XX職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案首頁(yè)

課程名稱電工電子技術(shù)基礎(chǔ)班級(jí)

授課章節(jié)13.1,13.2課次/周

授課方法講授教具多媒體

13.1電子器件

整流二極管

教學(xué)內(nèi)容13.1.1

13.1.2晶閘管

13.1.3絕緣柵雙極三極管(IGBT)

13.2.1二極管單相半波整流電路

知識(shí)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：掌握各種電子器件的工作原理和電氣參數(shù)。

能力目標(biāo)：會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行器件參數(shù)的選措。

能力目標(biāo)

重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：電子器件的工作原理，電器參數(shù)。

難點(diǎn)：晶間管的控制原理。

復(fù)習(xí)提問(wèn)

作業(yè)13-1:1.,2,,3.,4,,

2學(xué)時(shí)

教學(xué)時(shí)間

總結(jié)

電子開(kāi)關(guān)器件是電力電子技術(shù)基極器件，有了大功率的電子

開(kāi)關(guān)器件，才誕生了電力電子技術(shù)。

課后小結(jié)三相交流電，通過(guò)整理、逆變等技術(shù)處理，滿足現(xiàn)代對(duì)電能

的需要。

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教案內(nèi)容附記

【知識(shí)學(xué)習(xí)】

13.1大功率半導(dǎo)體器件

整流與濾波，是將交流電變?yōu)橹绷麟姷谋亟?jīng)之路，這項(xiàng)技術(shù)在

三相交流電出現(xiàn)之后就誕生了。隨著新型電子電力器件的產(chǎn)生，

使這項(xiàng)古老的技術(shù)煥發(fā)了青春。

大功率半導(dǎo)體器件是指工作在大電流、高電壓下的電力電子器

件，主要用于變流技術(shù)。

13.1.1整流二極管

1.整流

將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程，就叫整流。整流是通過(guò)單向?qū)щ?/p>

性器件完成的。

2.整流二極管特點(diǎn)

整流二極管主要應(yīng)用在整流電路中，特點(diǎn)是工作電流大，工作

電壓高。其產(chǎn)品已經(jīng)系列化，電流范圍1A~幾千A,電壓范圍幾

十丫~幾千丫。大功率整流二極管因?yàn)楹纳⒐β蚀?，工作中要進(jìn)行

散熱。下圖是整流二極管的外形圖。

（a）安裝式（b）模塊式（c）焊接式

整流二極管兩個(gè)主要參數(shù)：

7FM—額定電流，整流二極管通過(guò)的正向平均電流。

URM—最高反向工作電壓。二極管能承受的最高反向電壓。

13.1.2晶閘管

晶閘管俗稱可控硅，簡(jiǎn)稱SCR。晶閘管可單向觸發(fā)導(dǎo)通，屬

于半控器件（導(dǎo)通可控，關(guān)斷不可控）。

1.普通晶閘管的結(jié)構(gòu)

晶閘管根據(jù)輸出功率不同，有各種封裝形式，如圖所示。

1.晶閘管工作原理

晶閘管是觸發(fā)導(dǎo)通器件。給晶閘管加上A正、K負(fù)的正向電壓，

此時(shí)晶閘管正向阻斷，燈泡不亮。給G加上觸發(fā)電壓UG,晶閘管導(dǎo)

通，燈泡發(fā)光。當(dāng)導(dǎo)通后將S開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，晶閘管仍然導(dǎo)通，即晶閘

管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)信號(hào)便不起作用。晶閘管導(dǎo)通后，正向特性

和二極管相同。

3.晶閘管的主要參數(shù)

由伏安特性曲線可見(jiàn)，晶閘管具有正向和反向阻斷能力，當(dāng)不

加觸發(fā)信號(hào)時(shí)，正反向都不導(dǎo)通。當(dāng)加上正向電壓〃冷心電壓越

高，需要的觸發(fā)電流咻越小。

(1)額定正向平均電流IF

晶閘管允許通過(guò)的正弦半波電流的平均值。在選用時(shí)要留有充

分的裕量，一般取/F為實(shí)際平均電流的L2?2倍。

(2)額定電壓UN

允許重復(fù)加在晶閘管上的最大正反向電壓(URRMUDRM)。選

擇晶閘管時(shí)，通常以為加在管子上的最大瞬時(shí)電壓的2~3倍。

(3)維持電流/H

當(dāng)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極

電流，當(dāng)?shù)陀诖穗娏鞴茏咏刂埂?/p>

4.可控整流應(yīng)用

由波形圖〃?？梢?jiàn)，當(dāng)晶

閘管過(guò)零時(shí)，管子自然

關(guān)斷。

13.1.3絕緣柵雙極三極管(IGBT)

