新能源汽車驅(qū)動電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修教案 學(xué)習(xí)情境4：電的轉(zhuǎn)換

學(xué)習(xí)情境4電的轉(zhuǎn)換教案任務(wù)1認(rèn)識AC-DC變換電路教學(xué)內(nèi)容任務(wù)1認(rèn)識AC-DC變換電路學(xué)習(xí)目標(biāo)【知識目標(biāo)】1)能描述AC-DC變換器概述。2)能描述單相半波整流電路。3)能描述單相橋式整流電路。4)能描述三相橋式整流電路?！炯寄苣繕?biāo)】1)能夠結(jié)合實(shí)物描述AC-DC變換器概述。2)能夠結(jié)合實(shí)物描述單相半波整流電路。【素養(yǎng)目標(biāo)】1)能夠在工作過程中與小組其他成員合作、交流，養(yǎng)成團(tuán)隊(duì)合作意識，鍛煉溝通能力。2)養(yǎng)成7S的工作習(xí)慣。3)養(yǎng)成服從管理，規(guī)范作業(yè)的良好工作習(xí)慣。教學(xué)過程課程導(dǎo)入【任務(wù)描述】某學(xué)員要學(xué)習(xí)新能源汽車維修技術(shù)，想從基礎(chǔ)理論學(xué)起。作為專業(yè)人員，你需要從AC-DC變換器概述、單相半波整流電路和單相橋式整流電路等方面對學(xué)員進(jìn)行講解?！救蝿?wù)分析】作為專業(yè)人員，你應(yīng)該掌握AC-DC變換器概述、單相半波整流電路和單相橋式整流電路等方面的知識，能夠結(jié)合實(shí)物描述AC-DC變換器概述和單相半波整流電路。相關(guān)知識4.1.1AC-DC變換器概述AC-DC變換器也稱為整流器，是將交流電變換成直流電的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路、濾波器等組成。20世紀(jì)70年代以后，整流主電路多由硅整流二極管或晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定，變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。4.1.2單相半波整流電路單相半波整流電路實(shí)際應(yīng)用較少，但其電路簡單、結(jié)構(gòu)清晰、易于理解，便于深入理解整流原理。單相半波整流電路只用一個整流器件(功率二極管、晶閘管或ICBT等),整流器件為功率二極管。當(dāng)電源電壓為正半周期時(shí)，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通,若忽略二極管導(dǎo)通壓降，則電源電壓全部施加在負(fù)載上;當(dāng)化為負(fù)半周期時(shí)，二極管承受反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載電壓為零。在電阻負(fù)載下，負(fù)載電流波形與電壓相同。4.1.3單相橋式整流電路二極管VD1、VD4,串聯(lián)構(gòu)成一個橋臂，二極管VD2、VD3串聯(lián)構(gòu)成另一個橋臂。將VD、VD;的陰極連一起，構(gòu)成共陰極,將VD2、VD3的陽極連在一起，構(gòu)成共陽極。交流電源化與整流橋之間有變壓器T,感性負(fù)載可等效為電感L與電阻R的串聯(lián)，跨接在共陽極與共陰極之間。4.1.4三相橋式整流電路廣泛應(yīng)用的三相橋式整流電路是從三相半波電流電路擴(kuò)展而來的。三相橋式整流電路由兩組三相半波整流電路串聯(lián)而成，一組接成共陰極，另一組接成共陽極，這種整流電路不再.需要變壓器中點(diǎn)。VD1、VD3、VD5共陰極三相半波整流，VD2、VD4、VD6共陰極三相半波整流。三相橋式整流電路工作時(shí)，共陰極的三個二極管中，陽極交流電壓最高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通，而另外兩個二極管因承受反壓處于關(guān)斷狀態(tài);同理，共陽極的三個二極管中，陰極交流電壓最低的二極管優(yōu)先導(dǎo)通，而另外兩個二極管因承受反壓處于關(guān)斷狀態(tài)。即在電路工作過程中，共陰極組和共陽極組中各有一個二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。4.1.5WM整流電路PWM整流電路由全控性功率開關(guān)器件構(gòu)成，采用脈沖寬度調(diào)制，簡稱PWM控制方式。PWM整流電路也不是傳統(tǒng)意義上的AC-DC變換器，而是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能雙向變換的電路。當(dāng)PWM整流電路從電網(wǎng)接收電能時(shí)，工作于整流狀態(tài);當(dāng)PWM整流電路向電網(wǎng)反饋電能時(shí)，則工作于有源逆變狀態(tài)。