《新能源汽车电力电子技术》教案第9课测试有源逆变电路.docx

课题测试有源逆变电路课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)掌握单相有源逆变电路的结构和工作原理。(2)掌握三相有源逆变电路的结构和工作原理。(3)了解逆变失败的原因及逆变角的限制方法。技能目标：能测试有源逆变电路.素质目标：(1)增强实现中华民族伟大复兴的历史使命感。(2)能养成安全、规范、高效完成工作的思考习惯。教学重难点教学重点：单相有源逆变电路的结构和工作原理，三相有源逆变电路的结构和工作原理教学难点：单相有源逆变电路的工作原理，三相有源逆变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】讲述“任务导入”的相关内容有源逆变是整流的逆变过程，在不同的条件下，两种过程可以用同一套变流装置来实现，只不过能量的传递方向相反。有源逆变电路主要应用于直流电机的可逆调速、绕线型三相异步电机的串级调速、高压直流输电等方面。(详见教材)【学生】聆听、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知3.2.1单相有源逆变电路1.单相半桥有源逆变电路【教师】展示“整流状态下的单相半桥有源逆变电路及其工作波形”图片(详见教材)，讲解新知VTi在I1时刻开通，并在电感的影响下一直持续至12时刻。当<90°时，Us>Em,直流电机工作在电动状态，电流自1点出发，流过v、L、R和M之后回到。点，Uo=U!O,io=iv!同理，VT2的工作过程也是如此，两个晶闸管交替开通。2)逆变状态【教师】展示"逆变状态下的单相半桥有源逆变电路及其工作波形”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答试参照整流状态下单相半桥有源逆变电路的工作波形分析过程，分析整流状态下单相半桥有源逆变电路的工作波形。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知VTi在t时刻开通，并在电感的影响下一直持续至12时刻。当>90°时，Us<Em,直流电机工作在发电状态，电流自M的正极出发，将能量传送回电网中，Uc=Uiofio=IVTi.同理，VT2的工作过程也是如此，两个晶闸管交替开通。【教师】讲述“点拨”的相关内容根据逆变电路的工作原理可知，电路中直流电机的极性必须改变，即必须处于发电状态才能改变能量的传送方向，从而输出功率，实现有源逆变。【学生】聆听、思考、理解、记忆3)实现有源逆变的条件(I)电路中Em的极性必须与晶闸管开通的方向一致，即与电路输入电流i.的方向一致，并且要求EM>Us,这是实现有源逆变的外部条件。(2)晶闸管必须工作在>90°的情况下，使U0<0,这是实现有源逆变的内部条件。(3)为了保证电路中的电流连续，在逆变电路中一定要串接大电感。【教师】讲述“注意”的相关内容在各种整流电路中，对于带有半控整流桥或续流二极管的电路来说，因为其整流电路输出电压不存在负值，也不允许输入端接上反极性的直流电源，所以不能实现有源逆变.因此，想要实现有源逆变，必须采用全控电路。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.单相全桥有源逆变电路【教师】展示“直流卷扬系统的电路结构”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答在重物的上提和下放过程中，直流电机的运行状态是否相同？若不同，有哪些区别？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知直流卷扬系统是单相全桥有源逆变电路的典型应用，常用于重物的上提和下放。与单相半桥有源逆变电路的工作过程类似，当<90。时，U。>0,直流电机开始转动，实现重物的上提，此时Em<Us,电路工作在整流状态。而当下放重物时，由于重力对重物的作用，使电机跟随重力方向转动，因此EM的极性反向。如果此时单相全桥有源逆变电路的控制角继续保持在a<90°范围内，则会造成短路现象。因此，必须将单相全桥有源逆变电路的控制角调至a>90。范围，这样才能使Uo<0,而Em>Uo由于电流从M的正极流出，从Uo的正极传送回交流电网中，L的方向未发生改变，因此电路工作在有源逆变状态。【教师】讲述“点拨”的相关内容在直流卷扬系统中，当重物下降时，直流电机反转并进入发电状态运行，此时反电动势实际上成了使晶闸菅正向导通的电源。【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】展示“直流卷扬系统在a=90。时工作电压与工作电流的波形”图片(详见教材)，讲解新知单相全桥有源逆变电路不管是处于整流状态还是处于逆变状态，其工作波形与单相半桥有源逆变电路的基本相同。下面仅针对a=90。这种特殊情况进行说明。当重物提升至某一高度时，要求重物保持固定状态,此时就可以将控制角调至a=90°,Uo波形的正负面积相等，U=O,因此EM=0.由于电路中电感的存在，电路中仍然有微小的直流电流存在，此时直流卷场系统处于动态平衡状态，与电路切断、直流电机停转的状态具有本质的不同。【教师】讲述“注意”的相关内容有源逆变状态描述的是电路的整个工作过程，而并不是特别针对某一时刻。例如，在还未经过电源电压的过零点时，Uo的极性为上负下正，与Em反极性相连，两个电源均向外输出能量，但这段时间较短，且L会对电流进行限制，避免电流过大而损坏电路。【学生】聆听、思考、理解、记忆3.2.2三相有源逆变电路1 .三相半波有源逆变电路2 ）整流状态【教师】展示“三相半波有源逆变电路及其在=30。时的工作波形”图片（详见教材），讲解新知当a=30°时，VTi在t时刻开通，uo为正。当30o<a<90。