L絕緣柵雙極三極管特點(diǎn)

絕緣柵雙極三極管簡(jiǎn)稱IGBT,是將場(chǎng)效晶體管和三極管復(fù)合

在一起的復(fù)合器件。它的輸入端是場(chǎng)效晶體管特性，輸入阻抗高，

為電壓驅(qū)動(dòng)；輸出為三極管特性，通態(tài)(飽和狀態(tài))電壓低，開(kāi)

關(guān)工作時(shí)損耗小。

其模塊容量從1990年的1000A/1000V提高到現(xiàn)在的2400A/3500V,

開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到150kHz~300kHz。

由于IGBT為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。輸出電流

大，損耗低，已經(jīng)成為現(xiàn)在開(kāi)關(guān)電路中的主力器件。大功率開(kāi)關(guān)

電路均以IGBT為開(kāi)關(guān)器件。

2.IGBT特性

圖a是IGBT的圖形符號(hào)，其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極?發(fā)射極電壓

UGE來(lái)控制。圖b是轉(zhuǎn)移特性，圖c是測(cè)試電路。當(dāng)UGE等于開(kāi)通電

壓UGEth時(shí)，產(chǎn)生正向電流Ic,隨著UGE的增加，/c增加。當(dāng)UGE

小于UGEth時(shí)，IGBT關(guān)斷。當(dāng)做為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，為了使IGBT可靠

地工作：UGE=12V~15V,截止時(shí)：UGE=-5V。

（集電極）

C

偶巴|匕

E

（發(fā)射極）

（a）圖形符號(hào)

3.IGBT選用

IGBT是一個(gè)全控器件，多作為電子開(kāi)關(guān)、電路斬波應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)都已經(jīng)集成化、模塊化。

13.2整流電路

將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程稱為整流。根據(jù)交流電源的相數(shù)

不同，整流電路可分為單相整流和三相整流，根據(jù)整流電壓是否

可控又分為可控整流和非可控整流。

13.2.1二極管單相半波整流電路

1.整流原理

單相半波整流電路如圖所示.

它是由辱壓瞿T敢清一秘管

及負(fù)載電阻反向成。T的作用為：一是由磁通傳遞能量，起高

低壓隔離作用；二是通過(guò)變壓器降壓或升壓，滿足負(fù)載的電壓要

求。VD的作用是利用其單向?qū)щ娦詫⒔涣麟娮優(yōu)橹绷麟姟?/p>

設(shè)變壓器的二次繞組電壓為u2=41U2s\n（ot,波形見(jiàn)下圖。

整流過(guò)程：當(dāng)“2電壓正半

周，VD導(dǎo)通，正半周電壓

加在電阻上，〃。得到正半周

電壓。

當(dāng)“2電壓負(fù)半周，VD

截止，電壓為Oo

VD截止時(shí)承受反向

電壓

2.整流參數(shù)

（1）輸出電壓平均值

輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)波形，平均值為一個(gè)周期取平

均。對(duì)半波進(jìn)行積分，然后除以27r取平均：

U（）=—y/2Us\ncotd（cot）

/7tJo2

=—U>=0.45l/

7C2

即半波整流電路輸出電壓平均值為0.45倍有效值。

（2）輸出電流平均值

根據(jù)歐姆定律：1=生，有

R

（3）流過(guò)二極管的電流力

通過(guò)二極管的電流就是通過(guò)負(fù)載的電流，即

/［）—/o

（4）二極管承受的最高反向電壓

二極管承受的最高反向電壓就是〃2電壓的最大值，即

U1n=y/2U2

上述電路參數(shù)是半波整流電路計(jì)算時(shí)都要用到的參數(shù)。為了

保證二極管安全可靠地工作，應(yīng)選擇最大整流電流和最高反向工

作電壓都大于實(shí)際工作值的二極管。半波整流電路具有電路結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出電壓的脈動(dòng)性大，變壓器的利用率低

（只有半個(gè)周期工作），一般只應(yīng)用于對(duì)輸出電壓要求不高的小

功率整流場(chǎng)合或在開(kāi)關(guān)電源上應(yīng)用。

總結(jié)

電子開(kāi)關(guān)器件是電力電子技術(shù)基極器件，有了大功率的電子

開(kāi)關(guān)器件，才誕生了電力電子技術(shù)。

三相交流電，通過(guò)整理、逆變等技術(shù)處理，滿足現(xiàn)代對(duì)電能

的需要。

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課程名稱電工電子技術(shù)基礎(chǔ)班級(jí)

