线路及原理实验线路如图3-13及图3-14所示。主电路由三相全控整流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流电路组成，触发电路为集成触发电路，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。集成触发电路的原理可参考1-3节中的有关内容，三相桥式整流及逆变电路的工作原理可参见电力电子技术教材的有关内容。图3-13三相桥式全控整流电路实验原理图四、实验内容(1)测相序。(2)三相桥式全控整流电路五、实验报告(1)画出电路的移相特性Ud=f(α)。(2)画出触发电路的传输特性α=f(Uct)。(3)画出α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压Ud和晶闸管两端电压UVT的波形。(4)简单分析模拟的故障现象。 辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 2.4晶闸管的保护与容量扩充 课次 第（15）次课 课时 2 课型 理论（）；实验（√）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 掌握晶闸管的保护与容量扩展的目的和方法 重点、难点及解决方法 重点：过电压保护的目的及方法；过电流保护的方法难点：过电流保护的方法解决方法：通过讲授解决 教学基本内容与教学设计 一、晶闸管的过电压保护1、过电压的概念；2、过电压的分类3、过电压保护的目的；4、过电压保护的分类二、晶闸管的过电流保护1、过电流的概念；2、产生过电流的原因3、过电流保护装置的任务；4、晶闸管常用的过电流保护三、电压及电流上升率的限制1、电压上升率（du/dt）的限制；2、电流上升率（di/dt）的限制四、晶闸管的容量扩充1、晶闸管串联和并联的目的。2、晶闸管的串联3、晶闸管的并联 教学方法 讲授法 教学手段 课外学习安排 作业题2道； 参考资料 电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08 学习效果评测 作业、上课提问、测验方式 课外学习指导安排 晚自习辅导答疑 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 一、晶闸管的过电压保护1、过电压的概念凡是超过晶闸管正常工作时的承受的最大峰值电压UTM的电压都称作过电压。2、过电压的分类(1)操作过电压电感性电路的开与关、整流变压器的合闸与分闸、快速熔断器的熔断等过程引起的过电压。(2)浪涌电压由于雷击等原因从电网侵入的偶然性的电压称为浪涌电压。3、过电压保护的目的(1)使经常发生的操作过电压限制在器件额定电压UTn以下。(2)使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压以下。4、过电压保护的分类按保护部位可分为以下三种，具体保护见书(1)晶闸管关断过电压及其保护（器件保护）(2)交流侧过电压及其保护(3)直流侧过电压及其保护二、晶闸管的过电流保护1、过电流所谓过电流就是流过整流元件的电流大大超过其正常的工作电流。2、产生过电流的原因晶闸管装置出现的元件误导通或击穿，可逆传动系统中产生环流、逆变失败以及传动装置生产机械过载及机械故障引起电机堵转等。3、过电流保护装置的任务就是当电路一旦出现过电流，能在元件还没烧毁之前，迅速的把过电流现象消除。4、晶闸管常用的过电流保护有以下五种（1）在直流进线中串接电抗器（称交流进线电抗）或采用漏抗较大的变压器。作用：限制短路电流。缺点：损耗较大的电压降。（2）过电流继电器保护作用：保护由于机械过负载引起的过电流。缺点：动作慢（需几百毫秒）（3）限流与脉冲移相保护作用：交流测设置电流检测装置，利用过电流信号，去控制触发器，使触发脉冲快速后移或瞬时停止脉冲，从而使晶闸管立即阻断，抑制了过电流。 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 （4）直流快速开关。用途：大中容量的设备以及经常逆变的情况，开关动作时间为2ms。（5）快速熔断器。作用：适用于短路保护场合，是防止晶闸管过流损坏的最后一种措施，断流时间在20ms。各种保护接法如书上所示。5、快熔的连接方法。（1）交流测快熔。（2）器件串联快熔.（3）直流测的快熔.　　图如书上所示。6、选择与晶闸管串联的快熔时应注意。（1）快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。（2）快熔的额定电流应按下式迭取。IT:晶闸管实际工作电流的有效值。