时，尽管Uo有正有负，但Uo>0,极性为上正下负，Em的极性也为上正下负，且Us>Em,故直流电机吸收交流电网传出的能量,以电动状态运行.同理，VT2、VT,也依次开通，i。由各阶段的ivr共同组成【教师】提出问题，随机邀请学生回答参考VT1的开通过程，分析VT2和VT3的开通过程。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答2）逆变状态假设电路中Em的极性为上负下正。当a=150。时,VTl在t时刻开通，w为正。当90o<a<180°时，尽管Uo有正有负，但U。<O,极性为上负下正，Em>Us,因此直流电机向外输出能量，以发电状态运行。【教师】组织课堂讨论请结合三相半波有源逆变电路在a=30。时的工作波形分析晶闸管之间的换流过程。【学生】聆听、思考、讨论、回答【教师】总结学生回答，展示“三相半波有源逆变电路的工作波形”图片（详见教材），讲述“知识链接整流状态与逆变状态对触发脉冲的要求”的相关内容工作在整流状态的三相半波有源逆变电路的工作波形，当a=60。，在3tl时刻，u。应该从U相换到V相，此时V相电压最高，可保证顺利换流。由于U相与W相电压均低于V相，因此即使同时给电路中相应的晶闸管提供触发脉冲，它们也不会导通，不存在相位关系的混乱。（详见教材）【学生】聆听、思考、理解、记忆3 .三相桥式有源逆变电路1）逆变角逆变角用表示，令=-a0逆变角的方向是由右向左,规定以a=作为计算的起点,当电路工作在整流状态时，>90ol当电路工作在逆变状态时，<90°,与控制角相反.2）电路的工作原理当三相桥式整流电路满足实现有源逆变的两个条件时，就可称其为三相桥式有源逆变电路。【教师】展示“三相桥式有源逆变电路及其在不同逆变角下的工作波形”图片（详见教材），讲解新知图示电路中，Em的极性为上负下正，且IEmI>UoI通过对工作波形分析得到以下结论。（1）当B从90°逐渐减小时，UO为负，但U。的值逐渐增大。（2）在逆变电路中,晶闸管之间的换流完全由触发脉冲控制，其换流总是从低电压到高电压。这样，对触发脉冲就提出了格外严格的要求，其脉冲必须严格按照规定的顺序发出，而且要保证触发可靠，否则极容易产生因晶闸管之间换流失败而导致的逆变失败。（3）在整流状态下，晶闸管在阻断时主要承受反向电压，而在逆变状态工作中，晶闸管在阻断时主要承受正向电压。无论在整流状态还是逆变状态，晶闸管在阻断时承受正向或反向电压的峰值均应为线电压的峰值，在选择晶闸管的额定参数时应以此为依据。【教师】提出问题，随机邀请学生回答晶闸管在整流状态和逆变状态时，承受的电压有何区别?【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答3）电路的输出逆变电路参数的计算与整流电路相似,由于电路中存在大电感,因此电路中的电流连续。（1）电路输出电压为C7=-2.34C72cos-1.352icos（2）电路输出电流为1.T（3）晶闸管电流的有效值a3.2.3逆变失败与逆变角的限制1 .逆变失败的原因【教师】展示“两个直流电源间的功率传输”图片（详见教材），讲解新知当电路工作在逆变状态时，如果出现晶闸管换流失败，则Ul与U2将顺向串联并相互加强。由于逆变电路总电阻很小，因此必将产生很大的短路电流，以至可能将晶闸管和变压器烧毁，上述情况称为逆变失败（或逆变颠覆）。造成逆变失败的原因，可归纳为以下四个方面。2 ）触发电路工作不可靠2）晶闸管出现故障3）交流电源出现异常4）电路换流时间不足（详见教材）【教师】播放“如何防止逆变失败”微课视频（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答根据视频内容，总结防止逆变失败的方法。【学生】聆听、观看、思考、回答【教师】总结学生回答3 .逆变角的限制1）重叠角在三相整流电路中，晶闸管的换流并不是瞬时完成的，而是持续一段时间，这段换流持续的时间就称为重叠角，用Y表示。重叠角的存在是由于变压器漏感抗对电路的影响，从而造麒流过程中电路的电流不能发生突变。2）最小逆变角逆变角太小就会造成换流失败，从而导致逆变失败。【教师】展示“三相半波有源逆变电路及其工作波形”图片（详见教材），以三相半波有源逆变电路为例进彳锄解说明当Uo第一次从W相换到U相时，重叠角为,逆变角为,V相对应的晶闸管VTl导通，此时>,上一个导通的晶闸管VT3因承受反向电压而关断.而当Uo第二次从W相换到U相（即自然换流P）时，<,Uw>Uu,使VTl因承受反向电压而重新关断，而应该关断的VT3却继续开通。之后UW会随着时间不断增大，使电路从逆变状态过渡到整流状态，Em与Uo顺向串联，造成逆变失败。因此，在设计逆变电路时，必须考虑到电路的最小逆变角mi11,一般Bmin受到以下因素的影响。(1)电路中重叠角Y的取值为150250(2)晶闸管的关断时间对应的电角度的取值为4。5。.(3)电路中的安全裕量角,的取值为10°左右。综上所述，最小逆变角Bmin为nun=Y+,30°35°【教师】展示“汪植生”图片，讲述“时代楷模：我国电力电子专业奠基人一汪楠生”的相关内容汪楣生是中国工程院院士，电力电子及控制设备专家，长期从事电机工程的教学和科研工作。1928年8月27日，汪楣生出生于浙江省杭州市。1950年，汪楠生毕业于浙江大学电机系。毕业后，汪植生在前往东北工作单位报到的途中接到系主任王国松先生的电话，通知他返校任教，从此他便与浙江大学和电力电子技术结缘.(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】提出问题，随机邀请学生回答有源逆变与无源逆变有哪些区别？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知对于可控整流电路来说，满足一定条件就可使电路工作于有源逆变状态，其电路的结构形式未变，只是电路的工作条件