《新能源汽车电力电子技术》教案第13课测试变频电路.docx

课题测试变频电路课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)掌握交-交变频电路的工作原理。(2)了解交-直-交变频电路的分类及特点。技能目标：能正确测试变频电路。素质目标：(1)培养群体意识和合作精神。(2)树立民族自尊心、自豪感和文化自信。(3)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：交-交变频电路的工作原理，交-直-交变频电路的分类及特点教学难点：交-交变频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“变频器”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答是否听说过变频器？谈谈你对变频器的了解。【学生】聆听、观看、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述“任务导入”的相关内容变频器是利用电力电子器件的通断作用，将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电的变换装置，主要由整流模块、滤波模块、逆变模块、微处理器等组成。在新能源汽车上，变频器能够实现异步电机的软启动、变频调速,并能提高异步电机的运转精度，改变电路的功率因数，同时还具有过电流、过电压、过载保护等功能。变频器性能的好坏直接关系到驱动电机能否可靠、高效地运行，从而影响整车的动力性能和驾乘体验。【学生】聆听、理解、记忆传授新知【教师】扫码播放“斩控式交流调压电路”微课视频(详见教材)，讲解新知5.2.1交-交变频电路交-交变频电路是变频电路发展之初最常使用的变频电路，它无中间直流环节，损耗小，效率高；有利于大功率场合的应用；可以实现能量反馈，使电机实现四象限工作；在低频时输出波形接近正弦波，谐波含量小,负载转矩脉动低，多应用于大功率、低速交流传动领域。但交-交变频电路的接线复杂,成本较高,控制复杂；最高输出频率受到电网频率和变流电路脉波数的限制，；并且它采用相位控制方式，当输出电压较低时，功率因数较低。这些缺点大大限制了交-交变频器的使用范围。根据电路输出相数的不同，交-交变频电路可分为单相输出和三相输出两种电路。前者简称为单相交-交变频电路，后者简称为三相交-交变频电路。单相交-交变频电路是交-交变频电路的基础，但在实际使用中主要采用三相交-交变频电路。1.单相交-交变频电路1）电路的结构【教师】展示“单相交-交变频电路”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答单相交-交变频电路与单相交流调压电路在电路组成上有哪些区别？【学生】聆听、观看、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知单相交-交变频电路由P、N两组反向并联的晶闸管变流电路构成。其中，P、N表示相控整流电路（以下简称P组、N组）。根据输出电压波形的不同，单相交-交变频电路可分为方波型和正弦波型两种。虽然方波型电路控制简单，但其输出波形低次谐波大，用于电机调速传动时会增大电机损耗，解氐电机的效率，因此多采用正弦波型电路。当P组工作在整流状态时，N组开路，u°的极性为上正下负；反之，当N组工作在整流状态时，P组开路，UO的极性为上负下正。如果P、N两组按照一定频率交替工作，则电路可以输出同频率的交流电。因此，通过改变P、N两组的切换频率，就可以改变电路的输出频率；而改变电路工作时的控制角，就可以改变电路输出交流电压的幅值，故电路输出电压的大小取决于晶闸管控制角的取值。【教师】展示“单相交-交变频电路输出电压的波形”图片（详见教材），讲解新知为了使U0的波形接近正弦波，需要按照正弦规律对进行调节.例如，当P组工作时，令a从90。逐渐减小到O0或某个值，然后再逐渐增大至90°,则可使P组输出电压按正弦规律从零增至最大、再减小至零，形成类似于正弦波的电压波形。【教师】提出问题，随机邀请学生回答交-交变频电路的输出电压是正弦波吗?【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲述"点拨”的相关内容通过观察可以发现，电路输出电压的波形是由若干段电源电压的波形拼接而成。在一个输出周期中包含的电源电压片段越多，则波形越接近正弦波。