IRD:熔体的额定电流三、电压及电流上升率的限制1、电压上升率（du/dt）的限制2、电流上升率（di/dt）的限制四、晶闸管的容量扩充1、晶闸管串联和并联的目的。在高电压、大电流的电路中，如果一个晶闸管无法承受此高电压、大电流，则可采用串联和并联，以满足要求。2、晶闸管的串联（1）串联的目的当单个晶闸管的额定电压无法满足高电压电路要求，可选用几个晶闸管串联，以满足要求。（2）均压的概念及原因。（3）均压的具体措施及原理。晶闸管并联（小）电阻。式中：UTn—晶闸管额定电压有效值。IDR—断态重复平均电流。(IDR近似为漏电流峰值。 晶闸管的容量扩充（35分钟）辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 3、晶闸管的并联（1）并联的目的。当单个晶闸管的额定电流不能满足大电流的要求，但电压可以满足，此时可采用晶闸管的并联以满足要求。（2）均流的概念及原因。（3）均流的具体措施。a.电阻均流。串联电阻（大）b.电抗均流用一个均流电抗接在并联晶闸管电路中。均流的原理是利用电抗中感应电动势的作用，使一个元件的电压升高，另一个元件的电压减小，以达到并联晶闸管电流分配基本上均匀。 总结（3分钟）辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 习题课（第二章） 课次 第（16）次课 课时 2 课型 理论（）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（√）；讨论（）；其他（） 教学目标 通过习题课，讲解典型例题和第二章作业题，解决学生作业中存在的问题，使学生进一步加深理解，巩固所学知识。 重点、难点及解决方法 解决方法：讲解 教学基本内容与教学设计 一、例题讲解二、作业讲解 教学方法 讲授法 教学手段 互动教学 课外学习安排 作业改正 参考资料 学习效果评测 课外学习指导安排 教学后记 辽宁冶金职业技术学院讲稿 教学内容 备注 2-1、带电阻性负载三相半波可控整流电路，如触发脉冲左移到自然换相点之前15o处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10o和20o时负载两端的ud波形。EMBEDWord.Picture.82-2、带电阻性负载三相半波可控整流电路，当A相VT1管无触发脉冲时，试画出α=15o、α=60o两种情况下的ud波形，并画出α=60o时B相VT2管两端电压uT2波形。 教学内容 备注 2-6、现有单相半波、单相桥式、三相半波三种可控整流电路带电阻性负载，负载电流Id=40A，问流过晶闸管的平均电流、有效电流各为多大？解：单相半波：IdT=Id=40A；IT=I=kfId=1.57*40A=62.8A单相桥式：IdT=Id/2=20A；IT=I=kfId=31.4A三相半波：IdT=Id/3=13.3A；IT=I=23.5A（I=U/Rd）2-8、下图为二相零式可控整流电路，直接由三相交流电源供电，试求：（1）画出晶闸管控制角α=0o、α=60o的ud波形；（2）A相晶闸管的移相范围；（3）导出Ud的计算公式；（4）Udmax与Udmin各为多少？解：（2）晶闸管的移相范围为0o~150o（3）当0o(((120o时：当(<120o时： 教学内容 备注 （4）当(=0o时，Ud最大，为：当(=150o时，Ud最小，为：2-9三相全控桥式整流电路，Ld=0.2H，Rd=4Ω，要求Ud在0~220V之间变化，试求：（1）整流变压器二次线电压（不考虑控制角裕量）；（2）晶闸管的额定电压、额定电流值（考虑2倍裕量）；（3）变压器二次电流有效值I2；（4）计算变压器二次侧容量S2；解：因为所以为大电感性负载（1）当时，得到；（2）；；考虑2倍裕量时，；由考虑2倍裕量时，；；；（3）；（4） 辽宁冶金职业技术学院教案 课题名称 第三章有源逆变3.1有源逆变的工作原理 课次 第（17）次课 课时 2 课型 理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（） 教学目标 了解逆变的分类及有源逆变的应用；掌握有源逆变的工作原理，实现有源逆变的条件，逆变颠覆及防止措施，对逆变角的限制；重点掌握常用晶闸管有源逆变电路的工作原理、波形分析。 重点、难点及解决方法 重点：有源逆变工作的工作原理，逆变状态的颠覆现象及原因。难点：逆变颠覆。 教学基本内容与教学设计 一、基本概念1、整流：把交流电转换为直流电的过程。2、逆变：把直流电转变为交流电的过程。3、逆变分为有源逆变和无源逆变二、有源逆变的工作原理1、实现有源逆变的两个基本条件：2、对逆变电路的要求三、常用的晶闸管有源逆变电路三相半波有源逆变电路、三相全控桥有源逆变电路四、逆变失败与逆变角的限制1、逆变失败概念2、逆变失败的原因3、最小逆变角(