电力电子技术教案

第 1、2 课时

课题:

电力电子技术绪论

教学目的和要求:

掌握电力电子技术等概念，了解电力电子技术的发展史以及电力电子技术的应用。

重点与难点:

掌握电力电子技术等相关概念

教学方法:

图片展示，应用介绍，结论分析。

预复习任务:

复习前期学过的《电工技术基础》等课程的相关知识。

1 什么是电力电子技术 1.1 电力电子与信息电子

信息电子技术——信息处理 电力电子技术——电力变换

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。

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，即应用于电力领域的电子技术。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1W以下。 1.2 两大分支

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。

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

输出 输入 交流 直流 整流 直流斩波 交流电力控制、变频、变相 逆变 直流 交流 1.3 与相关学科的关系 电力电子学名称60年代出现。 与电子学（信息电子学）的关系 都分为器件和应用两大分支。

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。

二者同根同源。

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、交直流电力传动、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。 与控制理论（自动化技术）的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中。

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。

2 电力电子技术的发展史

电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。

〔四个阶段〕

1、 史前期（1957年以前）：使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。 2、 晶闸管时代（1958～70年代） 3、 全控型器件时代（70年代后期） 4、 复合器件时代（80年代后期）

3 电力电子技术的应用

1) 一般工业

近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等。

2) 交通运输 3) 电力系统

4) 电子装置用电源 5) 家用电器

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第 3、4 课时

课题:

电力电子器件概述与电力二极管

教学目的和要求:

概述电力电子器件的概念、特点和分类。掌握电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。

重点与难点:

掌握电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习前期学过的《电工技术基础》等课程的相关知识。

1 电力电子器件概述

1.1 电力电子器件的概念和特征 1）概念:

电力电子器件（Power Electronic Device）

——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 2）分类:

电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅） 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：

能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。

电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。 电力电子器件的损耗：

通态损耗、断态损耗、开关损耗（开通损耗、判断损耗） 1.2 应用电力电子器件系统组成

电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。

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1.3 电力电子器件的分类

1）按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。

全控型器件（IGBT,MOSFET)

——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。

不可控器件(Power Diode)

——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。

2）按照驱动电路信号的性质，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。

2 不可控器件—电力二极管

2.1 PN结与电力二极管的工作原理

基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。 PN结的状态

状态参数 电流 电压 阻态 正向导通 正向大 维持1V 低阻态 反向截止 几乎为零 反向大 高阻态 反向击穿 反向大 反向大 —— PN结的反向击穿（两种形式)：雪崩击穿、齐纳击穿，均可能导致热击穿 PN结的电容效应：

PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。 2.2 电力二极管的基本特性

主要指其伏安特性

门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。

2) 动态特性

4

——二极管的电压-电流特性随时间变化。由于结电容的存在。 1.2.3 电力二极管的主要参数 1) 正向平均电流IF(AV) 2）正向压降UF

3）反向重复峰值电压URRM 4）反向恢复时间trr 5）最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。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125~175?C范围之内。 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。2.4 电力二极管的主要类型

1) 普通二极管（General Purpose Diode）

2) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD） 3. 肖特基二极管

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? 集电极与基极之间的反向击穿电压 ? 集电极与发射极之间的反向击穿电压

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。 5) GTR的二次击穿现象与安全工作区

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 。

安全工作区：最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。

三、电力场效应晶体管

特点——用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，只适用于小功率的电力电子装置。 1）电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 ? 电力MOSFET的工作原理

? 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）电力MOSFET的基本特性 (1) 静态特性

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。 (2) 动态特性

MOSFET的开关速度：

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。 3) 电力MOSFET的主要参数 (1) 漏极电压UDS

(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM (3) 栅源电压UGS (4) 极间电容

四、绝缘栅双极晶体管

GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

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MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。

1) IGBT的结构和工作原理

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) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性 (2) IGBT的动态特性 3) IGBT的主要参数

(1)最大集射极间电压UCES (2)最大集电极电流 (3)最大集电极功耗PCM

IGBT的特性和参数特点可以总结如下：

开关速度高，开关损耗小。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。

与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

五、其他新型电力电子器件 1 MOS控制晶闸管MCT

承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。

一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。

其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。 2 静电感应晶体管SIT

? 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功

率场合。

? 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。

缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 3 集成门极换流晶闸管IGCT 4 功率模块与功率集成电路

20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。将器件与逻辑、控制、保护、传感、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路.

