電力電子技術(shù)仿真教學(xué)改革與實(shí)踐

曹勇?吳峰

摘要：針對電力電子技術(shù)課程提出仿真教學(xué)模式，以增強(qiáng)學(xué)生對電力電子系統(tǒng)的正確理解并提高學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。大力開展仿真教學(xué)模式可以大大提高教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)的教學(xué)效果。以三相橋式全控整流電路為例，詳細(xì)說明了仿真教學(xué)過程，包括不同負(fù)載下的工作波形分析及電路擴(kuò)展應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)。幾年的教學(xué)結(jié)果表明，仿真教學(xué)模式可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力，并為后續(xù)課程設(shè)計(jì)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；仿真；教學(xué)改革；過程分析

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0101-03

高校電類專業(yè)中，電力電子技術(shù)是自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、電子信息工程等多個(gè)專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。該門課程涉及電力電子器件、電力電子主電路及控制電路，集電力技術(shù)、電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)為一體，具有非常廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

電力電子技術(shù)課程具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性，因此在教學(xué)過程中十分重視對各種電力電子電路的工作原理及電壓、電流的波形分析，這樣能夠更加深入的理解電力電子器件的開關(guān)特性[3-4]。由于電力電子技術(shù)課程中將包含整流電路、逆變電路、直流-直流變流電路和交流-交流變流電路，同時(shí)又有各種不同負(fù)載分析，如電阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載及反電動(dòng)勢負(fù)載等，在此基礎(chǔ)上又包含相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算，如直流電壓、電流平均值、交流電壓、電流有效值等[5-6]，因此在該門課程的教學(xué)及學(xué)習(xí)過程中主要存在如下幾點(diǎn)問題：

（1）教學(xué)過程中由于課時(shí)的限制，教師不能在黑板上手工繪制和講解全部電路波形，而是大量采用幻燈片方式教學(xué)，造成學(xué)生不易理解。

（2）學(xué)習(xí)過程中由于各種變換電路知識(shí)點(diǎn)較多，因此會(huì)讓學(xué)生感覺到電路非常繁瑣，分析非常抽象，并從思想上認(rèn)為課程不好學(xué)。

（3）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足，使學(xué)生對電力電子器件性能及電力電子電路的應(yīng)用不能有更為深入的認(rèn)識(shí)。

以上問題均反映出教學(xué)手段及教學(xué)設(shè)計(jì)上存在不足，因此本文提出以仿真教學(xué)模式為主，同時(shí)配合傳統(tǒng)黑板手工波形繪制與計(jì)算分析為輔的復(fù)合型教學(xué)模式，不僅可以大大提高教學(xué)效率、教學(xué)效果，同時(shí)可以幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力，使得更為深入理解電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。該種教學(xué)模式的深入開展，對電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)以及開放性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是非常有益的。

一、電力電子技術(shù)仿真教學(xué)改革

電力電子技術(shù)課程內(nèi)容量大、知識(shí)點(diǎn)多、既有理論分析又有實(shí)際電路應(yīng)用。以我校自動(dòng)化專業(yè)為例，采用王兆安老師主編的《電力電子技術(shù)》第五版教材，課程內(nèi)容將涉及電力電子器件、電力電子電路（AC-DC整流電路、DC-AC逆變電路、DC-DC直流-直流變流電路、AC-AC交流-交流變流電路）及電路控制技術(shù)（PWM、軟開關(guān)），課時(shí)安排為56學(xué)時(shí)，其中8學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在48學(xué)時(shí)的理論教學(xué)內(nèi)容中，除緒論、習(xí)題課和總復(fù)習(xí)占4學(xué)時(shí)外，電力電子器件占4學(xué)時(shí)，電力電子電路占34學(xué)時(shí)，PWM控制與軟開關(guān)技術(shù)占6學(xué)時(shí)。由上可見，電力電子電路占理論教學(xué)學(xué)時(shí)的70%，但是該部分的實(shí)際教學(xué)內(nèi)容非常多，以整流電路部分為例，將主要涉及到兩大類（單相整流、三相整流）、四小類（單相半波整流、單相橋式整流、三相半波整流、三相橋式整流）、三種負(fù)載（電阻性、阻感性、反電動(dòng)勢）及多種電路變換形式（如帶續(xù)流二極管），其中每種電路還要分析不同觸發(fā)角（如30度、60度、90度、120度等）控制下的電路工作原理、電壓和電流波形圖（如負(fù)載直流電壓、負(fù)載直流電流、晶閘管承受電壓、晶閘管流過電流、交流電流等）、電量參數(shù)計(jì)算（如直流平均值、交流有效值）。如此復(fù)雜的電路教學(xué)過程，若僅靠傳統(tǒng)黑板板書及幻燈片教學(xué)模式進(jìn)行講解，將不能在有限的課時(shí)時(shí)間內(nèi)，既完成教學(xué)內(nèi)容，又讓學(xué)生深入理解各種電路的工作過程，其結(jié)果是學(xué)生沒能抓住電力電子電路學(xué)習(xí)的根本，不具有分析和設(shè)計(jì)電力電子電路的能力。