【学生】聆听、思考、理解、记忆2）电路的工作原理【教师】展示“理想化单相交-交变频电路及其工作波形”图片（详见教材），以带阻感性负载的单相交-交变频电路为例进行新知讲解当带阻感性负载的单相交-交变频电路采取无环雌制，即P组、N组交替工作时，若忽略输出电压、电流中的高次造波，则单相交-交变频电路可等效为由正弦波交流电源和二极管串联的理想形式。【教师】讲述"点拨”的相关内容在交-交变频电路中,如果正反两组变流电路同时开通，电流将经过晶闸管形成环流，从而造成电源短路。为了避免这一情况，可在两组之间接入限制环流的电抗器，或合理安排触发电路，即当一组有触发脉冲时，另一组没有触发脉冲，这就是无环流控制。【学生】聆听、思考、理解、记忆在U13时间段,P组工作，N组开路，io>0。其中，在t1-t2时间段，P组的i。和Uo均为正值，故P组向外输出功率，处于整流状态；在t2t3时间段，P组的io为正值，Uo为负值，故P组反馈功率，处于逆变状态。【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考tlt3时间段，分析t3t5时间段电路的状态。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知在13（5时间段，N组工作，P组开路，i0<0。其中，在13L时间段，N组的i。和Uo均为负值，故N组向夕隔出功率，处于整流状态；在t4t5时间段，N组的io为负值，Uo为正值，故N组反馈功率，处于逆变状态。通过上述分析，可得到以下结论。（1）在电路中，由io的方向决定哪一组变流电路工作，而与UC的极性无关。（2）每组晶闸管变流电路的工作状态由i。和U。的极性共同决定，若二者极性相同，则工作在整流状态，反之，则工作在逆变状态。（3）通过不断调整电路中两组晶闸管变流电路的,可使Uo的波形近似为正弦波；通过让电路中两组晶闸管变流电路按规定频率交替工作，可使i,、达到要求的频率。【教师】讲述“知识链接一输出正弦波电压的调制方法”的相关内容要实现交-交变频电路输出电压波形正弦化，必须不断改变晶闸管的控制角，在诸多方法中应用最广泛的是余弦交点法。该方法的基本思路是使交-交变频电路输出电压的瞬时值最接近理论正弦电压的瞬时值，然后比较给定波形和电源同频率的余弦波，两者的交点就是交-交变频电路的触发时刻，即控制角的初始值。【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】展示“单相交-交变频电路输出电压和输出电流的波形”图片（详见教材），讲解新知单相交-交变频电路在一个周期内的工作情况主要可分为六个区间。在1区间，Uo>OlIo<O,此时电路中的N组处在逆变状态；2区间为无环流死区，此时电流过零，该时间段为电流在P组和N组之间互相切换的时间；在3区间，u°>0,i°>0,此时电路中的P组处在整流状态；在4区间，uo<0,i0>0,此时电路中的P组处在逆变状态；5区间为无环流死区；在6区间，u0<O,io<0,此时电路中的N组处在整流状态。【教师】提出问题，随机邀请学生回答总结单相交-交变频电路一个周期内六个区间的特点。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答2.三相交-交变频电路三相交-交变频电路由三相输出电压的相位互差120。的单相交-交变频电路按一定方式连接组成，主要应用于低速、大功率交流电机调速系统。三相交-交变频电路的连接方式分为公共交流母线进线方式和输出星形连接方式两种。1）公共交流母线进线方式【教师】展示“采用公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路”图片（详见教材），讲解新知采用公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路主要应用于中等容量的交流调速系统，电路中三组单相交-交变频电路的电源进线通过进线电抗器接在公共交流母线上。由于电源进线端为公用，因此三组单相交-交变频电路的输出端必须隔离，即负载的三相绕组是不连接的。2）输出星形连接方式【教师】展示“采用输出星形连接方式的三相交-交变频电路”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答采用输出星形连接方式的三相交-交变频电路与采用公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路有哪些不同点？有哪些相同点？