发展现状：

功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。

智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。

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第 9、10 课时

课题：

电力电子器件驱动电路和电力电子器件器件的保护

教学目的和要求:

掌握晶闸管、全控型器件的驱动电路和电力电子器件器件的保护。

重点与难点:

掌握晶闸管的驱动电路、了解全控型器件的驱动电路和和电力电子器件器件的保护。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习半控型器件晶闸管与全控型器件的工作原理，预习本节课程。

问题导入：

驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路：

按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。

对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器。 磁隔离的元件通常是脉冲变压器。 分类：

按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。

驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。

双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。

一、晶闸管的触发电路

作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路应满足下列要求：

脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。

不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

二、典型全控型器件的驱动电路 1) 电流驱动型器件的驱动电路

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(1) GTO

GTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。

GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。

(2) GTR

开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。

2) 电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。

为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。 (1) 电力MOSFET的一种驱动电路：

电气隔离和晶体管放大电路两部分

(2) IGBT的驱动

多采用专用的混合集成驱动器。

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三、电力电子器件器件的保护 1 过电压的产生及过电压保护

电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压

外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因。操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起；雷击过电压：由雷击引起

内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

2）关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过电压保护措施 2 过电流保护

过电流——过载和短路两种情况 保护措施

同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。

电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种。全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。 3 缓冲电路

缓冲电路(Snubber Circuit) ：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。

关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。

开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。

按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。

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4. 三相晶闸管接于星形负载中性点的三相交流调压电路

该电路如图所示，用三角形连接的三个晶闸管来代替星URa形连接负载的中性点。 iiUUVRVT ababb

VTVTcabcbc WR

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第 35、36 课时

课题：

交交变频电路

教学目的和要求:

掌握单相与三相交交变频电路的工作原理。

重点与难点:

掌握单相交交变频电路的工作原理。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习整流与逆变电波的相关知识，预习本节课程。

一、单相交交变频电路

交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。 1、电路构成和基本工作原理：

由P组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全

相同。 NP P组工作时，负载电流io为正， N组工作

uoZ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，就可以改变输平均输出电压?P=2uo?P=?输出电压?P=02出频率?0。

改变变流电路工作时的控制角?，就可以改变交流输出电压的幅值。 O?t为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对?角进行调制。

在半个周期内P组?角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔

内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零；另外半个周期可对N组进行同样的控制。 uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。

2、输入输出特性 （1）输出上限频率

输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。

就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。

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当采用4脉波三相桥式电路时，一般认为输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2，电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。 （2）输入功率因数

输入电流相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。

在输出电压的一个周期内， ?角以90°为中心而前后变化。输出电压比?越小，半周期内?的平均值越靠近90°，位移因数越低；负载功率因数越低，输入功率因数也越低。 不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。 （3）输出电压谐波

输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。

采用三相桥式电路时，输出电压所含主要谐波的频率为 4fi±fo，4fi±3fo，4fi±5fo，? 12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，? 采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。 （4）输入电流谐波

输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。

二、三相交交变频电路

交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成的。 1、电路接线方式：

（1）公共交流母线进线方式

由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成。

电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。

因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离；为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出6根线。

主要用于中等容量的交流调速系统。 （2）输出星形联结方式

三组输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。

因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。

构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。

同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通，两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。 2、输入输出特性

（1）输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路是一致的。

输入电流：总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到。

有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。 （2）输入功率因数 总输入功率因数为

??