電力電子技術(shù)的仿真教學(xué)改革就是要改變上述由于教學(xué)內(nèi)容多、課程內(nèi)容復(fù)雜、課時(shí)分配少而帶來的教學(xué)和學(xué)習(xí)問題，其改革的內(nèi)容就是在有效的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，通過仿真軟件搭建電力電子電路并進(jìn)行仿真波形分析與工作原理講解的教學(xué)模式，該模式不僅能把教學(xué)基本內(nèi)容講授清楚，同時(shí)能大大提高學(xué)生對課程教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)的理解和把握，達(dá)到事半功倍的效果。

仿真教學(xué)改革中采用MATLAB仿真軟件，其中的電力系統(tǒng)模型庫包含電源模塊庫、電器元件模塊庫、電機(jī)模塊庫、電力電子元件模塊庫、連接件模塊庫、測量儀器模塊庫和其他電氣模塊庫。通過使用Simulink模塊庫組成電力電子控制電路，使用電力系統(tǒng)模塊庫組成電力電子主電路和驅(qū)動(dòng)電路，可以較為容易的分析和設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的電力電子電路，可以深入的研究和觀察電力電子電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

二、仿真教學(xué)過程實(shí)例分析

由于電力電子技術(shù)課程中的各種電路形式復(fù)雜多樣，因此以三相橋式全控整流電路為例，來說明電力電子技術(shù)的仿真教學(xué)過程。三相橋式全控整流電路在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要位置，大量用于電解、電鍍、直流電機(jī)傳動(dòng)、勵(lì)磁等場合，因此該電路是電力電子技術(shù)課程的重點(diǎn)內(nèi)容。

三相橋式全控整流電路為如上所述教材的3.2.2節(jié)內(nèi)容，主要包括電路原理圖、電阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載工作情況三部分內(nèi)容。該節(jié)課程的知識(shí)目標(biāo)定位于掌握三相橋式全控整流電路的組成、特點(diǎn)及應(yīng)用，理解三相橋式全控整流電路的工作原理；能力目標(biāo)定位于能夠根據(jù)電路圖搭建相應(yīng)電路并進(jìn)行測量，同時(shí)能夠根據(jù)任務(wù)要求開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。該節(jié)課程的仿真教學(xué)過程中首先讓學(xué)生掌握電路結(jié)構(gòu)，然后針對不同負(fù)載情況下，讓學(xué)生理解工作原理并學(xué)會(huì)波形分析及參數(shù)定量計(jì)算，最后結(jié)合“自動(dòng)控制原理”及“電機(jī)學(xué)”課程相關(guān)內(nèi)容，給出仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，目的讓學(xué)生逐步進(jìn)入狀態(tài)，逐步掌握學(xué)習(xí)這門課的方法，下面給出仿真教學(xué)中需要注意的教學(xué)重點(diǎn)，其它教學(xué)部分可參考相應(yīng)教材，這里不再贅述。

1.三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)

該部分首先介紹三相橋式全控整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，它區(qū)別于單相整流與三相半波整流，具有功率大、直流脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用幻燈片播放實(shí)際應(yīng)用案例的形式，來增強(qiáng)學(xué)生對該部分內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)，并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，介紹該電路中包含六個(gè)晶閘管元件，是目前學(xué)習(xí)中器件最多的電路，需要學(xué)生們認(rèn)真理解六個(gè)晶閘管器件的觸發(fā)工作過程。再次，采用MATLAB仿真軟件搭建三相橋式全控整流電路原理圖，如圖1所示。

搭建的過程中，一定要強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：①晶閘管器件編號(hào)務(wù)必為共陰極組內(nèi)VT1、VT3、VT5，共陽極組內(nèi)VT4、VT6、VT2；②晶閘管門極觸發(fā)脈沖順序務(wù)必為VT1-VT6；③晶閘管觸發(fā)脈沖相位間隔60度。

2.帶電阻性負(fù)載情況分析

前面講解完三相橋式全控整流電路搭建后，真正進(jìn)入到電路工作原理、波形分析及定量計(jì)算部分。進(jìn)一步完善上面仿真電路原理圖，將負(fù)載選擇為電阻性負(fù)載，并增加若干示波器觀察點(diǎn)，其中三相電源設(shè)置為幅值100V、頻率50Hz，電阻負(fù)載2Ω，仿真參數(shù)設(shè)置為仿真起始時(shí)間0.0s，結(jié)束時(shí)間0.1s，算法選擇ode23tb。

帶電阻性負(fù)載情況下的教學(xué)重點(diǎn)為：①不同觸發(fā)角下的波形分析；②負(fù)載電流的連續(xù)與斷續(xù)分析；③晶閘管的單觸發(fā)脈沖與雙觸發(fā)脈沖形式。其中難點(diǎn)內(nèi)容為連續(xù)與斷續(xù)狀態(tài)下的脈沖形式。