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知采用输出星形连接方式的三相交-交变频电路中三组单相交-交变频电路的输出端采用星形连接，主要应用于较大容量的交流调速系统。由于三组单相交-交变频电路的输出端连接在一起，因此电源进线端必须隔离，即分别用三台三相变压器供电。【教师】讲述“点拨”的相关内容由于电路输出端中性点不和负载中性点连接，因此在构成三相交-交变频电路的六组桥式电路中，至少要有两相输出电路的四个晶闸萱同时开通才能构成电流回路。在新能源汽车中，三相交-交变频电路多应用于电机控制器上，电路的负载为驱动电机。在一个工作周期内，若u。和i。的相位差小于90°,则电机控制器向驱动电机提供的能量平均值为正，驱动电机工作在电动状态；若u。和i。的相位差大于90°,则电机控制器向驱动电机提供的能量平均值为负，驱动电机工作在发电状态。【学生】聆听、思考、理解、记忆5.2.2交一直-交变频电路相较于交-交变频电路，交-直-交变频电路增加了中间直流环节，其应用范围广，调速范围大，机械特性硬，精度高。但是交-直-交变频电路的技术复杂，造价较高，维护检修困难，主要应用于要求精度高、调速性能较好的场合。【教师】展示“交-直-交变频电路的基本结构”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答交一直-交变频电路的基本结构相较于交-交变频电路发生了哪些变化？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知交-直-交变频电路主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路组成。整流电路负责将固定频率和电压的交流电变换为直流电；滤波电路负责将整流电路输出的脉动直流电变换为平滑的直流电；逆变电路负责将滤波后的直流电变换为频率和电压都可调的交流电，它是交-直-交变频电路的核心环节；控制电路负责对整流电压、逆变频率等电路参数的控制，并实现外部通信和电路保护功能，主要由主控制电路、信号检测电路、驱动电路、外部接口电路及保护电路等组成。根据控制方式或变频电源性质的不同,交-直-交变频电路可分为不同的类型。1.按照控制方式分类交-直-交变频电路的控制方式有：可控整流器调压、逆变器调频的控制方式；不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的控制方式；不可控整流器整流、PWM逆变器调频的控制方式。【教师】展示“采用不同控制方式的交-直-交变频电路结构框图”图片（详见教材）,提出问题，随机邀请学生回答仔细观察图片，找出三相控制方式的变频电路的相同点和不同点。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知交-直-交变频电路可分为以下三种类型。（1）采用可控整流器调压、逆变器调频的交-直-交变频电路该电路结构简单，调压和调频在两个环节上分别进行，控制方便。但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压调的较低时，电网端功率因数较低，而输出环节的谐波较大，因此这种变频电路应用较少。（2）采用不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交-直-交变频电路这种变频电路克服了功率因数较低的缺点，但是电路输出环节的请波仍然较大.（3）采用不可控整流器整流、PWM逆变器调频的交-直-交变频电路这种变频电路既克服了功率因数较低的缺点，又减小了电路输出环节的谐波。2.按照变频电源性质分类根据变频电源性质的不同，交-直-交变频电路可分为交-直-交电压型变频电路和交-直-交电流型变频电路。【教师】展示“交一直-交电压型变频电路原理图”图片（详见教材），讲解新知交-直-交电压型变频电路其中间直流环节采用大电容进行滤波,滤波后的电压波形比较平直。在理想情况下,可将该电路看作一个内阻抗为零的恒压源，输出电压的波形为矩形波或阶梯波。交-直-交电压型变频电路不仅广泛地应用于电机调速系统中，还普遍应用于高精度稳频稳压电源和不间断电源。【教师】展示“交-直-交电流型变频电路原理图”图片（详见教材），讲解新知交-直-交电流型变频电路其中间直流环节采用大电感进行滤波,滤波后的电流波形比较平直。在理想情况下,可将该电路看作一个内阻抗很大的恒流源，输出电流的波形为矩形波或阶梯波。从电路性能上来说，交-直-交电压型变频电路和交-直-交电流型变频电路主要有以下区别。（1）无功能量的缓冲。