《新能源汽车电力电子技术》教案第15课了解PWM控制技术.docx

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1、课题了解PWM控制技术课时2课时(90min)教学目标知识目标：了解PWM控制技术。技能目标：能正确测试单相SPWM逆变电路。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：PWM控制技术的基本原理和应用，PWM逆变电路及控制方法教学难点：PWM逆变电路及控制方法教学方法讲授法、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“形状不同而冲量相同的各种窄脉冲波形”图片（详见教材），讲述“任务导入”的相关内容如

2、果将冲量（幅值对时间的积分）相等而形状不同的窄脉冲分别加在具有惯性环节的输入端，则其输出响应波形基本相同.也就是说，尽管脉冲的形状不同，但只要冲量相等，其作用的效果基本相同，即面积等效原理，这也是PWM控制技术的重要理论依据。如图所示为形状不同而冲量相同的各种窄脉冲波形，它们在低频段取得的输出响应波形基本相同，仅在高频段略有差异。【学生】聆听、观看、理解、记忆传授新知【教师】讲解新知6.2.1PWM控制技术概述1.PWM控制技术的基本原理【教师】展示“利用SPWM波代替正弦半波的过程”图片（详见教材），讲解新知根据面积等效原理，将其分割成宽度相等、但幅值不同的7个窄脉冲。此时利用7个幅值相等，

3、但宽度不同的矩形脉冲去代替正弦半波的7个窄脉冲。只要确保每个矩形脉冲的面积与所对应的窄脉冲面积相同，且矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，则PWM波就可以等效于正弦波。此时得到的波形称为SPWM波形，脉冲频率越高，则SPWM波形越接近正弦波.PWM控制技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的技术，实现PWM控制的关键就在于确定各矩形脉冲的宽度。【教师】提出问题，随机邀请学生回答如何确定各矩形的宽度?【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知以调制SPWM波形为例，确定各矩形脉冲宽度的方法主要有计算法和调制法两种.计算法：根据正弦波频率、幅值和半

4、周期脉冲数目等参数计算PWM波各脉冲宽度和间隔.调制法：根据等腰三角波与正弦波相交的方法确定各矩形脉冲的宽度。【教师】讲述点拨”的相关内容一般将需要合成的信号称为调制信号，如正弦波和非正弦波等。而用于传递调制信号的高频信号称为载波,如等腰三角波和锯齿波等。调制就是选择合适的载波来传递调制信号的过程。【学生】聆听、思考、理解、记忆2.PWM控制技术的应用【教师】组织学生扫码观看“PWM控制技术在新能源汽车上的应用”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，说说PWM控制技术的应用。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知PWM控制技术的应用使电力电子装置的性能大

5、大提高，应用PWM控制技术的电力变换电路主要有PWM逆变电路、直流斩波电路、PWM整流电路、斩控式调压电路以及矩阵式变频电路等。【教师】讲述“点拨”的相关内容由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，此类应用有直流斩波电路、PWM逆变电路和PWM整流电路等。由交流电源产生的PWM波通常是不等幅PWM波，此类应用有斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路等。【学生】聆听、思考、理解、记忆6.2.2PWM逆变电路及控制方法根据输入端电源性质的不同,PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，但在实际应用中，多采用电压型PWM逆变电路。根据调制脉动极性的不同，PWM的控制方式可分为单极性控制和双极性控制两种

6、；根据载波信号和控制信号频率关系的不同，PWM的控制方式可分为同步调制和异步调制两种。1 .单相桥式电压型PWM逆变电路【教师】展示“单相桥式电压型PWM逆变电路”图片（详见教材），提出问题，随机邀请学生回答图示电路中，负载的性质是什么？【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，展示“单极性SPWM控制方式下电路的工作波形”图片（详见教材）,讲解新知如图所示单极性SPWM控制方式下电路的工作波形中,黑色线条表示w,它在正半周为正极性的等腰三角波，在负半周为负极性的等腰三角波；蓝色实线表示Ur,即希望获得的正弦波。Ur在过零点处控制开关器件QuQ2的开通和关断，在Ur与UC的交点处控制

7、开关器件Q3、Q4的开通和关断，具体控制过程如下。（1）在Ur的正半周，始终保持Q1开通、Q2关断。当UrUc时，Q4开通、Q?关断，此时Uo=Ui；当UcUr时,Qa关断、Q.3开通，此时Uo=Oe（2）在Ur的负半周，始终保持Qi关断、Q2开通。当UcUc时，Qj关断、Qa开通，此时UO=0.2 ）双极性SPWM控制方式【教师】展示“双极性SPWM控制方式下电路的工作波形”图片（详见教材），提出问题,随机邀请学生回答双极性控制时的工作波形与单极性时的有何区别？试参考单极性控制，分析双极性的控制过程。【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知双极性SPWM控制方式下的Ur在

8、一个周期内对开关器件的控制规律与单极性SPWM控制方式下的相同。区别在于双极性SPWM控制方式中的W变为正负两个方向变化的等腰三角波，具体控制过程如下。(1)在5的正半周，当UrUc时，QlxQ4开通，Q2、Q3关断，此时Uo=Ui；当UrUc时，Q2、Qs开通，QkQ4关断，此时Uo=-Ui.(2)在Ur的负半周，当UrUC时fQlxQ4开通，Q2、Q3关断，此时Uo=Uie在双极性SPWM控制方式下电路输出的SPWM波为两个方向变化的等幅不等宽的脉冲序列。由于电路带阻感性负载，因此Qi、Q“或Q2、Q3)关断时，Io将通过VD2.VDj(或VDi、VD4)续流，直到i。减小为零，Q2、Q3

