《变频器技术及应用》电子教案单元设计 电力电子器件的认知与测试单元设计12.docx
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《变频器技术及应用》电子教案单元设计电力电子器件的认知与测试单元设计12
课程单元教学设计
(2016~2017学年第2学期)
单元名称
:
任务1-2电力电子器件的认知与测试
院系部
:
电气工程系
制定人
:
周奎
合作人
:
王玲
制定时间
:
淮安信息职业技术学院
教务处制
《变频器系统运行与维护》课程单元教学设计
单元标题:
电力电子器件的认知与测试
单元教学学时
课次在整体设计中的位置
第×次
班级
地点
周次
星期
节次
教学
目标
能力目标
知识目标
素质目标
1.能够认识电力电子器件的外形;
2.能够根据电力电子器件的特点分析整流、逆变电路的工作过程;
3.能够正确的测试晶闸管的引脚及进行好坏判断。
1.掌握电力电子器件的特征;
2.理解晶闸管的导通和关断条件;
3.掌握电力电子器件的分类及各元器件的结构、符号及导通关断条件。
1.能够自主学习变频器技术新知识
2.能够根据要求认真思考、分析、进而找到解决问题的方法。
难点
电力电子器件特性
重点
晶闸管的结构、工作特点、测试
能力训练任务
1.电力电子器件特征及分类
2.晶闸管整流电路分析
3.晶闸管测试
4全控性器件应用
案例和
教学
材料
案例1.晶闸管导通试验电路
资料:
教材、任务单、课件
仪器、设备:
变频器MM440、电力电子元器件、万用表
单元教学进度设计
步骤
教学内容及能力、知识目标
教师活动
学生活动
时间
1
(电力电子器件特征及分类)
电力电子器件的特征
电力电子器件按控制程度的分类
电力电子器件实物及其实物图展示
认知电力电子器件
理解开关特性
20分钟
列表对比各电力电子器件
电力电子器件名称、电气符号、文字符号、特性连连看看
2
(晶闸管整流电路分析)
晶闸管可控整流电路
单向半波可控整流电路
波形分析及输出大小分析
15分钟
单相桥式相控整流电路
波形分析及输出大小分析
3(晶闸管测试)
晶闸管的引脚判断和好坏判读
介绍引脚判断的方法
进行引脚测试
25分钟
介绍好坏判断的方法
进行好坏测试
4(全控性器件应用)
逆变电路的原理
逆变电路的结构与工作过程分析
逆变电路结构讲解工作原理分析
学习电路工作过程分析
15分钟
5(测试)
测试
15分钟
作业
任务单
考核内容方法
测试单
课后
体会
详案:
一、能力/知识目标
能力要求:
1.能够认识电力电子器件的外形;
2.能够根据电力电子器件的特点分析整流、逆变电路的工作过程;
3.能够正确的测试晶闸管的引脚及进行好坏判断。
知识要求:
1.掌握电力电子器件的特征;
2.理解晶闸管的导通和关断条件;
3.掌握电力电子器件的分类及各元器件的结构、符号及导通关断条件。
二、教学内容
1.电力电子器件特征及分类
1、电力电子器件的概念和特征
展示电力电子器件的实物图片,观察电力电子器件的外形及引脚。
问题一:
这些电力电子器件中,你们认识哪些电子器件?
有什么样的工作特性呢?
