模擬仿真在《電力電子技術(shù)》教學(xué)中的應(yīng)用研究①

陸興娟，馮晶晶，顧玉娥

[摘 要] 模擬仿真教學(xué)在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠提高學(xué)生對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的理解。以三相全控橋式整流電路排故為例，詳細(xì)說(shuō)明了模擬仿真教學(xué)過(guò)程，電路中不同地點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)的負(fù)載上出現(xiàn)的電壓波形。從而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，從負(fù)載上的電壓波形，能夠正確判斷設(shè)備中的故障點(diǎn)。

[關(guān) 鍵 詞] 電力電子技術(shù)；模擬仿真；故障

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）09-0110-04

高職電類專業(yè)肩負(fù)著為電氣行業(yè)培養(yǎng)高端技能型專門人才的重任。由于電力電子技術(shù)相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備有高電壓、大容量、自動(dòng)化程度高、連續(xù)運(yùn)行、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性、安全性、可靠性，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)很難安排電類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)。近年來(lái)，隨著仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體教學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高職院校在電力電子教學(xué)中結(jié)合電氣生產(chǎn)、建設(shè)和發(fā)展的情況，積極組織開(kāi)發(fā)仿真教學(xué)項(xiàng)目，開(kāi)展仿真項(xiàng)目教學(xué)，為電類行業(yè)培養(yǎng)了大批高端技能專門人才。

教高司函〔2013〕94號(hào)文件指出：為貫徹落實(shí)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》（教高〔2012〕4號(hào)）精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，經(jīng)研究決定開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作?？梢?jiàn)，仿真教學(xué)得到了國(guó)家政策的大力支持。目前有很多軟件，比如matlab、proteus等都為電類專業(yè)課的教學(xué)提供了仿真條件。高職教學(xué)要緊跟技術(shù)進(jìn)步，利用仿真技術(shù)，積極開(kāi)發(fā)接近企業(yè)的典型工作情景的仿真模型，模擬實(shí)際的電氣系統(tǒng)的運(yùn)行、檢修和故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)交互、師生互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境，為培養(yǎng)電類專業(yè)高端技能型專門人才創(chuàng)造教學(xué)條件。所以仿真教學(xué)是高職教學(xué)的必然趨勢(shì)。

課程的教學(xué)內(nèi)容融入與高級(jí)維修電工的國(guó)家職業(yè)資格考證相關(guān)內(nèi)容；開(kāi)發(fā)《電力電子技術(shù)》課程相關(guān)的模擬仿真模型，實(shí)現(xiàn)模擬仿真實(shí)踐化教學(xué)。

一、電力電子技術(shù)模擬仿真教學(xué)改革

電力電子技術(shù)課程內(nèi)容主要是波形分析，所以非常抽象，很難理解。我們學(xué)校的電氣自動(dòng)化專業(yè)采用的是馬宏騫老師主編的《電力電子技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目教程》教材。教材內(nèi)容包括七個(gè)項(xiàng)目：分別是項(xiàng)目1晶閘管，項(xiàng)目2可控整流器，項(xiàng)目3有源逆變器，項(xiàng)目4全控型電力電子器件，項(xiàng)目5變頻器，項(xiàng)目6直流斬波器，項(xiàng)目7交流變換器。課時(shí)安排為48學(xué)時(shí)，其中8學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)學(xué)，電力電子技術(shù)的理論占總學(xué)時(shí)的83%。但是理論教學(xué)內(nèi)容非常多，在有限的教學(xué)課時(shí)內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容，把難點(diǎn)講解透徹是比較困難的。比如，項(xiàng)目2的可控整流器部分，主要內(nèi)容有單相整流（單相半波整流、單相全控橋式整流）和三相整流（三相半波整流、三相全控橋式整流），每一種整流電路又按照電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載、電感性負(fù)載接續(xù)流二極管三種不同的負(fù)載進(jìn)行分析。每種電路還要分析在不同控制角的情況下的電路工作原理，分析負(fù)載電壓、負(fù)載電流、晶閘管上的電壓的波形，電量的參數(shù)計(jì)算等。如此復(fù)雜的電路分析過(guò)程，僅僅依靠PPT、黑板板書等方式來(lái)進(jìn)行講解，既無(wú)法完成教學(xué)內(nèi)容，又無(wú)法讓學(xué)生深刻地理解各電路的工作過(guò)程，也就無(wú)法對(duì)電路出現(xiàn)的故障進(jìn)行排除，無(wú)法具體設(shè)計(jì)電力電子電路的能力。

《電力電子技術(shù)》課程的模擬仿真教學(xué)就是要改變上述的教學(xué)和學(xué)習(xí)的問(wèn)題。課程的教學(xué)內(nèi)容融入與高級(jí)維修電工的國(guó)家職業(yè)資格考證相關(guān)內(nèi)容要求；開(kāi)發(fā)課程仿真教學(xué)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)踐化教學(xué)；學(xué)生下載仿真軟件，讓課堂教學(xué)延伸到課外，學(xué)生可以在課外進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、探究。

二、模擬仿真教學(xué)過(guò)程實(shí)例分析

電力電子技術(shù)在高級(jí)維修電工國(guó)家職業(yè)資格考證中的內(nèi)容是三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載的連接和故障排除。由于實(shí)際過(guò)程比較復(fù)雜，我們先用仿真，設(shè)置故障得到相應(yīng)的仿真波形，從而在實(shí)際過(guò)程中看到示波器的波形就可以正確判斷故障點(diǎn)在哪里。