根據(jù)不同的分類，PWM整流電路有不同的類型。按電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外特性，PWM整流電路可分為電壓型和電流型，兩者的區(qū)別在于直流側(cè)濾波形式的不同，電壓型整流電路采用大電容，電流型整流電路則采用大電感。電壓型PWM整流電路更為廣泛。4.1.6單相電壓型PWM整流電路單相電壓型PWM整流電路最初應(yīng)用于電力機(jī)車交流傳動系統(tǒng)中，為牽引變流器提供直流電源。每個橋臂由一個全控器件和反并聯(lián)的整流二極管組成。4.1.7三相電壓型PWM整流電路三相電壓型PWM整流電路具有更快的響應(yīng)速度和更好的輸入電流波形。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電流電壓不變，開關(guān)器件按正弦規(guī)律脈寬調(diào)制，整流器交流側(cè)的輸出電壓與逆變器相同。忽略整流電路輸出交流電壓的諧波，變換器可以看作可控正弦三相電壓源,它和正弦的電源高電壓共同作用于輸入電感，產(chǎn)生正弦電流波形。適當(dāng)控制整流電路輸出電壓的幅值和相位，就可以獲得所需大小和相位的輸入電流。Lg為整流側(cè)大電感，用于穩(wěn)定輸出電流使輸出特性為電流源特性，利用正弦調(diào)制方式控制直流電流在各開關(guān)器件上的分配，使交流電流波形接近正弦波，且和電源電壓同相位，交流側(cè)電容的作用是濾除與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波。電流型整流電路的優(yōu)點(diǎn)有:1)由于輸出電感的作用，短路時(shí)電流的上升速度受到限制;2)開關(guān)器件直接對直流電流進(jìn)行脈寬調(diào)制，所以輸入電流控制簡單，控制速度快。但有以下缺點(diǎn):1)直流側(cè)電感的體積、質(zhì)量和功耗較大;2)常用的全控器件都是雙向?qū)ǖ?，使主電路通態(tài)損耗較大。PWM整流電路改善了傳統(tǒng)晶閘管相控整流電路中交流側(cè)諧波電流較大、深度相控時(shí)功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。PWM整流電路采用全控器件，可以實(shí)現(xiàn)理想化的交直流變換，具有輸出直流電壓可調(diào)，交流側(cè)電流波形為正弦、功率因數(shù)可調(diào)、可雙向變換等優(yōu)點(diǎn)。車載充電機(jī)是整流電路在新能源汽車上的典型應(yīng)用，其功能是將電網(wǎng)單相交流電變換為直流電給動力蓄電池充電。為了提高電路的功率因數(shù)，減小設(shè)備體積，達(dá)到比較理想的輸出效果，一般是整流電路和其他結(jié)構(gòu)的電路形式相結(jié)合，完成電能變換。任務(wù)實(shí)施結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，補(bǔ)全圖4-1-1中空白。結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，補(bǔ)全圖4-1-2中空白。描述電流型整流電路的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。任務(wù)評價(jià)根據(jù)表4-1-1對本任務(wù)實(shí)施過程進(jìn)行評價(jià)。

任務(wù)2認(rèn)識DC-DC變換電路教學(xué)內(nèi)容任務(wù)2認(rèn)識DC-DC變換電路學(xué)習(xí)目標(biāo)【知識目標(biāo)】1)能描述DC-DC變換器概述。2)能描述DC-DC變換器的工作原理。3)能描述DC-DC降壓斬波電路4)能描述DC-DC升壓斬波電路【技能目標(biāo)】1)能夠結(jié)合實(shí)物描述DC-DC降壓斬波電路。2)能夠結(jié)合實(shí)物描述DC-DC升壓斬波電路。【素養(yǎng)目標(biāo)】1）能夠在工作過程中與小組其他成員合作、交流，養(yǎng)成團(tuán)隊(duì)合作意識，鍛煉溝通能力。2）養(yǎng)成7S的工作習(xí)慣。3）養(yǎng)成服從管理，規(guī)范作業(yè)的良好工作習(xí)慣。教學(xué)過程課程導(dǎo)入【任務(wù)描述】某學(xué)員要學(xué)習(xí)新能源汽車維修技術(shù)，想從基礎(chǔ)理論學(xué)起。作為專業(yè)人員，你需要從DC-DC變換器概述、DC-DC變換器工作原理和DC-DC降壓斬波電路等方面對學(xué)員進(jìn)行講解?！