授課章節(jié)13.2課次/周

13.3

授課方法講授教具多媒體

教學(xué)內(nèi)容

13.2.整流電路工作原理

13.3.可控整流工作原理

知識(shí)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：掌握各種整流電路的整流原理。

能力目標(biāo)：會(huì)根據(jù)需要，設(shè)置選擇各種整流電路的參數(shù)。

能力目標(biāo)

重點(diǎn)：全波整流、可控整流電路的整流原理。

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：可控整流電路的整流原理。

1.二極管的導(dǎo)通特性？

復(fù)習(xí)提問(wèn)2.晶間管的導(dǎo)通特性：

3.IGBT的導(dǎo)通特性？

作業(yè)13-1：5.,13-2：1.,3.,4,,

2學(xué)時(shí)

教學(xué)時(shí)間

總結(jié)

整流電路，就是將交流電變成直流電的電路。目前，動(dòng)力電都是交流

電，但在工程中，應(yīng)用著大量的直流電。這些直流電電壓有高有低，電流

課后小結(jié)有大有小。有的是固定電壓，有的是需要變化的電壓。

固定電壓整流采用二極管，變化電壓整流采用晶間管、IGBT等可控

器件。

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教案內(nèi)容附記

13.2.2二極管單相橋式整流電路

1.工作原理

單相橋式整流電路如圖所示。它利用4只二極管輪流工作。設(shè)

變壓器的二次繞組電壓為〃sin函，當(dāng)變壓器〃2為正半周，

變壓器極性為上正下負(fù)，二極管VD1、VD3受正向電壓導(dǎo)通，電

流自a端流出，經(jīng)VD1、RL、VD3流進(jìn)b端，負(fù)載上得到半個(gè)周期

波形；當(dāng)變壓器的U2電壓為上負(fù)下正，二極管VD2、VD4受正

向電壓而導(dǎo)通，電流自變壓器的b端流出，經(jīng)VD2、Ri、VD4

流進(jìn)a端，負(fù)載上又得到半個(gè)周期波形，如下圖示。

io

穴VD：木VD2

b

2號(hào)VD42號(hào)VD3

2.橋式整流電路參數(shù)分析

(1)負(fù)載電壓

為2倍半波整流電壓

=0.9U2

(2)負(fù)載電流

為2倍半波整流電流

/()=0.9

(3)二極管中電流

1

D=7

(4)二極管反向電壓

U”=皿

3.電路應(yīng)用

橋式整流電路克服了半波整流o

電路輸出電壓脈動(dòng)性大和變壓器

利用率低的缺點(diǎn)，所以得到廣泛應(yīng)

用C

例：有一電阻性負(fù)載需要電壓o

3

11V、電流3A的直流電源供電。

現(xiàn)采用單相橋式整流電路，試求變

0

_________???

壓器二次電壓有效值，并選擇UD(VD1,VD3)?

合適的二極管。

0

解：確定電源變壓器二次電壓

和二極管電流與反向電壓

rrU)110V

5=----=--=----1--2-2V

-0.90.9

T_1r_3A

Il)=T/()=~=1.5A

Utn==V2X122V=172V

查手冊(cè)，國(guó)產(chǎn)型號(hào)：2CZ12D,ZCM=3A,L/RM=300V,可滿足要求。

13.2.3電容濾波

1.濾波原理

將電容并聯(lián)在負(fù)載電阻兩端，就構(gòu)成濾波電路，見(jiàn)圖。濾波原理是:

電容是儲(chǔ)能器件，有儲(chǔ)就有放。當(dāng)正半周“2上升時(shí)，電容充電，充到

半周的峰值。見(jiàn)下圖。

當(dāng)正半周下降時(shí)，電容向負(fù)載放電。放電電壓高低和負(fù)載阻值大小

有關(guān)系。通過(guò)電容放電，把輸出電壓補(bǔ)平。電容濾波一般應(yīng)月于小電流

的場(chǎng)合。

2?電容濾波常數(shù)r的選擇

電容器放電過(guò)程中，其兩端電壓下降的快慢取決于電容器的容

量C與負(fù)載阻值&的乘積，RC乘積稱為時(shí)間常數(shù)，用T表示：

T=RC

T的單位為s,r值越大，濾波效果越好。，當(dāng)r值足夠大時(shí)，負(fù)

載上電壓的平均值可接近其外的最大。為了獲得較好的濾波

效果，一般選擇較大的濾波電容.在工程上橋式整流濾波電容一

般按下式計(jì)算

七?！?3?5)口

式中，r為〃2電壓的周期，在50Hz交流電中，r=0.02s,RLC按下

式選擇

RO(0.03?0.05)s

電容濾波輸出電壓按下式估算

Uo=L2Ui

13.2.4電感濾波

在負(fù)載電阻右上串聯(lián)一個(gè)電感線圈L,即構(gòu)成電感濾波電路。

通過(guò)電感的充放電，達(dá)到漉波作用。

1.濾波原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：若線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在線

圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的變化。當(dāng)負(fù)載中的電流增加時(shí),

自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻礙電流的增加；當(dāng)負(fù)載中電流下降時(shí)，

自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻礙電流的下降。

由于自感作用，限制了負(fù)載中電流的變化，使電流變的平滑，使

輸出電壓和電流的脈動(dòng)減小，從而達(dá)到濾波目的。濾波后的波形如上圖

所示。若忽略了電感線圈的導(dǎo)體電阻，則〃2的直流分量全部加在RL

上，因此KL上的電壓平均值為

Uo=0.9S

電感濾波因?yàn)槭欠€(wěn)定的輸出電流，使輸出電流變的平滑，所以稱

為電流型漉波。適用于大電流負(fù)載濾波。因?yàn)殡姼芯€圈的直流電阻

很小，直流電壓降較小，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，負(fù)載電壓波動(dòng)不大。

因?yàn)殡姼性挠猩饘伲趾需F心，體積大，重量重，所

以一般應(yīng)用在大功率整流電源中。

13.2.4三相全波整流電路

1.整流原理

三相全波整流電路在大功率整流電路中應(yīng)用較廣泛。整流電路如

圖所示。電路中采用了6只整流二極管，上端3只二極管為由相線流進(jìn)

負(fù)載，下端3只二極管為由負(fù)載流進(jìn)相線。因?yàn)槿嘟涣麟娀ゲ?20°電角,

在整流過(guò)程中一部分電壓必然會(huì)產(chǎn)生重疊。下圖是三相交流電壓波形，

圖中的H部分即為重疊部分。在整流時(shí)重疊部分的相線中是沒(méi)有電流

的。

圖a是三相交流電波形，圖中虛線部分為重疊部分，相線中無(wú)電流。

整流時(shí)VD1、VD3、VD5將相線正向電流引到正母線；VD4>VD6、

VD2將相線反向電流導(dǎo)引到負(fù)母線。在正、負(fù)母線之間得到直流電壓。

見(jiàn)圖bo

2.整流電路參數(shù)

(1)整流輸出電壓平均值Uo

根據(jù)計(jì)算，輸出電壓的平均值為：

Uo=l.55U戰(zhàn)

例：三相380V整流電路，已知線電壓為380V,整流后直流母線

電壓為多少V。

解：Uo=1.55U后1.55x380=515V

(2)二極管承受的最高反向電壓二極管承受的最高反向電

壓是線電壓的最大值，即為：Um二行U*、吊U相

例：380V整流二極管：Um=l/?=1.414X38O=54OV

(3)二極管中平均電流為：

3.三相整流對(duì)電網(wǎng)的干擾'

因?yàn)檎麟娏鞑贿B續(xù)，對(duì)電源會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波干擾，應(yīng)用時(shí)輸

入端要加交流電抗器，以降低諧波干擾的幅度。

4.整流電路參數(shù)

(1)整流輸出電壓平均值“o

根據(jù)計(jì)算，輸出電壓的平均值為：Uo=L55U線

例：三和380V整流電路，已知線電壓為380V,整流后直流母線

電壓為多少V。解：Uo=l.S5U線=1.55X38O515V

(2)二極管承受的最高反向電壓1二二極管承受的最高反向電

壓是線電壓的最大值，即為：&?=&〃線=兀1%

例：380V整流一極管：〃和=1.414X380=540V

(3)二極管中平均電流為

5.三相整流對(duì)電網(wǎng)的干擾

因?yàn)檎麟娏鞑贿B續(xù)，對(duì)電源會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波干擾，應(yīng)川時(shí)輸

入端要加交流電抗器，以降低諧波干擾的幅度。

13.3.5單相橋式半控整流電路

該電路在小型直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、小型可控設(shè)備的調(diào)壓中常

