EMTP和C++Builder在高電壓試驗技術課程教學中的應用

【摘 要】本文根據(jù)高電壓試驗技術課程的特點及教學過程中存在的問題，以倍壓電路的充電過程為例，提出利用EMTP結合C++Builder軟件輔助課堂教學的改革措施。程序的演示結果表明：本教學方法將倍壓電路復雜的充電過程形象化和具體化，大大方便和加深了初學者對倍壓電路充電過程的理解，有利于提高教學質(zhì)量。

【關鍵詞】高電壓試驗技術 EMTP C++Builder 倍壓電路 充電

【中圖分類號】TM832 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）07-0005-03

一 課程特點

由于高電壓技術學科發(fā)展的不完善性導致電介質(zhì)的關鍵參數(shù)（如介電、導電和電氣強度等參數(shù)）不像電氣工程中的其他課程，如電力系統(tǒng)自動化、電磁場、電路等關鍵參數(shù)可以通過計算獲得，在高電壓技術中關鍵參數(shù)很大程度上還是依賴實驗。因此，高電壓試驗技術在高電壓技術專業(yè)課程體系中的地位突出。它是該專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，該課程學習過程需要運用以前學過的高等數(shù)學、電路、電磁場工程、電機學和電力電子等課程的相關知識，它涉及工頻高壓、直流高壓、沖擊高壓和沖擊大電流的產(chǎn)生及測量，知識面較廣，比較抽象，學生學習難度較大。

倍壓整流電路是直流高壓串級發(fā)生器的基本單元，其充電過程涉及多點電位間的關系及硅堆的導通和截止。雖然教材中也給出了各個階段硅堆導通的信息，但還是比較抽象，初學者難以清晰把握整個充電過程硅堆導通和截止情況，學生普遍難以理解，影響教學效果。針對這種情況，非常有必要將倍壓電路充電過程形象化、具體化。為實現(xiàn)這個目標，本文在EMTP中搭建倍壓電路模型，將得到的各點隨時間變化的電位值存儲為數(shù)據(jù)文件，然后在C++Builder中編程導入該數(shù)據(jù)文件，可以隨使用者要求自動或手動演示倍壓電路充電過程中各點電位和硅堆導通情況。該軟件可加深學生對倍壓電路充電過程的理解，提高學生的學習興趣。

二 EMTP和C++Builder軟件介紹

Electromagnetic Transients Program（EMTP）是目前國際上廣泛使用的電磁暫態(tài)計算程序。它在1984年由美國能源部邦維爾電管局（BPA）主導開發(fā)。經(jīng)過數(shù)十年的使用和演變，EMTP已衍生出多個版本系統(tǒng)，其中ATP（The Alternative Transients Program）-EMTP程序應用最為廣泛。與以前EMTP分析一個電磁暫態(tài)問題需要輸入很多復雜的專業(yè)性數(shù)據(jù)不同，ATP-EMTP提供了很多元器件的封裝模塊，是一個圖形化、鼠標驅(qū)動的可視化軟件，建模和結果的分析非常方便。ATP-EMTP程序的基本功能就是對電力系統(tǒng)進行仿真計算，分析其在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下，各個參量隨時間變化的情況。同時，它也廣泛應用于電力電子領域的仿真計算。考慮到ATP-EMTP（簡稱為EMTP）強大的功能、方便使用以及業(yè)界廣泛接受性，本文選擇它進行仿真分析倍壓電路充電過程中各點電位變化情況。

EMTP固然可以計算獲得倍壓電路各點電位隨時間變化的數(shù)據(jù)，但其本身無法演示各點電位隨時間變化的過程，也無法顯示硅堆的導通和截止狀態(tài)，而這些正是可視化編程語言C++Builder的強項。C++Builder 6.0是由Borland公司推出的一款高性能可視化集成開發(fā)工具。它具有快速的可視化開發(fā)環(huán)境：只要簡單地把控件拖到窗體、定義一下它的屬性、設置一下它的外觀，就可以快速地建立應用程序界面。它內(nèi)置了100多個完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴展性的可重用控件，這進一步加快了開發(fā)效率。通過這些控件可與用戶輕松交互、根據(jù)要求載入圖像、顯示數(shù)據(jù)及其對應的波形，完全可以滿足倍壓電路充電過程動態(tài)演示的目的。因此，本文選擇C++Builder 6.0將EMTP仿真產(chǎn)生的倍壓電路各點電位數(shù)據(jù)進行動態(tài)的顯示。

