电力电子教案设计1上课讲义.doc

电力电子教案设计1

《电力电子技术》教案

教学内容：第3章 整流电路
3.1.1单相半波可控整流电路
授 课 人：李婧
工作单位：北京交通大学海滨学院
工作部门：机械与电气工程系
专业方向：电气工程及其自动化
授课年级：2012级
学生人数：80人/班，共4个教学班

3 整流电路
3.1 单相可控整流电路
3.1.1 单相半波可控整流电路
【课时】
1课时/45分钟

【教材分析与学情分析】
电力电子技术是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，其中电力变换分为四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。
在电力电子技术这门课程中，绪论是对这门课程的入门介绍，第2章《电力电子器件》作为电力电子技术的基础，第3章《整流电路》是电力电子技术主体内容的第一种变换：交流变直流也就是整流电路。整流电路的理论基础是电路理论，整章内容由浅入深、实用性强。第1节单相可控整流电路主要分为：单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路以及单相桥式半控整流电路，本次课主要讲述第1小节单相半波可控整流电路的内容。
授课对象是大学三年级学生，此阶段学生已经基本适应了大学的生活，由于大一、大二已经学习过先修的专业基础课，故对这门课的基本学习方式有一定的了解课堂纪律较好，学生能够集中精力听课，自我控制力较好，具备一定的逻辑思维能力；大部分同学能够积极与教师进行互动，课堂气氛良好，但有时在课堂上也有个别同学开小差，容易走神或做与课堂教学内容不相关的其他事情，此时要及时提醒，有时也需要课下与其进行单独交流，力图保证全班同学的学习效果。

【教学目标】
1. 掌握整流电路的基本概念，了解整流电路的分类。
2. 掌握单相半波可控整流电路中，电阻负载、阻感负载时，控制角α的移相范围；能够画出输出电压、晶闸管承受的电压以及流过电流的波形，并能结合波形对工作原理进行分析，掌握单相半波可控整流电路基本数量关系的公式推导。

【教学重点、难点】
1.教学重点：单相半波可控整流电路电阻负载、阻感时输出电压波形分析，晶闸管承受电压以及流过电流的分析，以及相应的基本数量关系的公式推导。
2.教学难点：单相半波可控整流电路中，电阻负载、阻感负载时，控制角α的移相范围；晶闸管承受电压以及流过电流的波形分析，以及相应的基本数量关系的公式推导。

【教学方法】
讲授法、谈话法、演示法、讨论法

【教具及课前准备】
多媒体设备、PPT课件、激光笔、扩音器设备、教案资料、教学大纲、教学日历

【教学过程】
教学内容时间
教师组织和引导
学生
活动
设计
意图
导入（5分钟）
【讲述】整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。
整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。
本章主要研究的是晶闸管组成的相控整流电路。
【提问】回顾晶闸管开通和关断的条件？
【思考】整流电路的特点和晶闸管的特性
提问导入启发学生回顾之前学过的知识
讲授新课（总述本节框架）（2分钟）
本节单相可控整流电路的分类，和本次课主要研究的内容，单相半波可控整流电路是整流电路中最基本的拓扑结构，我们分别对电阻负载、阻感负载时的波形进行分析，电力电子电路的基本分析方法，以及带有续流二极管的单相半波电路的分析思路。

通过总体框架的介绍，让学生从整体上了解本节知识的结构

讲授新课（分述知识点）（35分钟）
【讲述】
一、带电阻负载的工作情况

图3-1 单相半波可控整流电路及波形
变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。
电阻负载特点是电压与电流成正比，两者波形相同。
在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。
改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变，但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。
基本数量关系
a：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称为触发延迟角，也称触发角或控制角。
q：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。
直流输出电压平均值：
（3-1） 随着a增大，Ud减小，该电路中VT的a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。

二、带阻感负载的工作情况
阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。
电路分析
晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。在wt1时刻，即触发角a处，ud=u2。L的存在使id不能突变，id从0开始增加。u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。wt2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。

图3-2 带阻感负载的单相半波电路及其波形
电力电子电路的一种基本分析方法
把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。

图3-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路
a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态
以前述单相半波电路为例：
当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通时，相当于VT短路。两种情况的等效电路如上图所示。
VT处于通态时，如下方程成立：
（3-2）
在VT导通时刻，有wt=a，id=0，这是式（3-2）的初始条件。求解式（3-2）并将初始条件代入可得：
（3-3）
其中，。
当ωt=θ+a 时，id=0，代入式（3-3）并整理得：
（3-4）
若j为定值，a角大，q越小。若a为定值，j越大，q越大 ，且平均值Ud越接近零。为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR表示。
三、有续流二极管的电路
电路分析

图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形
u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，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。若L足够大，id连续，且id波形接近一条水平线 。
基本数量关系
流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为：
（3-5）
（3-6）
续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR分别为：
（3-7）
（3-8）
其移相范围为180°，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即。续流二极管承受的电压为-ud，其最大反向电压为，亦为u2的峰值。
单相半波可控整流电路的特点是简单，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。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。

【思考并提问】触发角α的概念，阻性负载α的移相范围？

【课堂
互动】

【课堂
互动】

【提问并回答】如果电感非常大的话，α为固定值，输出电压平均值怎么变化？

【提问】单相半波带阻感负载有续流二极管的电路晶闸管关断时承受的正压和反压？

通过提问问题使学生思考并集中注意力，增加知识的领会

通过让学生自己推到输出电压的公式，培养学生的动手能力。

让学生自己画出带阻感负载的单相半波电路及其波形，提高学生参与课堂教学的积极性和主动性，提高教学质量。

通过提问问题使学生思考，提高逻辑思维能力

通过提问问题使学生思考，增强学生对知识的领会力。

总结
并布置作业和预习内容（3分钟）
【归纳总结】这一节课，我们主要学习了三个基本内容。 单相半波可控整流电路是整流电路中最基本的拓扑结构，我们分别对电阻负载、阻感负载时的波形进行分析以及带有续流二极管的单相半波电路的分析思路。
归纳出单相半波可控整流电路的特点。
【预习】单相单相桥式全控电路的知识，与单相半波可控整流电路进行比较。

通过总结及思考练习，巩固本节课内容，并为下节课内容做好铺垫。