救蝿?wù)分析】作為專業(yè)人員，你應(yīng)該掌握DC-DC變換器概述、DC-DC變換器工作原理和DC-DC降壓斬波電路等方面的知識，能夠結(jié)合實(shí)物描述DC-_DC降壓斬波電路和DC-DC升壓斬波電路。相關(guān)知識4.2.1DC-DC變換器概述DC-DC變換器也稱直流斬波器，是一種將電壓恒定的直流電變換為電壓可調(diào)的直流電的電力電子變流裝置。用DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)直流變換的基本思想是:通過對功率開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷控制，把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流,在一定濾波的條件下，在負(fù)載上可以獲得平均值小于或大于電源的電壓或電流。4.2.2DC-DC變換器的工作原理最基本的直流斬波電路如圖(a)所示，圖中S是可控開關(guān)，R為純電阻負(fù)載。當(dāng)S閉合時(shí)，輸出電壓為E;當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為0,輸出波形如圖(b)所示。假設(shè)開關(guān)S通斷的周期不變，將S的導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期之比定義為占空比，用D表示。占空比的改變可以通過改導(dǎo)通時(shí)間或關(guān)斷時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。通常直流斬波電路的控制方式主要有以下三種。1)脈沖頻率調(diào)制控制方式:在這種控制方式中，由于輸出電壓波形的周期或頻率是變.化的，輸出諧波的頻率也是變化的，從而使濾波器的設(shè)計(jì)比較困難，輸出波形諧波干擾嚴(yán)重，一般很少采用。2)脈沖寬度調(diào)制控制方式:在這種控制方式中，由于輸出電壓波形的周期或頻率是不變的，輸出諧波的頻率也是不變的，從而使濾波器的設(shè)計(jì)變得較為容易，并得到普遍應(yīng)用。3)調(diào)頻調(diào)寬混合控制方式:可以大大提高輸出的范圍，但由于頻率是變化的，也存在設(shè)計(jì)濾波器較難的問題。4.2.3DC-DC降壓斬波電路降壓斬波電路又稱Buck斬波電路，其特點(diǎn)是輸出電壓比輸入電壓低，而輸出電流高于輸入電流。也就是說，通過該電路的變換可以將直流電源電壓轉(zhuǎn)換為低于其值的輸出直流電壓，并實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。降壓斬波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖(a)所示，S是開關(guān)器件，可根據(jù)應(yīng)用需要選取不同的電力電子器件，如IGBT、功率場效應(yīng)管、GTR等。L、C為濾波電感和電容，組成低通濾波器，R為負(fù)載，VD為續(xù)流二極管。當(dāng)S斷開時(shí)，VD提供續(xù)流通路。E為輸入直流電壓。當(dāng)選用ICBT作為開關(guān)器件時(shí)，降壓斬波電路如圖(b)所示。4.2.4DC-DC升壓斬波電路升壓斬波電路又稱Boost斬波電路，用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)能量從低壓側(cè)電源向高壓側(cè)負(fù)載的傳遞。采用IGBT作為開關(guān)器件的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。分析升壓斬波電路的工作原理時(shí),應(yīng)假設(shè)電路中的電感L很大，電容C也很大。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，因此能基本保持輸出電壓為恒定值。升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因:一是電感L儲能之后具有使電壓泵升的作用;二是電容C可將輸出電壓保持住。在上面的分析中，VT處于導(dǎo)通時(shí)，電容C的作用使輸出電壓久保持不變，但實(shí)際上C值不可能無窮大，在此階段電容C向負(fù)載放電,U會有所下降,實(shí)際輸出電壓會略低于理論計(jì)算結(jié)果，不過在電容C值足夠大時(shí)，產(chǎn)生的誤差很小，基本可以忽略。4.2.5升壓斬波電路升降壓斬波電路又稱Buck-Boost斬波電路，是一種既可以升壓又可以降壓的變換電路。用ICBT作為開關(guān)器件的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。電路中的電感L很大，電容C也很大，從而使電感電流和電容電壓即輸出電壓基本保持恒定。