《新能源汽车电力电子技术》电子教案 项目四 任务四 滤波电路认知及检测

《新能源汽车电力电子技术》教案PAGEPAGE12课题滤波电路认知及检测教学目标能力目标1.会检测滤波电路。2.通过实际操作提高动手能力，能够熟练使用实验仪器和工具，解决实际操作中的问题。3.在遇到实验问题时，能够分析原因，提出解决方案，并加以实施。知识目标1.理解滤波电路的工作原理，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器的特性和用途。2.了解滤波电路在各种电子设备中的应用，如电源滤波、信号处理和通信系统。素质目标1.细心与耐心。在搭建和测试滤波电路时保持细心和耐心，确保电路连接正确，测量数据准确。2.科学严谨。具备科学严谨的工作态度，注重实验过程的每一个细节，保证实验结果的准确性和可靠性。教学重点滤波电路的检测教学难点滤波电路的工作原理教学准备投影仪、示波器、频谱分析仪、功率计、电子负载、信号发生器、教材。课型理实一体课授课课时2课时教学过程教学内容教学方法与手段时间一、导入滤波器是一种电子元件或电路，用于滤除信号中的特定频率成分。根据其用途和设计，滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。低通滤波器允许低频信号通过，阻止高频信号；高通滤波器则相反，允许高频信号通过，阻止低频信号。滤波器在电子电路中应用广泛，能够改善信号质量，减少噪声和干扰。如何诊断滤波器优劣，判断滤波器是否工作正常，会调试滤波器是本任务主要内容。讲授法；多媒体课件2分钟二、教学实施1、资讯一、滤波电路的种类通常，按照滤波电路的工作频带为其命名，分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。截止频率为fp，频率低于fp的信号能够通过，高于fp的信号被衰减的滤波电路称为低通滤波器；反之，频率高于fp的信号能够通过，而频率低于设低频段的截止频率为fp1，高频段的截止频率为fp2，频率为fp1到fp2之间的信号能够通过，低于fp1或高于全通滤波器对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数，但对于不同频率的信号将产生不同的相移，可根据相移来检测信号的频率，理想滤波电路的幅频特性如图4-4-1所示。允许通过的频段称为通带，将信号衰减到零的频段称为阻带。图4-4-1理想滤波电路的幅频特性(a)LPF的幅频特性(b)HPF的幅频特性(c)BPF的幅频特性(d)BEF的幅频特性实际上，任何滤波器均不可能具备图4-4-1所示的幅频特性，在通带和阻带之间存在着过渡带。称通带中输出电压与输入电压之比Aup为通带放大倍数。图4-4-2所示为某低通滤波器的实际幅频特性，Aup是频率等于零时输出电压与输入电压之比，使Au≈0.707Aup的频率为通带截止频率fp，从f图4-4-2低通滤波器的实际幅频特性对于LPF、HPF、BPF和BEF，分析滤波电路就是研究其幅频特性，即求解出Aup、f二、无源滤波电路和有源滤波电路若滤波电路仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成，则称为无源滤波电路。若滤波电路由无源元件和有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)共同组成，则称为有源滤波电路。1.无源低通滤波器图4-4-3(a)所示为RC低通滤波器，当信号频率趋于零时，电容的容抗趋于无穷大，故通带放大倍数Aup=Uo图4-4-3RC低通滤波器及其幅频特性(a)电路(b)幅频特性频率从零到无穷大时的电压放大倍数Au=UoU令fpAu=Uo其模为A当f=f当f≫fp时，A当图4-4-3(a)所示电路带上负载(如图4-4-3(a)中虚线所示)后，通带放大倍数变为Au=Uo电压放大倍数为Au=UoAu=UoU式（4-4-6）表明，带负载电阻后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。可见，无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点常不符合对信号处理电路的要求，因而产生有源滤波电路。2.有源滤波电路为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻、低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，如图4-4-4所示，这样就构成了有源滤波电路。在理想运放的条件下，由于电压跟随器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零，因而Up仅决定于RC的取值。输出电压Up，所以电压放大倍数与式（在理想运放的条件下，由于电压跟随器的输入电阻为无穷大，输出电阻为零，因而Up仅决定于RC的取值。输出电压Uo=图4-4-4有源滤波电路有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起滤波作用，与此同时还可以进行放大。组成电路时应选用带宽合适的集成运放。有源滤波电路不适于高电压大电流的负载，只适用于信号处理。通常，直流电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时，应采用LC(电感、电容)电路。