《新能源汽车电力电子技术》教案第14课了解电力电子电路的保护措施.docx

课题了解电力电子电路的保护措施课时2课时(90min)教学目标知识目标：了解电力电子电路的保护措施。技能目标：能正确测试保护电路。素质目标：(1)树立民族自尊1、自豪感和文化自信.(2)养成专注细致的工匠精神，树立职业理想。教学重难点教学重点：过电压产生的原因和保护措施，过电流产生的原因和保护措施，缓冲电路的分类和工作原理教学难点：过电压的保护措施，过电流的保护措施，缓冲电路的工作原理教学方法讲授法、问答法、讨论法、实践教学法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因任务导入【教师】展示“熔断器在新能源汽车中的应用”图片(详见教材)，讲述“任务导入”的相关内容电路保护器件是指安装在电路中，当电路出现过电流、过电压或过热等情形时，自动引发相关功能部位的熔断、电阻突变或其他物理变化，切断电路或抑制电流、电压的突变，从而起到保护电路和用电设备作用的一类器件。常见的电路保护器件有熔断器、断路器、避雷器、压敏电阻等.其中，熔断器是对电路进行过电流保护的器件，可提供最有效的短路保护，被广泛应用于新能源汽车、风光储能等领域。新能源:气车的车辆状态具有不确定性，如快速充电、急加速、急减速等突发状况会导致电流频繁波动，这对熔断器的耐受能力、复杂工况适应能力提出了更高的要求。随着新能源汽车的快速发展，熔断器市场快速扩容，并逐步出现了国产替代进口的趋势。【学生】聆听、理解、记忆【教师】提出问题，随机邀请学生回答了解了熔断器在新能源汽车上的应用，你能列举一些熔断器在日常生活中的应用吗？【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】总结学生回答，讲解新知6.1.1过电压保护【教师】提出问题，随机邀请学生回答什么是过电压？为什么会过电压？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，扫码播放“变频器过电压的危害”微课视频(详见教材)，讲解新知1.产生过电压的原因过电压是指电力系统在特定条件下出现的超过工作电压的电压异常升高现象，具体表现在电力电子电路中，是指电力电子器件的最大峰值电压超过其正常工作电压的现象。过电压会造成电力电子器件的损坏，从而使电力系统产生严重故障。在电力电子电路中，根据产生原因的不同，过电压可分为外因过电压和内因过电压两类。1 ）外因过电压【教师】扫码播放“雷击过电压的种类“微课视频（详见教材），讲解新知外因过电压包括雷击过电压、操作过电压等，主要由雷击、操作不当等外因所致。（1）雷击过电压，即由雷云直接对地面建筑物与电气设备放电或雷电感应而引起的过电压。其特点是持续时间短暂，但）中击性强。雷击过电压会造成电力线路或电气设备绝缘击穿，使供电中断，甚至可能引起火灾。（2）操作过电压，即电路中的电感性器件（如变压器、电机、线圈等）在被突然接通或切断时产生的过电压。其特点是具有随机性，且在严重情况下过电压倍数较高。【教师】提出问题，随机邀请学生回答野外遇到雷雨天气，在汽车中躲避雷雨的做法是否妥当？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述"点拨”的相关内容电路在遭雷击和在接通、断开大电感负载时常常会产生很大的操作过电压，这种瞬时过电压称为浪涌电压,是一种瞬变干扰。【学生】聆听、思考、理解、记忆2）内因过电压内因过电压包括换相过电压、关断过电压等，主要产生于电力电子装置内部器件的开关过程中。（1）换相过电压,即晶闸管或与全控型器件反向并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，由电感在器件两端感应出的过电压。（2）关断过电压，即当全控型器件关断时，正向电流迅速减小，由电感在器件两端感应出的过电压。2 .过电压保护措施【教师】展示“某整流电路的过电压保护措施”图片（详见教材）,讲解新知阻容保护电路为常见的外因过电压抑制措施。当电路中出现尖峰电压时，阻容保护电路中并联的电容可以有效抑制电路中的过电压；而与电容串联的电阻能够消耗部分过电压，同时避免电路中的电感与电容产生振荡。阻容保护电路可以接在供电变压器的两侧（连接电网的一侧称为网侧，连接电力电子电路的一侧称为阀侧）或者电力电子电路的直流侧。【教师】讲述“点拨”的相关内容对于变比较大的变压器来说，在一次、二次绕组间存在分布电容，高电压可能通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过电压。对此可将变压器附加屏蔽层接地，或使变压器采用星形连接且中性点通过电容接地，以减小瞬时过电压。【学生】聆听、思考、理解、记忆3 .1.2过电流保护1.产生过电流的原因过电流是指在电气系统中，电气设备的实际电流超过其额定电流，或线路的实际电流超过其安全载流量的现象。具体表现在电力电子电路中，过电流是指电力电子器件误开通或击穿、可逆传动系统中产生环流、逆变失败、机械过载及机械故障引起的电机堵转等，导致电流超过正常工作电流的情况。长时间的过电流运行将导致电气设备迅速损坏，甚至引发严重的安全事故。因此，必须对电气设备和供电线路采取相应的过流保护措施。【教师】提出问题，随机邀请学生回答过电压的电路是不是必然过电流？反之，过电流的电路是不是也必然过电压？