交-直-交电压型变频电路采用大电容来缓冲无功能量，而交-直-交电流型变频电路则采用大电感来缓冲无功能量。（2）回馈制动。当应用于异步电机的变频调速系统时，相比于交-直-交电压型变频电路，交-直-交电流型变频电路更容易实现回馈制动，更适用于经常需要制动和正反转的场合。（3）适用范围.交-直-交电压型变频电路适用于多电机同步运行而不要求电机快速加减速的场合.交-直-交电流型变频电路更适用于单电机传动系统，并且可以满足电机快速启动、制动和正反转的要求。【教师】讲述“科技前沿一全球首创3挡变频电驱DHTPro技术”的相关内容随着我国“双碳”战略目标的提出，新能源汽车将逐步取代传统燃油汽车成为国内汽车市场的主流，各大汽车制造厂商也都陆续推出了自己的新能源汽车品悔口产品。面对电动化转型的浪潮，吉利汽车公司以霸气的"雷神"为名推出雷神电动平台并将其搭载于最新的车型星越LHiP上.该车型作为"雷神旗舰电动SUV“，具备三大电动技术，实现了一辆车等于“纯电、增程、插电混动”三辆车的技术突破。（详见教材）【学生】聆听、思考、体会【学生】聆听、思考、理解、记忆知识准备【教师】展示“主电路”图片（详见教材），讲解新知【教师】提出问题，随机邀请学生回答仔细观察图片，主电路与驱动电路有哪些相同点？有哪些不同点？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知在主电路中，交-直变换部分采用不可控整流电路，负责将220V的工频交流电变换为直流电；直交变换部分是由四个IGBT组成的单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式；中间直流环节采用LC低通滤波器，负责滤除高次谐波，从而得到频率可调的正弦波交流输出。试验电路的驱动电路主要包括SPWM波形发生器以及脉冲延迟、隔离等模块。由于单相桥式逆变电路中的两组开关（即Ql和Q4,Qz和Q3）交替开通，因此电路中需要两路相位差为180°的SPWM波。脉冲延迟模块主要用于防止两组开关器件同时开通，出现电路短路的情况。隔离模块中的光电耦合器负责电气隔离，三极管负责放大信号。【教师】讲述“点拨”的相关内容SPWM波是一种按照正弦规律变换的方波，通过积分后可以得到正弦波。【学生】聆听、思考、理解、记忆【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任务：测试变频电路。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【教师】指导学生以小组为单位，按照以下活动步骤，完成“测试变频电路”实训任务【教师】展示“主电路"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）测试带电阻性负载的单相交流调压电路（I）根据选取的电路模块与对应的原理要求正确连接电路，并确认接线无误。（2）将山的频率调至最小，然后为电路接入电阻性负载.启动电源后，在U,保持不变的情况下，由小到大调节Ur的频率，利用示波器观察Uo的波形，并记录波形的幅值、频率等参数。对比SPWM波形（1、2两点）与Uo的波形（3、4两点），并简单绘制波形曲线。（3）断开电路电源，将电阻性负载拆除后，将uf的频率调至最小，然后为电路接入阻感性负载.启动电源后，在Ui保持不变的情况下，由小到大调节Ur的频率，利用示波器观察Uo的波形，并记录波形的幅值、频率等参数。对比SPWM波形（1、2两点）与UO的波形（3、4两点），并简单绘制波形曲线。【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彳方平价，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、交-交变频电路I.单相交-交变频电路2.三相交-交变频电路二、交-直-交变频电路I.按照控制方式分类2.按照变频电源性质分类【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1式的相关内容。2 .完成“创想天地”的内容：变频电路在新能源汽车上有诸多应用，在空调制冷系统、车辆发动机冷却装置，以及最重要网区动电机变频调速系统中，变顷电路都发挥着重要作用。据有关调燮据显示，2022年全触频器市场规模约为937亿元,预计2029年将避卜194亿元试分析：随着新能滤作产销量的持雌长，变顷器将迎来怎样的发展机遇?睇既汽车领域外，蛾器还可应用的陛领域？3 .登录APP磔他学习平台查看相若口识雌.【学生】完成课后任务教学反思