三 EMTP和C++Builder在高電壓試驗技術課程教學中的應用

1.EMTP中的建模

要演示的倍壓電路如圖1所示。

T：工頻試變；D1和D2：整流

元件（硅堆）；C1和C2：濾波電容。

該電路的基本充電過程：（1）當

1點電位小于0時D2導通，電源通

過D2對C1充電。（2）當1點電位大

于2點電位時D1導通，電源對C1

和C2充電。如果變壓器二次側峰值

電壓為Um，充電完成后C1和C2上電壓分別為Um和2Um。

對應在EMTP中的建模結果為：

相關參數(shù)設置如下：電源電壓u（t）=Acos（2πf+φ），峰值A為100kV，頻率f為50Hz；初始相位φ為270°。電容C1=C2=1μF，Ks值均設置為0；兩個二極管（硅堆）門檻電壓均設置為0V。

與圖1相比，圖2增加了一個電阻，其值R=0.05Ω。這是因為對于該電路，如果沒有電阻則無法在EMTP中仿真，

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* 華北電力大學校級教改立項項目（重大）的研究成果

而如此小阻值電阻的加入對仿真結果幾乎沒有影響。仿真得到各點電壓波形如圖3所示。

圖2 倍壓整流在EMTP 圖3 EMTP仿真得到倍壓電路中

中的建模圖 各點的電位和電容電壓波形

2.C++Builder中的編程

顯然，僅根據(jù)圖3無法清晰快速獲得在各個時間段兩個硅堆的導通和截止情況，也無法直觀演示不同時刻各個電容的充電狀態(tài)。

為了在C++Builder中編程時可以讀入這些數(shù)據(jù)，將以上得到的電位和電壓波形數(shù)據(jù)通過Pl42mat.exe存儲為MATLAB能識別的Mat格式，將這些數(shù)據(jù)在MATLAB中又存儲為單精度的浮點格式文件。

在C++Builder中開發(fā)的演示程序執(zhí)行流程如下：（1）程序啟動，同時自動讀入各點電位和電壓數(shù)據(jù)。（2）根據(jù)用戶的選擇確定采用手動模式還是自動模式。（3）根據(jù)用戶輸入或自動演示程序確定的時間，顯示從0時刻到選定的仿真時刻U30的波形，根據(jù)選定的仿真時刻對應的1、2和3點電位自動判斷硅堆的導通和截止狀態(tài)，然后載入導入對應的倍壓電路圖像。并自動顯示各點電位值。（4）用戶暫停演示或繼續(xù)演示充電流程。（5）用戶退出程序。

在C++Builder中程序設計界面如圖4所示。

圖4 C++Builder中的程序設計界面

為了使初學者能比較清晰、形象地觀察到各個硅堆及回路的導通和截止狀況，本文在程序設計上采用了如下措施：

第一，對處于不同（導通或截止）狀態(tài)的回路用不同顏色、粗細和風格的線條進行顯示，也就是說對處于導通狀態(tài)的回路其顏色為紅色、線條為實線且較粗；而對處于截止狀態(tài)的回路其顏色為灰色、線條為虛線且較細。而且導通回路的各條支路均標出了電流方向，而處于截止狀態(tài)的回路則沒有。這樣處理后，對各個回路的導通或截止狀態(tài)，初學者可一目了然觀察到，非常直觀和形象，增加了初學者的學習信心。

第二，標出各點電位及C1上的電壓，隨充電的進行動態(tài)地顯示這些變量的當前值。這樣用戶可以根據(jù)電位和電壓數(shù)據(jù)驗證圖像中顯示的硅堆和回路導通情況的正確性，同時根據(jù)導通情況分析各點電位及電容上電壓值變化的正確性。這使初學者能更容易地投入到倍壓電路的充電過程分析中，加深其對倍壓回路充電過程的理解。

第三，動態(tài)顯示了電源電壓U30從0時刻到選定仿真時刻的波形，結合該波形方便初學者對電路充電過程的分析。

同時為了方便用戶使用，增加系統(tǒng)的易用性和適合于各種不同熟悉程度的用戶，針對演示流程，系統(tǒng)設置了兩種模式供用戶自由選擇，即手動模式和自動模式。選擇手動模式時由用戶手動確定TrackBar上的當前時刻，系統(tǒng)根據(jù)用戶確定的當前時刻畫出從0時刻到當前時刻的電源電壓波形，然后調(diào)入各點電位數(shù)據(jù)判斷兩個硅堆的導通和截止狀態(tài)，進而確定各回路的導通和截止情況并載入合適的圖像，同時在各點顯示電位和電壓數(shù)據(jù)。如果用戶繼續(xù)選擇別的時間，則系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的仿真時間點重復執(zhí)行以上操作。