三、电容滤波电路整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流成分，不能适应大多数电子电路及设备的需要。因此，一般在整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：均采用无源电路；理想情况下，滤去所有交流成分，而只保留直流成分；能够输出较大电流；而且，因为整流管工作在非线性状态(即导通或截止)，故而滤波特性的分析方法也不尽相同。电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路，如图4-4-5(a)所示。滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。图4-4-5单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形分析(a)电路(b)理想情况下的波形(c)考虑整流电路内阻时的波形当变压器二次电压u2处于正半周并且数值大于电容两端电压uc时，二极管D1、D3导通，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。因为在理想情况下，变压器二次侧无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压uc（uL）与u2相等，见图4-4-5(b)中曲线的ab段。当u2上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻RL放电，其电压uc也开始下降，趋势与u2基本相同，见图(b)中曲线的bc段。但是由于电容按指数规律放电，所以当u2下降到一定数值后，uc的下降速度小于u2的下降速度，使uc大于当u2的负半周幅值变化到恰好大于uc时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对电容C充电，uc上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2、D4变为截止，电容C从图4-4-5(b)所示波形可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。若考虑变压器内阻和二极管的导通电阻，则uc的波形如图4-4-5从以上分析可知，电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，即变压器内阻和二极管的导通电阻之和，其数值很小，因而时间常数很小。电容放电时，回路电阻为RL，放电时间常数为RLC，通常远大于充电的时间常数。因此，滤波效果取决于放电时间。电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图4-4-6滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将图4-4-5(c)所示波形近似为锯齿波，如图4-4-7所示。图中T为电网电压的周期。设整流电路内阻较小而RLC较大，电容每次充电均可达到u2的峰值(Uomax=2U2)，然后按UoAV=Uomax图4-4-6RL同时按相似三角形关系可得Uomax-UominUoAV=Uomax+因而UoAV=2U2式（4-4-10）表明，当负载断路，即R=∞时，UoAV=2U2为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=(3~5)T在图4-4-7所示的近似波形中，交流分量的基波的峰-峰值为(Uomax-UominU因此脉动系数为S=T4RLC或者S=14RLC应当指出，由于图4-4-7所示锯齿波所含的交流分量大于滤波电路输出电压实际的交流分量，因而根据式（4-4-12）计算出的脉动系数大于实际数值。图4-4-8电容滤波电路中二极管在未加滤波电容之前，无论是哪种整流电路中的二极管均有半个周期处于导通状态，也称二极管的导通角θ等于π。加滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此，每只二极管的极管的导通角θ都小于π。而且RLC的值愈大，滤波效果愈好，导通角θ将愈小。由于电容滤波后输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以整流二极管在短暂的时间内将流过一个很大的冲击电流为电容充电电流为电容充电，如图4-4-8所示。这对二极管的寿命很不利，所以必须选用较大容量的整流二极管，通常应选择其最大整流平均电流当滤波电容C选定后，输出电压平均值UoAV和输出电流平均值IoAV的关系称为输出特性，脉动系数S和输出电流平均值IoAV的关系称为滤波特性。根据式（4-4-10）和（4-4-12）可画出输出特性如图4-4-9(a)所示，滤波特性如图4-4-9(b)所示。曲线表明，C越大电路带负载能力越强，滤波效果愈好；IoAV愈大(即负载电阻图4-4-9电容滤波电路的输出特性和滤波特性（a）输出特性（b）滤波特性综上所述，电容滤波电路简单易行，输出电压平均值高，适用于负载电流较小且其变化也较小的场合。四、电感滤波电路在大电流负载情况下，由于负载电阻RL很小，若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大，这就使得整流管和电容器的选择变得很困难，甚至不太可能，在此情况下应当采用电感滤波。