以三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載，控制角0度時(shí)的輸出電壓為例。

（一）正確的波形

圖1是三相全控橋式整流電阻性負(fù)載的電路圖。圖2是三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載，控制角為0度時(shí)在MATLAB仿真軟件中搭建的仿真模型以及負(fù)載上的電壓波形。正確的波形是一個(gè)周期中由6個(gè)相同的波形（Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb）組成，每個(gè)波頭60度。

（二）少了二個(gè)波頭

如果仿真示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uab、Uac二個(gè)波頭。（如圖3所示）

從仿真模型中清楚地看出，a相電壓和Vt1晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt1晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uac、Uab這兩個(gè)波形。只要Vt1不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少這兩個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt1不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt1晶閘管本身壞了、Vt1的脈沖Ug1沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)、Vt1連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖3所示的電壓波形。

如果仿真示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Ubc、Uba二個(gè)波頭。（如圖4所示）

從仿真模型中清楚地看出b相電壓和Vt3晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt3晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Ubc、Uba這兩個(gè)波形。只要Vt3不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少這兩個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt3不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt3晶閘管本身壞了、Vt3的脈沖Ug3沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)、Vt3連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖4所示的電壓波形。

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uca、Ucb二個(gè)波頭。（如圖5所示）

從仿真模型中清楚地看出c相電壓和Vt5晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt5晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uca、Ucb這兩個(gè)波形。只要Vt5不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這兩個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt5不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt5晶閘管本身壞了、Vt5的脈沖Ug5沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)、Vt5連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖5所示的電壓波形。

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uba、Uca二個(gè)波頭。（如圖6所示）

從仿真模型中清楚地看出a相電壓和Vt4晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt4晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uba、Uca這兩個(gè)波形。只要Vt4不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這兩個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt4不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt4晶閘管本身壞了、Vt4的脈沖Ug4沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)、Vt4連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖6所示的電壓波形。

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uab、Ucb二個(gè)波頭。（如圖7所示）

從仿真模型中清楚地看出b相電壓和Vt6晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt6晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uab、Ucb這兩個(gè)波形。只要Vt6不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這兩個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt6不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt6晶閘管本身壞了、Vt6的脈沖Ug6沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)、Vt6連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖7所示的電壓波形。

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uac、Ubc二個(gè)波頭。（如圖8所示）

從仿真模型中清楚地看出c相電壓和Vt2晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt2晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uac、Ubc這兩個(gè)波形。只要Vt2不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這兩個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt2不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt2晶閘管本身壞了、Vt2的脈沖Ug2沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)、Vt2連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖8所示的電壓波形。

（三）少了四個(gè)波頭

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Ubc、Uba、Uca、Ucb四個(gè)波頭。（如圖9所示）

從仿真模型中清楚地看出b相電壓和Vt3閘管的連線斷開(kāi)了，c相電壓和Vt5晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt3、T5兩個(gè)晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Ubc、Uba、Uca、Ucb這四個(gè)波形。只要Vt3、Vt5不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這四個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt3、Vt5不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt3、Vt5晶閘管本身壞了；Vt3、Vt5的脈沖Ug3、Ug5沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)；Vt3、Vt5連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖9所示的電壓波形。

負(fù)載電壓波形

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uac、Uab、Uca、Ucb四個(gè)波頭。（如圖10所示）

負(fù)載電壓波形

從仿真模型中清楚地看出a相電壓和Vt1晶閘管的連線斷開(kāi)了，c相電壓和Vt5晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt1、Vt5兩個(gè)晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uac、Uab、Uca、Ucb這四個(gè)波形。只要Vt1、Vt5不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這四個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt1、Vt5不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt1、Vt5晶閘管本身壞了；Vt1、Vt5的脈沖Ug1、Ug5沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)；Vt1、Vt5連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖10所示的電壓波形。

如果示波器測(cè)得每個(gè)周期中負(fù)載電壓波形與正確的波形相比少了Uab、Uac、Ubc、Uba四個(gè)波頭。（如圖11所示）

負(fù)載電壓波形

從仿真模型中清楚地看出a相電壓和Vt1閘管的連線斷開(kāi)了，b相電壓和Vt3晶閘管的連線斷開(kāi)了，所以Vt1、Vt3兩個(gè)晶閘管不可能導(dǎo)通，從而在負(fù)載中缺少Uab、Uac、Ubc、Uba這四個(gè)波形。只要Vt1、Vt3不導(dǎo)通，負(fù)載電壓就會(huì)少掉這四個(gè)波頭，那么導(dǎo)致Vt1、Vt3不能導(dǎo)通的原因還有可能是：Vt1、Vt3晶閘管本身壞了；Vt1、Vt3的脈沖Ug1、Ug3沒(méi)有傳送過(guò)來(lái)；Vt1、Vt3連接到負(fù)載端斷開(kāi)，因此只要存在上述故障，負(fù)載上就是如圖11所示的電壓波形。

總之，上述分析方法同樣適用于三相全控橋式電感性負(fù)載或反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的電路，由此可見(jiàn)，熟悉了利用波形來(lái)分析故障方法，就可以通過(guò)波形來(lái)判斷故障的位置。

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