被采用。

電路中：VT1、VT2晶閘管，VD2、VD1二極管。工作中VT1、

VT2做調(diào)壓用。圖中VD3為續(xù)流二極管，為輸出感性負(fù)載續(xù)流。

1.阻性負(fù)載

該整流電路就是VT1、VT2改為了晶閘管，在橋式整流的基礎(chǔ)上

變?yōu)榱藰蚴娇煽卣鳌?/p>

圖中”是控制角，0是導(dǎo)通角。是由“G到來(lái)的時(shí)間進(jìn)行控制?！ㄔ?/p>

小，。越大，輸出電壓越大；a越大，0越小，輸出電壓越小。控制I/G

到來(lái)的時(shí)間，就可以進(jìn)行調(diào)壓控制。

因?yàn)樨?fù)載為阻性，電壓和電流同相位，沒(méi)有能量的儲(chǔ)存，加在電阻

上的電壓和電流波形相同。

在交流電正半周，VT1的A+K-,當(dāng)〃G到來(lái)正向?qū)?，?fù)載上得

到正向電壓。當(dāng)正半周過(guò)零點(diǎn)，（7AK=0,晶閘

管自然關(guān)斷。

在交流電負(fù)半周，VT2的A+K?，當(dāng)?shù)絹?lái)正向?qū)?，?fù)載上也得

到正向電壓。過(guò)零時(shí)也自然關(guān)斷。改變控制角〃，可改變輸出電壓的高低。

a從0~180。變化，輸出電壓從最大到。之間

變化。完成調(diào)壓工作。

半控可控整流電路在單相交流電中得到廣泛應(yīng)用。例如直流電動(dòng)機(jī)

調(diào)速勵(lì)磁電壓，調(diào)光設(shè)備等。

U2,

o

?o,

O

io、

O

UGt

O

導(dǎo)通

元件

2.感性負(fù)載應(yīng)用

（1）晶閘管過(guò)零關(guān)不斷感性負(fù)載因?yàn)榫哂袃?chǔ)能特性，相

當(dāng)于加進(jìn)了電感濾波。當(dāng)負(fù)載電壓由高向低下降時(shí)，因?yàn)樽愿须?/p>

動(dòng)勢(shì)的作用，使電壓下降延遲，電壓過(guò)零時(shí)晶閘管不能關(guān)斷。

（2）問(wèn)題解決在負(fù)載兩端并聯(lián)VD3續(xù)流二極管，當(dāng)負(fù)載出

現(xiàn)反向電壓時(shí)，VD3導(dǎo)通，將w.電壓鉗位在IV以下，晶閘管過(guò)零

時(shí)自然關(guān)斷。

（3）續(xù)流期間＜/,?=0當(dāng)VD3續(xù)流期間，〃后0,使輸出平均電壓

下降"下面分析整流波形°

3.整流波形分析

當(dāng)負(fù)載中的電感量足夠大，儲(chǔ)能效果明顯，其濾波作用也很明顯。

“O電壓雖然是間斷的，但/（）電流是連續(xù)的（阻性負(fù)載電流和電壓波形

相同）。

導(dǎo)通器件：

在交流電的正半周，VT1、VD1導(dǎo)通；在交流電的負(fù)半周，VT2、

VD2導(dǎo)通。續(xù)流期間，VD3導(dǎo)通。

4.電路參數(shù)

（1）平均電壓Uo

在橋式整流電路中，Uo=0.9U2,在調(diào)速電路中，要乘上調(diào)速因子。

=0.951+廣。

（2）平均電流Io

根據(jù)電流等于電壓除以電阻，有

JUO八c51+cosa

八=忘=°?9位-7-

(3)晶閘管所承受的最高阻斷電壓為

Um=

【工程應(yīng)用】

13.2.6整流電路用途

1.開(kāi)關(guān)電源

過(guò)去當(dāng)需要低壓直流電時(shí)，是通過(guò)鐵心變壓器降壓，然后通過(guò)整流

濾波得到直流電。變壓器體積大，消耗有色金屬，笨重?，F(xiàn)在隨著科技

的發(fā)展，是采用開(kāi)關(guān)變壓器降壓。三相交流電先通過(guò)直接整流,變成310V

直流高壓，然后加在開(kāi)關(guān)變壓器上變成高壓脈沖波，通過(guò)降壓繞組、整

流，變成低壓直流電。

輸出的脈沖交流電壓采用半波整流(只能采用半波整流，因?yàn)?/p>

輸出波形不對(duì)稱)和濾波，得到直流電。電路如下圖所示。圖中

ab兩點(diǎn)連接310V直流高壓，當(dāng)VT開(kāi)關(guān)工作時(shí)，加為脈沖電流，在

變壓器二次繞組產(chǎn)生脈沖電壓，由VD整流輸出直流電。

20kHz

開(kāi)關(guān)變壓器由于工作頻率在20kHz左右，其體積很小，過(guò)去用拳頭

大小的鐵芯變壓器，現(xiàn)在用比小指甲蓋還小的開(kāi)關(guān)變壓器就可以了。

節(jié)能燈的鎮(zhèn)流器、電子設(shè)備的供電電源，計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等，都是