PPa?Pb?Pc?SS48

三相电路总的有功功率为各相有功功率之和。

视在功率不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，因此三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。

从另一个角度看， 三相的输入位移因数与单相输出时相同，由于三个单相交交变频电路的部分输入电流谐波相互抵消，三相系统的基波因数增大，使其功率因数得以提高。

功率因数低仍是三相交交变频电路的一个主要缺点。 （3) 改善输入功率因数和提高输出电压 基本思路：

各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。

在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。 直流偏置

负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90°附近，因此输入功率因数很低。

给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a 将减小，但变频器输出线电压并不改变。

三、交交变频和交直交变频的比较

间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。 交交变频电路的优点： 1、效率较高（一次变流）； 2、可方便地实现四象限工作； 3、低频输出波形接近正弦波。

交交变频电路的缺点：

1、 接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管； 2、受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低； 3、输入功率因数较低；

4、输入电流谐波含量大，频谱复杂。

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第 37、38 课时

课题：

逆变电路的基本工作原理及分类

教学目的和要求:

掌握逆变电路的基本工作原理及换流方式分类

重点与难点:

掌握逆变电路的基本工作原理及换流方式分类

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习整流与逆变电路的相关知识，预习本节课程。

问题导入：

所谓逆变，就是与整流相反，把直流电转换成某一固定频率或可变频率的交流电(DC/AC)的过程。 当把转换后的交流电直接回送电网，即交流侧接入交流电源时，称为有源逆变；而当把转换后的交流电直接供给负载时，则称为无源逆变。通常所讲的逆变电路，若不加说明，一般都是指无源逆变电路。

一、逆变电路的基本工作原理

S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

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。

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。

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。

二、换流方式分类

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。

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第 27、28 课时

课题：

降压斩波电路与升压斩波电路

教学目的和要求:

掌握降压斩波电路与升压斩波电路的工作原理及对应波形图。

重点与难点:

掌握降压斩波电路与升压斩波电路的工作原理及对应波形图。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习《电工技术基础》等课程的相关知识，预习本节课程。

问题导入：

通过电力电子器件的开关作用，将恒定直流电压变为可调直流电压或将变化的直流电压变换为恒定的直流电压的电力电子电路，称为直流斩波电路，相应的装置称为斩波器。 一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流—交流—直流。 斩波电路的基本原理

在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，即可控制输出电压的平均值。

改变负载端输出电压有3种调制方法： 1．脉宽调制(PWM)：开关周期Ts保持不变，改变开关管导通时间ton。 2．脉频调制：开关管导通时间ton保持不变，改变开关周期Ts。 3. 混合调制：改变开关管导通时间ton，同时也改变开关周期Ts。

直流-直流变换器有两种不同的工作模式：1、电感电流连续模式 2、电感电流断续模式。

在不同的情况下，变换器可能工作在不同的模式。因此，设计变换器和它的控制器参数时，应该考虑这两种不同的工作模式的特性。

一、降压斩波电路

tontonUO?UD?UD??UDtoff?tonT 36

（一）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。 动画演示。 （二）数量关系 1、负载电流连续时 负载电压平均值： tontonU?E?E??Eo

ton?toffTton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比 负载电流平均值： Uo?EMI? oR2、负载电流断续的情况 输出电压平均值为

tE?(T?ton?tx)EM??ton?tx?? Uo?on?????1??m?ET????负载电流平均值为： T txton?tx?EUo?Em1?ton??I?idt?idt???m?????o12 0??T?0TR?R同样可以从能量传递关系出发进行的推导：由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 一周期中忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。

二、升压斩波电路

??