選擇自動模式時用戶還可以根據(jù)自己的熟悉程度和要求選擇演示速度，可以為“非?？臁薄昂芸臁薄翱臁薄爸小薄奥薄昂苈焙汀胺浅Ｂ?。一旦點擊“啟動”按鈕則系統(tǒng)會自動演示倍壓電路的狀態(tài)從0時刻到0.06s范圍內(nèi)的充電過程，用戶可以很清晰地觀察到在這3個工頻周期內(nèi)各點電位變化、電容電壓變化、硅堆及各回路的導通和截止情況。在仿真過程中用戶可隨時點擊右側按鈕，充電狀態(tài)將會被固化到這一時刻，同時該按鈕顯示為“啟動”狀態(tài)。此后用戶也可點擊該按鈕進行演示充電過程，時該按鈕顯示為“停止”狀態(tài)。

C++Builder編譯鏈接生成可執(zhí)行文件后可以脫離C++Builder在Windows平臺中運行，方便了程序的移植和應用。

3.程序演示結果的分析

倍壓整流電路硅堆的導通和截止情況有3種狀態(tài)，即D1導通D2截止（電源通過D1對C1和C2充電），D2導通D1截止（電源通過D2對C1充電）及D1和D2都截止時對應的演示結果，如圖5所示。

（a）D1導通D2截止 （b）D2導通D1截止

（c）D1和D2都截止

圖5 程序的演示

由圖5（a）可知，3點電位處于逐漸增加的時期，對原來并沒有電荷的C1和C2，1點電位必然高于2點電位，D1導通（當然D1導通后不考慮壓降1點與2點電位相等）。由于1點電位為43.79 kV，高于0點電位，故D2截止。以上分析與程序中顯示的結果，即D1為紅色實線處于導通狀態(tài)，D2為灰色虛線處于截止狀態(tài)吻合。C1和C2上電壓分別為-43.84 kV和43.79 kV，兩者幅值近似相等。這與電源對兩個電容值相等的串聯(lián)電容（電阻R=0.05Ω近似可忽略）充電的結果一致。

由圖5（b）可知，1點電位為-0.08kV高于零電位，故D2導通（實際上D2導通后不考慮壓降1點與0點電位基本相等）。而1點的電位-0.08kV明顯低于2點的電位49.98kV，故D1截止。由以上分析可知，此時電源通過D2對C1充電。這與程序中顯示的結果，即D2為紅色實線處于導通狀態(tài)，D1為灰色虛線處于截止狀態(tài)吻合。C1充電得到電壓為-24.95kV與電源電壓24.87kV幅值相近。這與真實的電源經(jīng)過一個很小電阻對電容進行充電的情況吻合。

由圖5（c）可知，1點電位為42.95kV低于2點電位49.98kV，故D1截止。同時，1點電位為42.95kV高于0點電位，故D2也截止。這與程序中顯示的結果，即D1與D2均為灰色虛線處于截止狀態(tài)吻合。

顯然，根據(jù)程序中給出圖像使用者可以一目了然地察到硅堆的導通和截止情況，而且結合給出的各點電位數(shù)據(jù)，使用者可以方便判斷硅堆導通和截止情況的正確性，同時根據(jù)充電過程也可以大致判斷各點電位的正確性。這樣可以大大加深使用者對倍壓電路充電過程的理解。

四 結束語

采用EMTP進行仿真建模，C++Builder動態(tài)顯示各點電位和硅堆導通情況，然后處于導通和截止狀態(tài)的回路區(qū)分顯示的方式可以將倍壓電路復雜的充電過程形象化和具體化，這樣使倍壓電路充電過程的理解更容易，有利于培養(yǎng)初學者對高電壓試驗技術課程的學習興趣，提高教學質(zhì)量。這種教學方式對其他相關課程的教學也具有參考價值，可推廣到更多的專業(yè)課教學中。

參考文獻

[1]張仁豫、陳昌漁、王昌長編著.高電壓試驗技術（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2009

[2]曹巖、王海宇主編.C++Builder應用程序開發(fā)實例與技巧（上冊 基礎篇）[M].西安：西安交通大學出版社，2005

[3]徐政.免費使用的電磁暫態(tài)分析程序——ATP-EMTP程序介紹[J].電網(wǎng)技術，1999（7）：64～65、69

〔責任編輯：林勁〕