用的開(kāi)關(guān)電源。

2.三相整流電路應(yīng)用

Jt圖是變頻器的整流電路，將380V三相交流電整流為直流電。圖中，

G、C2是耐壓450V的標(biāo)準(zhǔn)電容，為了滿足直流540V的濾波要求，需

2個(gè)電容串聯(lián)。取G=C2,每個(gè)電容上分壓值為Uol/2。M是限流電阻，

限制濾波電容冷通電時(shí)充電電流太大損壞整流二極管。KA是短路繼電

器，當(dāng)濾波電容充電完成，KA自動(dòng)閉合，將限流電阻短路。該電路就是

三相整流電路的工程應(yīng)用。

總結(jié)

整流電路，就是將交流電變成直流電的電路。目前，動(dòng)力電都是交

流電，但在工程中，應(yīng)用著大量的直流電。這些直流電電壓有高有低，

電流有大有小。有的是固定電壓，有的是需要變化的電壓。

固定電壓整流采用二極管，變化電壓整流采用晶閘管、IGBT等可控

器件。

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課程名稱電工電子技術(shù)基礎(chǔ)班級(jí)

授課章節(jié)13.3課次/周

授課方法講授教具多媒體

教學(xué)內(nèi)容13.3直流斬波器

13.3.1降壓直流斬波器

13.3.2升壓直流斬波器

知識(shí)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：掌握斬波器工作原理

能力目標(biāo)：掌握升壓原理和降壓原理

能力目標(biāo)

重點(diǎn)：斬波器工作原理

重點(diǎn)難點(diǎn)

難點(diǎn)：升壓原理和降壓原理

1.電感的特性？

復(fù)習(xí)提問(wèn)

2.電感電路頻率和感抗的關(guān)系？

作業(yè)13-2:5.,6.,

2學(xué)時(shí)

教學(xué)時(shí)間

13.3.3斬波器總結(jié)

1.直流電路升壓降壓

在直流電路中，過(guò)去升壓或降壓都是不可能的，因?yàn)樵谌箅?/p>

路器件中，電感、電容是動(dòng)態(tài)器件，可以儲(chǔ)能放能，但是條件是動(dòng)

態(tài)，直流電是靜態(tài)量，所以不能通過(guò)動(dòng)態(tài)器件變換。

自從出現(xiàn)了大功率電子開(kāi)關(guān)器件，可以將一個(gè)靜態(tài)的直流量斬

課后小結(jié)

波為方波動(dòng)態(tài)量，再把這個(gè)動(dòng)態(tài)量加到儲(chǔ)能器件上，通過(guò)儲(chǔ)能器件

的充電和放電，進(jìn)行升壓或降壓。

2.交流電壓的變換

在整流電路中，因?yàn)檎也ㄊ且粋€(gè)逐漸上升又逐漸下降的波形，

而整流出來(lái)的直流電壓是一個(gè)較高的恒定電壓，這就造成正弦波在

最大值的兩邊是沒(méi)有整流電流的。使電網(wǎng)電壓波形畸變，產(chǎn)生大量

諧波。

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教案內(nèi)容附記

13.3直流斬波器與開(kāi)關(guān)電源

現(xiàn)在三相交流動(dòng)力電源很多都是通過(guò)電壓、頻率的變換,才供

給設(shè)備應(yīng)用。斬波器可以進(jìn)行升壓、降壓或頻率變換。首先介紹

斬波器原理，再介紹其應(yīng)用。

斬波器的核心原理是：通過(guò)電力電子器件將直流電斬成脈沖,

通過(guò)電感的儲(chǔ)能放能作用完成升壓或降壓。直流斬波器廣泛應(yīng)用

于地鐵車輛、無(wú)軌電車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等直流電動(dòng)機(jī)調(diào)

速系統(tǒng)。

13.3.1降壓型直流斬波器

1.工作原理

斬波器原理示意圖如下圖所示。圖中S為一電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)S閉

合時(shí)，負(fù)載兩端電壓〃o=U；當(dāng)S斷開(kāi)時(shí)，wo=0

斬波器

(a)原理示意圖(b)定頻調(diào)寬式(c)定寬M領(lǐng)式.

通過(guò)控制S開(kāi)關(guān)的通斷頻率或在一個(gè)周期內(nèi)的通斷時(shí)間，即可使負(fù)

載電壓在0?U之間變化。s開(kāi)關(guān)在通斷的一個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載上電壓的

平均值與開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間有關(guān)。設(shè)開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間為/on，則負(fù)載上的

平均電壓為

=鈔=KU

式中，K占空比(導(dǎo)通時(shí)間卻周期之比)。K值越大，輸出電壓越

高；K值越小，輸出電壓越低。改變占空比，可控制輸出電壓的

高低。

斬波器常用的控制方式有兩種：

(1)定頻調(diào)寬式

修波器的頻率不變，只改變導(dǎo)通時(shí)間即脈沖的寬度，見(jiàn)圖b。

(2)定寬調(diào)頻式

脈沖的導(dǎo)通時(shí)間之不變，改變斬波器控制頻率，即改變周期T

見(jiàn)圖Co

2.斬波器電路

下圖為降壓斬波器。圖中VT采用IGBT。當(dāng)給G端加入脈沖信

號(hào)，VT工作在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)。L.C組成低通濾波器，以減少