（一）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。

动态演示。 （二）数量关系

设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为

EI1ton设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为 ?Uo?E?I1toff稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：

EI1ton?(Uo?E)I1toff 37

化简得： Uo?ton?toffET如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载t?tEoffoffR消耗，即：

输出电流的平均值为： EI1?UoIo Uo I1Eo?R??R电源电流的平均值为：

I1?Uo1E EIo??2R

38

第 29、30 课时

课题：

升降压斩波电路与Cuk斩波电路

教学目的和要求:

掌握升降压斩波电路与Cuk斩波电路的工作原理及对应波形图。

重点与难点:

掌握升降压斩波电路与Cuk斩波电路的工作原理及对应波形图。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习降压斩波电路与升压斩波电路的相关知识，预习本节课程。

一、升降压斩波电路

（一）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。

动态演示。 （二）数量关系

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零。 所以输出电压为： tt?Uo?onE?onE?E toffT?ton1?? 当0

设电源电流i1和负载电流i2的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有： tonI1?

I2toff

toff1??I?I?I1 21ton?

二、Cuk斩波电路

39

V通时，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。 V断时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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。 数量关系 TiCdt?0 0V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff。由此可得：

I2toffT?ton1?? ???I1tonton?

tton?

Uo?onE?E?E toffT?ton1??

优点（与升降压斩波电路相比）：

输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

?

40

第 31、32 课时

课题：

晶闸管交流开关与交流调功电路

教学目的和要求:

晶闸管交流开关电路的拓扑结构、控制方式和工作原理及应用；单相交流调功电路的工作原理

重点与难点:

掌握晶闸管交流开关电路的拓扑结构、控制方式和工作原理及应用。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习晶闸管的相关知识，预习本节课程。

问题导入：交流变换器类型

只改变输出电压的幅值而不改变频率的 交流变换电路 交流调压电路

采用相位控制的交流电压控制电路

交流电压控制电路

交流调功电路

采用通断控制的交流电压控制电路

晶闸管交流开关

交流变换电路 令交流调压器中的晶闸管在交流电流自然过零时关断或导通

电压型电路

交-交变频电路

工频交流电直接变换成频率可调的交流电的交流变换电路 电压型直接变频电路是利用反并联

整流电路的工作原理拓广而成

电流型电路

电流型的电路结构也可看成是桥式整流

电路的拓广

一、简单交流开关及应用 1、单只普通晶闸管交流开关

VD1VD1VD43VDSQ图为只用一只普通晶闸管构成的交流开关电路，该电路包含一个

由二极管组成的整流桥。晶闸管只受正压，不受反压。其缺点是由于串联元件多，其压降损耗较大。

RL uu

VD2VD2VD341

2、普通晶闸管反并联的交流开关

VT1VD1SVT2VD2uRL图为普通晶闸管反并联构成的交流开关。当S闭合时，两只晶闸管均以管子本身的阳极电压作为触发电压进行触发，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发。随着交流电源的交变，两个晶闸管轮流导通，负载上得到的基本上是正弦电压。

3、采用光耦合器的交流开关电路

就书中图例进行分析 4、双向晶闸管交流开关

举例分析双向晶闸管控制三相自动控温电热炉电路 手动SBKAQS 停止VT4 FU2自动FU1FU1FU1

VT1VT2VT3

KT R2*运行 KAR1*R1*R1*停止 KA KTRLRLRL温控仪

当开关QS拨到“自动”位置时，炉温就能自动保持在给定温度。若炉温低于给定温度，温控仪KT(调节式毫伏温度计)使常开触点KT闭合，双向晶闸管触发导通。继电器KA得电，使主电路中VT1—VT3管导通，负载电阻接入交流电源，电热炉升温。若炉温达到给定温度，温控仪的常闭触点KT断开，VT4关断，继电器KA失电，双向晶闸管VT1～VT3关断，电阻与电源断开，电热炉降温。

双向晶闸管仅用一只电阻构成本相强触发电路，其阻值可由实验确定。调节电位器阻值，使双向晶闸管两端电压减到2～5V，此时电位器阻值即为触发电阻值。

二、单相交流调功器 1. 过零触发的概念

前述可控整流和有源逆变电路都采用移相触发控制，这种触发方式使得电路输出为缺角的正弦波，包含大量的高次谐波。为了弥补这种不足，可采用过零触发或称零触发。过零触发是指在正弦交流电压过零时，触发晶闸管，使晶闸管或者处于全导通或者处于全阻断，使负载得到完整的正弦波。 2. 交流调功器(周波控制器)的工作原理