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答产生过电流的原因主要如下。(1)电路中出现负载过大、交流电源电压过高或过低、缺相运行等现象。(2)电力电子器件击穿或短路、线路绝缘层老化失效、可逆传动系统产生环流、逆变失败。(3)控制电路、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入，使电力电子电路产生误动作。(4)配线、接线错误等人为因素。2.过电流保护措施【教师】展示“某整流电路的过电流保护措施”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答过电流的保护措施与过电压的有哪些区别？过电流保护中使用较多的元件是什么？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知(1)电力电子器件保护。这是一种反应较快的保护措施，主要利用过电流保护电子电路对重要的且易发生短路的晶闸管设备、全控型器件等进行保护。(2)交流进线电抗保护。在电路的交流进线端串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，利用电感限制短路电流。但在有负载时电路会产生较大的电压降。(3)电流检测装置保护。电流检测装置可利用过电流信号控制触发电路，使触发脉冲后移或使晶闸管关断，降低输出电压，从而抑制过电流。但该方法只能保护直流侧或负载。由于停发脉冲会造成逆变失败，因此可逆系统多采用触发脉冲快速后移的方法。(4)过电流继电器保护。在交流侧或直流侧接入过电流继电器，当电路中出现过电流时，通过过电流继电器断开输入端的自动开关，从而达到切断电源的目的。这种方法的优点是经过复位后，电路可恢复正常工作。但由于过电流继电器和自动开关的动作时间为几百毫秒，因此当电流较大时过电流继电器并不能有效地保护电力电子器件。(5)快速熔断器保护。快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。电力电子装置中多采用过电流信号控制触发脉冲的方法抑制过电流，而配合快速熔断器使用，可构成过电流保护的最后一道屏障。快速熔断器可用于主电路电桥、交流侧和直流侧电路中，常见的接法有3种。【教师】展示“快速熔断器在电路中的接法”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答这三种连接方式有哪些不同点？有哪些相同点？【学生】聆听、现察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知快速熔断器对电力电子器件的保护方式有全保护和短路保护两种。其中，全保护是对发生过载、短路的整个电路进行保护，适用于小功率装置或器件的电流裕度较大的场合；短路保护是仅对发生短路的部分电路或器件进行保护，只在短路电流较大的区域起保护作用。(6)直流快速开关保护。对于大、中容量的变换器，快速熔断器的价格高且更换不方便。为避免过电流时烧断快速熔断器，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关。在直流侧发生过电流时，直流快速开关可先于快速熔断器动作，从而达到保护电力电子器件的目的.从保护角度看，直流快速开关的动作时间和整定电流应与电抗器的电感相匹配。【教师】提出问翘，随机邀请学生回答对比六种保护措施的方法、优缺点和适用场合。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答6.13缓冲电路保护缓冲电路是为避免电力电子器件上通过过大的电流、出现过高的电压，或为错开同时出现的电压、电流的峰值区，而设置的一种保护电路，又称吸收电路。通过将开关损耗由电力电子器件本身转移至缓冲电路，可以减小电力电子器件在开关过程中产生的过电压、过电流、过热、dudt（电压上升率）和didt（电流上升率），从而确保电力电子器件安全、可靠运行。1 .缓冲电路的分类（1）根据缓冲电端乍用时刻的不同，可将其分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。其中，关断缓冲电路又称dud（抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制dud（,减小器件的关断损耗；开通缓冲电路又称didt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和diZdt,减小器件的开通损耗。【教师】讲述“点拨”的相关内容将关断缓冲电路与开通缓冲电路结合在一起的缓冲电路称为复合缓冲电路。【学生】聆听、思考、理解、记忆（2）根据组成缓冲电路器件类型的不同，可将其分为无源缓冲电路和有源缓冲电路。其中，无源缓冲电路由无源器件构成。无源缓冲电路不需要控制和驱动电路，因此电路结构简单，在工程设计中得到了广泛应用。而有源缓冲电路不仅包含无源和有源器件，还包括一些控制电路和全控型器件的驱动电路，因此电路结构复杂。（3）根据缓冲电路能量去向的不同，可将其分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路。在耗能式缓冲电路中，储能器件的能量消耗在其吸收电阻上，电路结构简单，但是效率较低，适用于工作频率不高的场合；馈能式缓冲电路也称无损吸收电路，它将储能器件的能量回馈给负载或电源，其效率更高，但结构更加复杂。