輸出電壓的波動(dòng)。VD為續(xù)流二極管，當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，為電感L續(xù)

流。其工作原理為：

VT按照給定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)做開(kāi)、關(guān)斬波。當(dāng)UG為+,VT導(dǎo)通，正

的脈沖電壓通過(guò)L、C濾波，凡上得到平滑的直流電。當(dāng)UG為0,VT

關(guān)斷，L通過(guò)VD續(xù)流，將儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量繼續(xù)向負(fù)載釋放，保證了負(fù)

載電流連續(xù)。負(fù)載電壓和VT導(dǎo)通時(shí)間成正比。改變加值，即可改

變輸出電壓.

此圖是降壓斬波器波形圖。圖中U是外加電壓，是斬波后的平均

電壓。Uo脈寬電壓通過(guò)電感濾波，KL上得到一個(gè)連續(xù)的電壓和電流。

電流io如圖，電壓的大小和Uo相同。

圖中i是通過(guò)VT的電流，iD是電感的感應(yīng)電流，由VD續(xù)流。

圖中電感的作用是很大的，如果光有電容，負(fù)載電壓是很不穩(wěn)定的。

13.3.2升壓斬波器

1.工作原理

圖中：L儲(chǔ)能電感；VT隔離二極管；。濾波電容；VT斬波管。

(1)斬波原理

當(dāng)VT導(dǎo)通，a點(diǎn)對(duì)地短路U

,電源電壓全部加在電感上，

電感在電壓U作用下產(chǎn)生充電

電流無(wú)，且無(wú)線性增長(zhǎng)，此時(shí)

電感為儲(chǔ)能階段。同時(shí)VD二

極管因受反向電壓而截止，電

容C向負(fù)載放電，由于電容的0

容量較大，放電過(guò)程中可使〃。tT

保持不變。當(dāng)VT關(guān)斷，a點(diǎn)對(duì)地相

當(dāng)于開(kāi)路，電感L的充

電回路被切斷。；

由于電感中電流不能突變，

力則通過(guò)二極管VD一方面給電

容C充電，另一方面向負(fù)載供：

電。此時(shí)為電感的能量釋放

過(guò)程，a點(diǎn)的電位為U+L自感

電壓。當(dāng)電感中電流下降為0,

VD關(guān)斷。L和VT又叫泵升電

路。

2.升壓斬波電路各物理量

電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期T內(nèi)電感L儲(chǔ)存的能量與釋

放的能量相等。設(shè)品為VT的導(dǎo)通時(shí)間，br為VT的關(guān)斷時(shí)間，

則有：

UiLton=(U()—

整理后得：

UT=

則負(fù)載電壓為：

T

U()=

可見(jiàn)，VT在一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間越短，輸出電壓越高。

13.3.3開(kāi)關(guān)電源

1.工作原理

圖中：T為開(kāi)關(guān)變壓器，電能傳遞器件；VT為開(kāi)關(guān)管，斬波器

件.匕一次繞組：，，2二次繞組"電路工作原理：

VT在脈沖波的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行斬波工作。VT導(dǎo)通，輸入電壓g

加到L到地之間，L是儲(chǔ)能階段。當(dāng)VT關(guān)斷，L儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量釋放,

通過(guò)磁路傳遞，在乙上感應(yīng)出的2電壓，通過(guò)VD整流，C濾波,得到輸

出電壓Uoo

光電耦合器

2.電路穩(wěn)壓

輸出電壓Uo,通過(guò)電阻K降壓取樣，得到取樣電流i,該電流通

過(guò)光隔離器又還原為電流，加到脈寬調(diào)制器的2腳。脈寬調(diào)制器

的6腳輸出的脈沖寬度和電流成反比，i電流大，輸出脈沖變窄，

反之變寬，i等于設(shè)定值，脈沖寬度不變。使電壓穩(wěn)定在設(shè)定值上。

1333斬波器總結(jié)

1.直流電路升壓降壓

在直流電路中，過(guò)去升壓或降壓都是不可能的，因?yàn)樵谌箅?/p>

路器件中，電感、電容是動(dòng)態(tài)器件，可以儲(chǔ)能放能，但是條件是動(dòng)