交流过零触发开关电路就是利用过零触发方式来控制晶闸管的导通与关断。交流过零触发开关使电路在电压为零或零附近瞬间接通；利用管子电流小于维持电流使管子自行关断，这种开关对外界的电磁干扰最小。

由过零触发开关电路组成的单相交流调功器，是通过改变输出电压有效值来改变输出功率的。 如在设定的周期TC内导通的周波数为n，每个周波的周期为T(50Hz)，则调功器的输出功率和电压

P?nTPnTcU?nTUnTc42

Pn为设定周期Tc内全部周波导通时装置输出的功率。Un为设定周期Tc内全部周波导通时装置输出的电压有效值。因此，改变导通周波数，即可改变电压或功率。 3. 零触发的两种工作模式 1) 全周波连续式 2) 全周波断续式 u

Tc

12.5% Ot

u 25%O

ut 50%Ot

u 100%Ot

T

43

第 33、34 课时

课题：

交流调压电路

教学目的和要求:

掌握交流调压电路的拓扑结构、控制方式和工作原理。

重点与难点:

掌握单相交流调压电路的拓扑结构、控制方式、工作原理及应用。

教学方法:

借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学

预复习任务:

复习晶闸管的相关知识，预习本节课程。

一、单相交流调压电路 1、电阻性负载

正、负半周以同样的移相角触发VT1和VT2，则负载电压有效值可以随移相角而改变，实现交流调压。

VT1

uR

O aωtVT2 uguug1ug3ug2RuR Oωt uT1

O ωt

uT22、电阻—电感负载

VT1 Oωt

io

VT2当电源电压由正半周过零反向时，负载电感中产生感应电动势阻止

R电流变化，电流还未到零，即电压过零时晶闸管关不断，还将继续导通

u1uo到负半周。 L在一个晶闸管导电时，它的管压降成为另一晶闸管的反向电压而使其截止。

44

分析可调光台灯的实用电路:

R2、C2阻容电路的作用:

在α角较大时，RP阻值较大，C1充电缓慢。电源电压已过峰值并降得很低，uC1不足以击穿双向二极管。增设R2、C2阻容电路后，在大α角时, 电压uC2给电容C1增加一个充电“电源”，以保证晶闸管VT可靠触发导通，增大调压范围。

单相交流调压有如下特点：

① 电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧波形一

致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。单相交流调压的触发电路完全可以套用整流触发电路。

② 电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当时α<φ，会产生很大的直流电流分量，烧毁熔断器或晶闸管。

③ 电感性负载时，最小控制角αmin = φ(阻抗角)。所以移相范围为Ф～ 180o，电阻性负载时，移相范围是0～180o。

二、三相交流调压电路

1、负载按YN 连接的三相交流调压电路

VT如图示为星形带中性线的三相交流调压路，该电路各相通过RUVT零线自成回路，它相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合。

VT RVVT

VTR WVT iN

2. 三对反并联晶闸管接成的三相三线交流调压电路

负载可以接成星形，也可接成三角形。由于没有零线，每相电流必须和另一相构成回路，与三相全控桥整流一样，应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。

VT1晶闸管VT1、VT3、VT5的触发相位依次相差120°，VT4、RUVT4、VT2的触发相位依次也相差120°，同相的两个晶闸VT4VT3管的触发相位相差180°

RV NVT6 VT5WR VT2

3、负载是三角形连接的交流调压电路

该电路如图所示，可以看成是三个由线电压供电的单iUUiuv相交流调压电路的组合。无论是电阻性负载还是电感性负VT1R载，每一相都可当作单相交流调压电路来分析，单相交流

LVT4调压电路的方法和结果都可沿用，注意把单相相电压改成

UuVLUwu线电压即可。 VT5R VT6VT2iwuiV ViVWLRUvw VT143652NWiW3uO 45

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