【教师】提出问题，随机邀请学生回答"馈能式缓冲电路能将储能器件的能量回馈给负载或电源，其电路结构复杂但效率高"的说法是否正确？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答2 .缓冲电路的工作原理【教师】展示“半控型器件（晶闸管）的缓冲电路”图片（详见教材），以半控型器件（晶闸管）的缓冲电路为例，讲解缓冲电路的工作原理缓冲电路的功能有抑制和吸收两个方面，在半控型器件（晶闸管）的缓冲电路中，当VT开通时，缓冲电路利用电感上电流不能突变的特性抑制半控型器件的di/dt,从而减小开通损耗；当VT关断时，缓冲电路利用电容两端电压不能突变的特性抑制半控型器件的du/dt,从而减小关断损耗。【教师】讲述“点拨”的相关内容晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压的问题，关断时也不会产生很大的du/dtf因此一般只采用由电阻、电容组成的RC缓冲电路。【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】展示“GTR的缓冲电路及其工作波形”图片（详见教材）,提出问题，随机邀请学生回答仔细观察GTR缓冲电路的结构，找出开通缓冲电路和关断缓冲电路的区别。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，以GTR的缓冲电路为例，进一步讲解缓冲电路的工作原理t时刻，GTR开通，ic迅速上升，在无开通缓冲电路时di/dt很大。当有开通缓冲电路时，Cs通过RS向GTR放电，使ic先上升一个台阶，之后在Li的作用下di/dt上升速度减缓。在t2时刻，GTR关断，在无关断缓冲电路时dudl很大。当有关断缓冲电路时，电路通过VDS向CS充电，减轻了GTR的负担，抑制了du/dt和过电压。【教师】讲述“点拨”的相关内容由于在电力电子器件关断时电路中的电感需要释放能量，因此电路中会出现一定的过电压。【学生】聆听、思考、理解、记忆【学生】聆听、思考、理解、记忆知识准备【教师】讲解新知随着科技的不断发展，电脑设备和通信设备越来越精密，其对工作环境的要求也越来越高。当有因雷电等产生的瞬间过电压或过电流,通过电源、无线电信号收发设备等线路侵入室内电气设备和网络设备时，会造成设备或电力电子器件的损坏，使传输或储存的数据受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪，数据终端、局域网乃至广域网遭到破坏。在电力电子电路中，起核心作用的是电路中的电力电子器件。因此，对电力电子电路的保护就是对电力电子器件的保护。为了让电力电子器件能长时间安全可靠地工作，除了要根据实际情况选择合适参数的器件外，还必须设置一定的保护电路。常见的保护电路有过电压保护电路、过电流保护电路和缓冲电路等，它们可实现过电压保护、过电流保护、缓冲等功能。【教师】提出问题，随机邀请学生回答能保护电力电子电路的元件有哪些？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任务：测试保护电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进行任务分工，准备任务实施所需的工具和器材，井补全表6-2(详见教材)【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试保护电路”实训任务【教师】展示“IGBT驱动保护测试电路”图片(详见教材)，指导学生选取相应的器材，按照图片连接电路【学生】选取相应的器材，对照图片连接电路(1)断开主电路，把PWM发生器的频率选择开关拨至“高频挡"，并使用示波器在输出端观察输出波形，调节频率按钮，使PWM发生器输出波形的频率保持在8kHz-10kHz。(2)检查IGBT驱动保护电路的工作情况。在未接通主电路的情况下，接通IGBT驱动保护电路的电源并按图示将电路输入端与PWM发生器的输出端相连接，然后使用示波器在电路的输出端观察IGBT驱动保护电路的输出电压波形，调节PWM发生器输出波形的频率及占空比，观测PWM发生器输出波形的变化规律。(3)将电位器调至最大阻值处，然后闭合主电路电源开关，再调节占空比，用示波器观测、记录不同占空比时IGBT门极驱动电压、IGBT集电极-发射极电压及电路输出电压的波形。(4)测量不同占空比时的电路输出电压，并记录在表6-3中(详见教材)。(5)请绘制出当占空比为40%时IGBT门极驱动电压、IGBT集电极-发射极电压及电路输出电压的波形.【学生】分组、分工协作完成实训任务，各组展示任务完成情况，组长配合教师填写考核评价表(详见教材)【教师】巡回指导，根据学生的实际表现进行评价，填写考核评价表(详见教材)课堂小结【教师】简要总结本节课的要点一、过电压保护1 .产生过电压的原因2 .过电压保护措施二、过电流保护1 .产生过电流的原因2 .过电流保护措施三、缓冲电路保护1 .缓冲电路的分类2 .缓冲电路的工作原理【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业1 .完成课后综合测试的相关内容02 .登录APP或其他学习平台杳看相海l三辘。【学生】完成课后任务教学反思