(1)电力电子器件的作用
电力电子器件就是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。
(2)电力电子器件的特征
在对电能的变换和控制过程中,电力电子器件可以抽象成图1所示的理想开关模型,它有三个电极,其中A和B代表开关的两个主电极,K是控制开关通断的控制极。
它只工作在“通态”和“断态”两种情况,在通态时其电阻为零,断态时其电阻无穷大。
图1电力电子器件的理想开关模型
同处理信息的电子器件相比,电力电子器件的一般特征:
1)承受电压和电流的能力强,是最重要的参数,大多数都远大于处理信息的电子器件。
2)电力电子器件一般都工作在开关状态
3)电力电子器件在实际使用中,往往需要由信息电子电路来控制。
4)为保证电力电子器件在工作中不至于因功率损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏,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。
(3)电力电子器件的分类
电力电子器件种类繁多,发展迅速,技术内涵相当丰富,电力电子器件是组成变频器的关键器件,表1-1列出了当代应用的电力电子器件的类型。
表1-1电力电子器件的类型
类型
器件名称
代号
不可控器件
电力二极管(PowerDiode)
PD
半控型器件
晶闸管(Thyristor)或可控硅(SiliconControlledRectifier)
T或SCR
全控
器件
电流控制
器件
双极型晶体管(BipolarTansistor)、电力晶体管(GrantTansistor)
BJT、GTR
门极可关断晶体管(GateTurn-offThyristor)
GTO晶体管
电压控制器件
电力场效应晶体管(PowerMOSField-EffectTransistor)
P-MOSFET
绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarThyristor)
IGBT
集成门换流晶体管(InsulatedGateCommutatedThyristor)
IGCT
MOS控制晶体管(MOS-ControlledTransistor)
MCT
静电感应晶体管(StaticInductionTransistor)
SIT
静电感应晶闸管(StaticInductionThyristor)
SITH
电力电子模块
智能功率模块(IntelligentPowerModule)
IPM
(4)典型电力电子器件结构、符号、导通关断条件
学习相关知识,完成任务单对应表格。
表2.1电力电子器件对比表
名称
可控性
文字符号
图形符号
导通关断
条件
耐压
程度
工作频率
电力
二极管
晶闸管
电力场效应管
绝缘栅电力场效应管
1)二极管
①结构:
图电力二极管的外形、结构和电气图形符号
(a)外形(b)电气图形符号
②特性
单向导电性
表二极管的工作状态和参数一览表
参数状态
正向导通
反向截止
反向击穿
电流
正向大
几乎为零
反向大
电压
维持1V
反向大
反向大
阻态
低阻态(接近0)
高阻态(近似∞)
导通
2)晶闸管
①结构:
图晶闸管的外形、结构和电气图形符号
(a)外形(b)结构(c)电气图形符号
②特性
可控的单向导电性
图晶闸管导通试验电路图
导通条件:
①晶闸管阳极和阴极间加正向电压。
②晶闸管门极和阴极间也加正向电压形成触发电流。
晶闸管一旦导通后,控制极便失去作用,即使触发信号消失,晶闸管仍可维持导通状态。
关断条件:
①阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下(维持电流IH是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流)。
②将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极之间施加反向电压。
(3)电力场效应管(PowerMOSFET)
①结构:
电力MOSFET有漏极D、源极S和栅极G三个极。
②导通关断条件
导通条件:
栅源极间加正向电压UGS,并且使UGS大于UT(开启电压阀值电压)
关断条件:
漏源极间加正电源,栅源极间电压为零时,电力MOSFET处于截止状态。
(4)绝缘栅双极晶体管(IGBT)
①结构
IGBT是三端器件,具有栅极G、集电极C和发射极E。
②导通条件:
uGE大于开启电压UGE(th)
关断条件:
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、晶闸管整流电路分析
(1)单相半波可控整流电路
1)电路结构
2)电路分析
问题1:
由晶闸管可控单相导电性角度出发,请说明该电路中,晶闸管在一个周期中那个时间段是导通的?
晶闸管是一种可控的单向导电器件,根据它的导通条件,晶闸管VT只有在电源的正半周承受正向电压,同时当t=时VT门极给予触发信号ug,同时具备这两个条件VT导通。
问题2:
导通以后,输出电压ud波形分析?
晶闸管导通以后,认为通态压降近似为零,因此电源电压u2全部加在Rd上,输出电压ud=u2。
在u2的负半周,VT承受反压,一直处于反向阻断状态,u2全部加在VT两端,输出电压ud=0。
问题3,晶闸管什么时候关断?
在u2的负半周,VT承受反压,一直处于反向阻断状态,u2全部加在VT两端,输出电压ud=0。
3)控制角、导通角θ
定义:
在单相相控整流电路中,定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)。
晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角,用θ表示。
若控制角为,则晶闸管的导通角为:
θ=π-。
思考:
单相半波可控整流电路中,控制角的移相范围?