9、(或Ql、Q4)才会开通。2 .三相桥式电压型PWM逆变电路【教师】展示“三相桥式电压型PWM逆变电路”图片(详见教材)，提出问题，随机邀请学生回答三相桥式电路与单相桥式电路相比，有何变化？负载的性质是否相同?【学生】聆听、观察、思考、回答【教师】总结学生回答，讲解新知单相桥式电路既可采用单极性控制方式，也可采用双极制方式，但三相桥式电压型PWM逆变电路只能采用双极性控制方式。【教师】展示“三相桥式电压型PWM逆变电路的工作波形”图片(详见教材)，以U相为例，讲解双极性SPWM控制方式下三相桥式电压型PWM逆变电路的工作原理三相调制信号UrU、UrV、UrW为幅值、频率相等，但相位依次相差12

10、0的正弦波；三相公用载波信号UC为一个正负方向变化的三角波。当UrtJUc时，Ql开通、Qa关断，则U相相对于输入电源中性点N的输出电压UUN-=UJ2；当UrlIUt时，Ql关断Q4开通，则Uun*=-Ui2【教师】组织课堂讨论清对线电压Uuv和相电压Uu的波形进行分析.【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答3 .异步调制和同步调制在PWM控制方式中，将UC的频率1与Ur的频率fr比定义为载波比，用N=fc/表示，它反映了UC和Ur是否同步的情况。1)异步调制UC和U,不保持同步的调制方式称为异步调制，N不为3的整数倍。异步调制通常保持。固定不变，因此当fr变化时，N也随之变化，W和U

11、r无法保持同步。异步调制主要有以下特点。(1)在Ur的半个周期内，电路输出脉冲个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称,输出波形偏离了正弦波。(2)(4)详见教材。【教师】讲述“点拨”的相关内容目前，由于IGBT等高速开关器件的广泛应用，彳眇出现fc很低的情况，因此上述这种不利影响可以忽略不计。【学生】聆听、思考、理解、记忆2)同步调制UC和Ur保持同步的调制方式称为同步调制，N为3的整数倍。同步调制通常同时调整L和G国保持N不变，从而增高电路输出电压的频率。同步调制主要有以下特点。(1)在Ur的半个周期内，电路输出脉冲个数固定不变，脉冲相位也是

12、固定的，电路输出波形左右对称，等效于正弦波，因此不会出现偶次谐波。（2）-（4）详见教材。【教师】提出问题，随机邀请学生回答对比异步调制和同步调制的优缺点和适用场合。【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答，展示“分段同步调制示意”图片（详见教材），讲述“知识链接一分段同步调制”的相关内容人们通常采用“分段同步调制”来克服同步调制的缺点。如图6-17所示为分段同步调制示意，其中，红色实线表示输出频率增高时的切换频率，黑色虚线表示输出频率降低时的切换频率。分段同步调制的主要思想如下。.（详见教材）【学生】聆听、思考、理解、记忆【教师】讲述“时代楷模：充满挑战与传奇的铁甲人生一臧克茂”的相关内

13、容臧克茂，江苏常州人，坦克电气自动化专家，中国工程院院士，中国人民解放军陆军装甲兵学院教授。臧克茂长期从事坦克电气自动化工程研究，通过自主创新，提出了现代坦克炮控系统的体系结构和控制方法，研制出我国第一台坦克电驱动系统原理样车，率先开展全电战斗车辆技术的研究，被誉为“钢铁战士。（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oSPWM波形发生器结构框图”图片（详见教材），讲解新知正弦脉宽调制（sinusoidalpulsewidthmodulation,SPWM）波形发生器中,产生三角形载波信号UC的电路模块与产生正弦调制波信号Ur的电路模块分别产生两路信

14、号，两路信号经过比较电路模块（黄色框图）调制后，可产生一系列等幅不等宽的矩形波Um,即SPWM波。Um经反相器处理后,生成两路相位相差180。的SPWM波,再经触发器延时后，得到两路相位相差180。并带一定死区范围的SPWM波，作为主电路中两组IGBT的控制信号。【学生】聆听、思考、理解、记忆任务实训【教师】布置实训任务：测试单相SPWM逆变电路。将全班学生以35人为一组进行分组【学生】各组选出组长并进彳五王务分工，准备任务实施所需的工具和器材，并补全表6-6（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“测试单相SPWM逆变电路”实训任务【教师】展示单相SPWM逆变电路的主

15、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I）观察SPWM波形发生器调制波和载波的波形（I）观察SPWM波形发生器调制波Ur的波形，改变Ur的频率调节电位器，测试其频率与可调范围。（2）观察SPWM波形发生器载波UC的波形，改变UC的频率调节电位器，测试其频率。（3）改变Ur的频率，再测量W的频率，判断调制方式是同步调制还是异步调制。2）观察带不同负载时电容电压的波形（1）带电阻性负载时。在主电路6、7端接入电阻性负载，连接主电路1、3端。接通主电源，分别调节Ur和Lk的频率，然后用示波器观察电容电压（6、9端电压）的波形，记录其幅值、频率、波纹的变化。（2）带阻感性负载时。在主电路6、7端接入阻感性负载,连接主电路1、3端。接通主电源,分别调节Ur和UC的频率，然后用示波器观察电容电压（6、9端电压）的波形，记录其幅值、频率、波纹的变化.（3）请对比带电阻性负载和带阻感性负载两种情况下，不