態(tài)，直流電是靜態(tài)量，所以不能通過(guò)動(dòng)態(tài)器件變換。

自從出現(xiàn)了大功率電子開(kāi)關(guān)器件，可以將一個(gè)靜態(tài)的直流量斬

波為方波動(dòng)態(tài)量，再把這個(gè)動(dòng)態(tài)量加到儲(chǔ)能器件上，通過(guò)儲(chǔ)能器件

的充電和放電，進(jìn)行升壓或降壓。

2.交流電壓的變換

在整流電路中，因?yàn)檎也ㄊ且粋€(gè)逐漸上升又逐漸下降的波形，

而整流出來(lái)的直流電壓是一個(gè)較高的恒定電壓，這就造成正弦波在

最大值的兩邊是沒(méi)有整流電流的。使電網(wǎng)電壓波形畸變，產(chǎn)生大量

諧波。

為了解決整流諧波問(wèn)題，人們采用了整流泵升電路，見(jiàn)下圖。

在整流泵升電路中，每相串聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電感（下圖中L、五、心），

連接到IGBT半橋。假設(shè)“3正弦波在起始端，二極管整流是沒(méi)有電流的。

現(xiàn)在T6開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，3對(duì)負(fù)極產(chǎn)生電流，及充電，充到一定值T6關(guān)

斷，心通過(guò)T5續(xù)流二極管放電，將電能泵升到正母線?，F(xiàn)在斬波器在交

直流變換中應(yīng)用廣泛，因?yàn)楝F(xiàn)在的二相電能都在粗糧細(xì)作，變換后才應(yīng)

用，各種類型的變換器應(yīng)運(yùn)而生。

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課程名稱電工電子技術(shù)基礎(chǔ)班級(jí)

授課章節(jié)13.4課次/周

授課方法講授教具多媒體

教學(xué)內(nèi)容

13.4變頻器的應(yīng)用

知識(shí)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：掌握變頻器的基本工作原理。

能力目標(biāo)：會(huì)進(jìn)行變頻器的初步應(yīng)用。

能力目標(biāo)

重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：變頻器的基本工作原理。

難點(diǎn)：脈寬調(diào)制原理。

復(fù)習(xí)提問(wèn)

1.變頻器是怎樣工作的？？

作業(yè)

2.變頻器工作前為什么要寫參數(shù)？

2學(xué)時(shí)

教學(xué)時(shí)間

總結(jié)

變頻器是一個(gè)智能電器，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。它除了自身具有的變頻

調(diào)速功能之外，還有計(jì)算機(jī)的功能特征。計(jì)算機(jī)的特征就是根據(jù)程序來(lái)工

課后小結(jié)作，所以變頻器也是根據(jù)程序來(lái)工作。

變頻器將自身的變頻調(diào)速等功能細(xì)化為計(jì)算機(jī)的參數(shù)碼（指令），使

用時(shí)根據(jù)需要的功能選參數(shù)（選參數(shù)就是選擇變頻器的功能），將選好的

參數(shù)（指令）寫到變頻器，變頻器就按照選定的參數(shù)來(lái)工作。

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教案內(nèi)容附記

【工程應(yīng)用】

13.4知識(shí)綜合應(yīng)用——變頻器

1.4.1變頻器的結(jié)構(gòu)

1.變頻器外形

圖中所示為變頻器外形圖，其正面裝有鍵盤和顯示面板，用于操

作和功能預(yù)置；背面裝有散熱器，并留有通風(fēng)道，在使用時(shí)豎直安裝,

空氣從通風(fēng)道下端進(jìn)入從上端流出，進(jìn)行散熱。

變頻器正面設(shè)有強(qiáng)電和弱電接口板，強(qiáng)電端子連接交流電源和電動(dòng)

機(jī)；弱電端子連接控制信號(hào)，對(duì)變頻器進(jìn)行控制。

2.變頻器結(jié)構(gòu)框圖

變頻器由以下幾部分組成。

①主電路從RST到UVW之間的電路，處理電能的變換。

②驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)主電路工作。

③保護(hù)電路保護(hù)主電路工作的電路。

④操作面板操作變頻器用。

⑤控制端子控制變頻用器。

⑥指示端子指示變頻器工作狀態(tài)。

vc

IGBT

_+

a

Ri

?上

RC

生

也路

驅(qū)動(dòng)

電流信

號(hào)取值

A

模

保護(hù)

以過(guò)流

DC/DC

保護(hù)

/欠

控過(guò)壓

A/D

限制

電流

電路

年保護(hù)

制電源

轉(zhuǎn)換

保護(hù)

過(guò)載

_L

或

保護(hù)

雙過(guò)熱

指

示A/D

示

式顯

轉(zhuǎn)方

?運(yùn)

轉(zhuǎn)換

單片機(jī)

數(shù)5D.UU

字

控

制

端

2

子