观察输出电压波形,说明对应的输出电压大小范围?
4)相控方式
(1-9)
从上述公式中表明,只要改变控制角(即改变触发时刻),就可以改变整流输出电压的平均值,达到相控整流的目的。
这种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。
(2)单相桥式相控整流电路
1)
电路结构特点
四个晶闸管构成,两组:
共阴极和共阳极。
2)输出电压波形分析
①说明:
四个晶闸管的通断方式。
当交流电源电压u2进入正半周时,两个晶闸管VT1、VT4导通
当交流电源电压u2进入负半周时,两个晶闸管VT2、VT3导通
②输出电压波形分析
③输出电压大小分析
(1-10)
由上式可知,Ud为最小值时=1800,,Ud为最大值时=00,所以单相桥式整流电路带电阻性负载时,的移相范围为00~1800。
3、晶闸管测试
(1)分发元件及工具
(2)晶闸管引脚判断方法
①确定阳极A
由晶闸管的内部示意图,晶闸管的三个A、K、G引脚之间只有rGK有一定阻值,其他均是无穷大,这样通过万用表的欧姆档,两两引脚测试,测到有阻值的两个引脚为门极(G)和阴极(K),剩下的一个引脚即为阳极(A)。
②确定门极(G)和阴极(K)
用万用表的电阻档测试,测试的结果有两种可能,要不是电阻值无穷大,要不是有很小的电阻值,当显示有电阻值的时候,黑表笔接的是门极(G),红表笔接的是阴极(K)。
(3)晶闸管好坏判断
对于晶闸管的三个电极,可以用万用表粗测其好坏。
依据PN结单向导电原理,用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值,可初步判断管子是否完好。
①用万用表R×1kΩ挡测量阳极A和阴极K之间的正、反向电阻都很大,在几百千欧以上,且正、反向电阻相差很小;
②用R×10或R×100挡测量控制极G和阴极K之间的阻值,其正向电阻应小于或接近于反向电阻,这样的晶闸管是好的。
③如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路,阴极与控制极间为短路或断路,则晶闸管是坏的。
4、全控性器件应用
逆变电路的功能是将直流电转换为交流电的电路,首先以单相桥式逆变电路为例(如图1-41所示)说明最基本的工作原理。
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。
图1-41逆变电路及其波形举例
当开关S1、S4闭合,S2、S3断开时,负载电压uo为正;当开关S1、S4断开,S2、S3闭合时,uo为负,这样就把直流电变成了交流电。
改变两组开关的切换频率,即可改变输出交流电的频率。
当负载为电阻负载时,负载电流io和uo的波形相同,相位也相同。
当负载为阻感负载时,io相位滞后于uo,波形也不同。
①单相半桥电压型逆变电路
图1-42单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
(a)原理图(b)工作波形图
单相半桥电压型逆变电路的电路结构以及它的工作过程如图1-42所示:
直流电压Ud加在2个串联的容量足够大的相同电容的两端,并使得2个电容的连接点为直流电源的中点,即每个电容上的电压为Ud/2。
由2个导电臂交替工作使负载得到交变电压和电流,每个导电臂由1个电力晶体管与1个反并联二极管所组成。
电路工作时,2个电力晶体管V1、V2基极加交替正偏和反偏的信号,两者互补导通与截止。
若电路负载为感性,其工作波形如图1-42(b)所示,输出电压为矩形波,幅值为Um=Ud/2。
负载电流io波形与负载阻抗角有关。
V1或VD2通时,io和uo同方向,直流侧向负载提供能量。
VD1或V2通时,io和uo反向,电感中贮能向直流侧反馈。
其中VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续,又称续流二极管。
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- 变频器技术及应用 变频器技术及应用电子教案 单元设计 电力电子器件的认知与测试单元设计12 变频器 技术 应用 电子 教案 单元 设计 电力 电子器件 认知 测试 12