升降壓占波電路的工作原理是:當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)VT向電感L供電使其儲存能量;同時(shí)電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載L供電。當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，電感L中儲存的能量向負(fù)載釋放。通過電路圖分析可知，負(fù)載電壓極性為下正上負(fù)，與電源電壓極性相反，與前述的降壓占波電路和升壓斬波電路的輸出電壓極性相反，因此該電路稱為反極性斬波電路。4.2.6DC-DC變換器的應(yīng)用直流驅(qū)動電機(jī)功率小于5kW的純電動汽車(觀光車、巡邏車、清掃車等)的動力電池組直接通過DC-DC變換器，為小型電動車輛的直流電機(jī)提供直流電流，如圖所示。在純電動汽車、“電-電”耦合電力汽車(自行發(fā)電電動汽車、燃料電池汽車)中，在能量混合型電力系統(tǒng)中，采用升壓型DC-DC變換器;在功率混合型電力系統(tǒng)中，采用雙向升降壓型DC-DC變換器或全橋型DC-DC變換器。車輛在滑行或下坡制動時(shí)，驅(qū)動電機(jī)發(fā)電運(yùn)行產(chǎn)生的電能也通過雙向升降壓型DC-DC變換器向儲能電源充電。電動汽車上的動力電池組向附屬設(shè)備及低壓蓄電池充電時(shí)，采用隔離式降壓型DC-DC變換器。任務(wù)實(shí)施結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，補(bǔ)全圖4-2-1中空白。結(jié)合所學(xué)內(nèi)容，補(bǔ)全圖4-2-1中空白。描述DC-DC變換器的應(yīng)用。任務(wù)評價(jià)根據(jù)表4-2-1對本任務(wù)實(shí)施過程進(jìn)行評價(jià)。任務(wù)3認(rèn)識DC-AC變換電路教學(xué)內(nèi)容任務(wù)3認(rèn)識DC-AC變換電路學(xué)習(xí)目標(biāo)【知識目標(biāo)】1)能描述DC-DC變換器概述。2)能描述DC-DC變換器的工作原理。3)能描述DC-DC降壓斬波電路。4)能描述DC-DC升壓斬波電路?！炯寄苣繕?biāo)】1)能夠結(jié)合實(shí)物描述電壓型DC-AC變換器。2)能夠結(jié)合實(shí)物描述電流型DC-AC變換器?！舅仞B(yǎng)目標(biāo)】1）能夠在工作過程中與小組其他成員合作、交流，養(yǎng)成團(tuán)隊(duì)合作意識，鍛煉溝通能力。2）養(yǎng)成7S的工作習(xí)慣。3）養(yǎng)成服從管理，規(guī)范作業(yè)的良好工作習(xí)慣。教學(xué)過程課程導(dǎo)入【任務(wù)描述】某學(xué)員要學(xué)習(xí)新能源汽車維修技術(shù)，想從基礎(chǔ)理論學(xué)起。作為專業(yè)人員，你需要從DC-AC變換器概述、電流型DC-AC變換器和三相電流型逆變電路等方面對學(xué)員進(jìn)行講解?！救蝿?wù)分析】作為專業(yè)人員，你應(yīng)該掌握DC-AC變換器概述、電壓型DC-AC變換器和電流型DC-AC變換器等方面的知識，能夠結(jié)合實(shí)物描述電壓型DC-AC變換器和電流型DC-AC變換器。相關(guān)知識4.3.1DC-AC變換器概述DC-AC變換器又稱逆變器，是應(yīng)用電力電子器件將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的一種變流裝置，供交流負(fù)載用電或向交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。隨著石油、煤炭和天然氣等傳統(tǒng)能源的日益減少，新能源的開發(fā)和利用越來越受到重視，逆變器有了更廣泛的應(yīng)用。逆變技術(shù)可以將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等通過新能源技術(shù)獲得的電能變換成交流電以滿足對電能的需求，因此逆變技術(shù)對于新能源的開發(fā)和利用起著重要的作用。4.3.2電壓型DC-AC變換器三相電壓型DC-AC變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖所示，在直流電源電路上并聯(lián)電容器,直流側(cè)電壓基本無脈動;逆變器采用六個功率開關(guān)器件VT~VT。和六個分別與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管VD~VD。共同構(gòu)成的IGBT功率模塊，也可以使用其他全控器件。這種結(jié)構(gòu)每相輸出兩種電平，因此也稱為兩電平逆變電路。4.3.3電流型DC-AC變換器三相電流型DC-AC變換器