首先通過仿真詳細(xì)講解30度觸發(fā)角時(shí)的波形情況，要求學(xué)生在給定電源條件下能夠正確理解觸發(fā)脈沖、直流負(fù)載電壓、直流負(fù)載電流、晶閘管承受電壓和交流電源電流的波形，具體如圖2所示。講授過程中需要注意：①觸發(fā)角的觸發(fā)時(shí)刻，由于三相整流電路的自然換相點(diǎn)對應(yīng)A相電壓波形的30度位置，因此30度觸發(fā)角情況下的晶閘管VT1觸發(fā)時(shí)刻為60度位置，換算成時(shí)間為0.0033s；②將整個(gè)電源周期分成6段，每段先確定6個(gè)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，再分析其他電量；③特別注意強(qiáng)調(diào)線電壓波形及波形畫法。

然后，利用仿真教學(xué)的優(yōu)勢進(jìn)一步講解如上教學(xué)重點(diǎn)要求，如圖3所示為60度和90度觸發(fā)角下的晶閘管觸發(fā)脈沖情況和直流輸出電壓波形情況。圖中可以清楚的看到60度觸發(fā)角為負(fù)載電壓和電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界點(diǎn)，90度觸發(fā)角時(shí)清楚的看到負(fù)載電流為斷續(xù)狀態(tài)，同時(shí)各個(gè)觸發(fā)脈沖為保證電流斷續(xù)下正常工作而變成雙觸發(fā)脈沖形式。

為了讓學(xué)生能夠更深入的理解電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況，在仿真教學(xué)過程中，可以采取更小的脈沖角度間隔對多個(gè)觸發(fā)角進(jìn)行多次仿真，這樣更能深入理解隨著觸發(fā)角的增加，直流負(fù)載電壓不斷降低的過程。

3.帶阻感性負(fù)載情況分析

當(dāng)三相橋式全控整流電路帶阻感性負(fù)載工作時(shí)，其特點(diǎn)就是能保證負(fù)載電流續(xù)流而不出現(xiàn)斷續(xù)的狀態(tài)，因此該部分的教學(xué)重點(diǎn)為：①讓學(xué)生能夠清楚的理解整個(gè)移相范圍內(nèi)負(fù)載電流總是連續(xù)的工作狀態(tài)；②由于電感的作用，負(fù)載電壓會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分；③大電感狀態(tài)下，負(fù)載電流近似為一條直線。圖4為觸發(fā)角為90度時(shí)三相橋式全控整流電路的波形情況，與圖3中觸發(fā)角為90度情況進(jìn)行對比，可以清楚的看出阻感性負(fù)載時(shí)的直流負(fù)載電壓波形既有正向波形，又有負(fù)向波形，負(fù)載電流波形始終處于連續(xù)狀態(tài)，同時(shí)還可以通過仿真教學(xué)清楚的展示電感為5mH和200mH時(shí)的直流電流波形，其中5mH時(shí)電流波形脈動(dòng)較大，而200mH時(shí)電流波形脈動(dòng)較小，近似為一條直線，這也充分說明當(dāng)電感值為200mH時(shí)，感抗相對于阻抗來說充分大。

4.仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)：直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

完成如上規(guī)定的仿真教學(xué)任務(wù)后，可以給學(xué)生布置相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，結(jié)合直流電機(jī)原理和閉環(huán)控制原理，安排直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以安排在實(shí)驗(yàn)課中完成或課后自行完成。仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)如下：

（1）仿真參數(shù)設(shè)置：仿真起始時(shí)間0.0s，結(jié)束時(shí)間5s，算法選擇ode23tb。

（2）系統(tǒng)要求跟蹤恒值速度給定500r/min。

（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)定為比例控制，要求分析不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩、不同轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)下的電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速波形。

這里給出用于教學(xué)參考的系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖及電機(jī)電壓和電流波形，如圖5和圖6所示。由于直流電機(jī)為阻感性負(fù)載，因此通過仿真實(shí)驗(yàn)可以更深入的認(rèn)識(shí)阻感性負(fù)載下的三相橋式全控整流電路的工作過程，直流負(fù)載電壓即電機(jī)供電電壓有正負(fù)波形，直流負(fù)載電流即電機(jī)電樞電流為連續(xù)狀態(tài)且近似為一條直線，轉(zhuǎn)速波形由學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中自行觀察。

三、結(jié)論

本文提出的電力電子技術(shù)仿真教學(xué)模式，通過搭建電力電子系統(tǒng)主電路和控制電路并進(jìn)行波形仿真的方法，能夠使學(xué)生更加深入的理解電路結(jié)構(gòu)圖、電路工作原理、電量波形及參數(shù)計(jì)算。仿真教學(xué)模式不僅能夠大大提高學(xué)生對教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)難點(diǎn)的正確理解，同時(shí)對學(xué)生進(jìn)行后續(xù)課程設(shè)計(jì)、開放性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)及相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作奠定了知識(shí)能力基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]王云亮.電力電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]龔建芳.基于MATLAB的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式探討[J].中國電力教育，2013，（16）：63-65.

[4]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]俞騁.MATLAB仿真在職業(yè)學(xué)校電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2014，（3）：92-93.

[6]榮軍，萬軍華，等.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)難點(diǎn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）：103-105.

（責(zé)任編輯：韓曉英）