在整流电路与负载电阻之间串联一个电感线圈L就构成电感滤波，如图4-4-10图4-4-10单相桥式整流电感滤波电路电感的基本性质是当流过它的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此，经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。整流电路输出电压可分解为两部分，一部分为直流分量，它就是整流电路输出电压的平均值UoAV，对于全波整流电路，其值约为0.9U2；另一部分为交流分量；如图4-4-10所标注。电感线圈对直流分量呈现的电抗很小，就是线圈本身的电阻R；而对交流分量呈现的电抗为ωLUoAV=RL输出电压的交流分量uo=RL从式（4-4-13）可以看出，电感滤波电路输出电压平均值小于整流电路输出电压平均值，在线圈电阻可忽略的情况下，uoAV≈0.9U2。从式（4-4-14）可以看出，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小(即负载电流愈大)，输出电压的交流分量愈小，脉动愈小。注意，只有在RL另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角等于π，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。五、复式滤波电路当单独使用电容或电感进行滤波，效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。电容和电感是基本的滤波元件，利用它们对直流量和交流量呈现不同电抗的特点，只要合理地接入电路都可以达到滤波的目的。图4-4-11(a)所示为LC滤波电路，图4-4-11(b)(c)所示为两种π型滤波电路。读者可根据上面的分析方法分析它们的工作原理。图4-4-11复式滤波电路（a）LC滤波电路（b）LCπ型滤波电路（c）RCπ型滤波电路六、各种滤波电路的比较表4-4-1中列出各种滤波电路性能的比较。构成滤波电路的电容及电感应足够大，θ为二极管的导通角，凡θ角小的，整流管的冲击电流大；凡θ角大的，整流管的冲击电流小。表4-4-1各种滤波电路性能的比较讲授法、情景教学法；多媒体课件、实物演示20分钟2、训练布置任务：新能源汽车电机驱动滤波器检测。分组讨论，小组交流：学生分成两组，依据布置的任务制定出任务实施计划，确定工作步骤和顺序，并进行交流。表4-4-2工具明细序号名称型号及规格数量1示波器KeysightDSOX2002A12频谱分析仪：RigolDSA815若干3功率计YokogawaWT300E若干4电子负载BKPrecision85001个5信号发生器Keysight33600A1个一、新能源汽车电机驱动滤波器检测1.实训背景某新能源汽车电机驱动系统中使用了一种LC滤波器，用于减少电机驱动器产生的高频谐波。为了确保滤波器性能，需要进行全面的检测。2.实训目标测试LC滤波器的频率响应特性。评估滤波器在不同负载下的性能。分析并解决滤波器可能出现的故障。3.实训设备示波器：KeysightDSOX2002A频谱分析仪：RigolDSA815功率计：YokogawaWT300E电子负载：BKPrecision8500信号发生器：Keysight33600A4.实训步骤4.1准备工作确认所有设备连接正确。LC滤波器参数：L=1mH，C=10μF。配置测试电路：信号发生器连接到滤波器输入端，示波器和频谱分析仪分别连接到滤波器的输入和输出端。4.2滤波器特性测量步骤1：输入输出波形观察使用信号发生器生成1kHz的正弦波，振幅为10V。通过示波器观察输入和输出波形。记录波形幅度和相位变化。步骤2：频率响应测量使用频谱分析仪测量滤波器的频率响应。逐步调整信号发生器的频率，从100Hz到100kHz，每个频率点测量滤波器的增益和相位响应。记录每个频率点的幅度衰减（dB）和相移（度）。4.3滤波器性能评估步骤3：功耗测量在不同频率和不同负载条件下（例如，1kΩ、500Ω、100Ω）使用功率计测量滤波器的功耗。比较不同条件下的功耗，评估滤波器的效率。步骤4：负载条件测试使用电子负载模拟不同工况，观察滤波器在不同负载下的输出波形和频率响应。记录在高负载条件下滤波器的性能变化，分析其稳定性。4.4故障分析和排除步骤5：模拟故障模拟滤波器过热故障：使用电热器加热滤波器，观察其性能变化。模拟滤波器短路故障：在电路中人为制造短路，观察对滤波器输出的影响。步骤6：故障排除使用万用表测量滤波器的电感和电容值，检查是否有偏离设计值的情况。检查电气连接是否牢固，接触是否良好。根据检测结果，建议更换损坏的电感或电容，重新焊接电气连接。5.数据记录与分析详细记录每个测试步骤中的测量数据，包括输入输出波形、频率响应曲线、功耗数据等。对比不同工况下的数据，分析滤波器性能的优劣。针对模拟故障的数据，找出故障原因并提出解决方案。6.实训总结通过上述实训，学生可以全面了解LC滤波器的性能检测方法，掌握滤波器在新能源汽车中的应用及其可能出现的故障处理技巧。这对于提高新能源汽车的电力系统稳定性和可靠性具有重要意义。7.注意事项操作过程中务必遵守安全规定，避免触电等危险。实验过程中，设备的正确使用和数据的准确记录至关重要。结束后，整理设备和数据，确保实验室的整洁和设备的完好讨论法、演示法；实物26分钟3、项目检查对学生完成的任务工单结果给予检查，且将检测结果与标准检测值对比。检查作业工单完成情况。项目教学法；实物演示12分钟4、总结评价对学生的表现和操作结果进行评价项