“電力電子技術(shù)”課程中PWM控制技術(shù)的教學(xué)研究

鄭偉　郝保明

摘要：通過(guò)對(duì)“電力電子技術(shù)”課程內(nèi)容的梳理，明確PWM控制技術(shù)是聯(lián)接經(jīng)典變流理論與現(xiàn)代變流技術(shù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一。針對(duì)教學(xué)活動(dòng)中的瓶頸，根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)水平，合理開發(fā)課程資源，設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)的教學(xué)過(guò)程，幫助學(xué)生快速且有效地掌握重點(diǎn)知識(shí)。課堂實(shí)踐證實(shí)，教、學(xué)質(zhì)量均有改善。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；PWM；教學(xué)過(guò)程中圖分類號(hào)：G642.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-9324（2018）20-0165-03 一、引言電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的重要課程。學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握有助于其建立清晰的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)。而電力電子技術(shù)又是一個(gè)發(fā)展很迅速的學(xué)科，新理論和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與成熟。在此背景下，一方面從事電力電子及相關(guān)課程教學(xué)的教師需要持續(xù)的豐富并更新自己的知識(shí)儲(chǔ)備、優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)；另一方面，普通高校的學(xué)生作為專業(yè)知識(shí)的初學(xué)者，學(xué)習(xí)時(shí)直接從前沿知識(shí)入手是不現(xiàn)實(shí)的，這就要求教師在教學(xué)過(guò)程中處理好經(jīng)典理論和學(xué)科前沿的銜接。傳統(tǒng)電力電子技術(shù)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)的交匯點(diǎn)有很多，PWM控制技術(shù)就是其中之一。細(xì)致且多角度地將PWM控制技術(shù)講解清楚，可以幫助學(xué)生建立起從電力電子經(jīng)典理論向高級(jí)電力電子技術(shù)提升的階梯。二、關(guān)鍵知識(shí)節(jié)點(diǎn)的篩選PWM控制技術(shù)的分類方式是多樣的[1]：按直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同可分為電壓型和電流型；按電網(wǎng)側(cè)進(jìn)線的不同可分為單相、三相和多相；按橋路結(jié)構(gòu)的不同可分為半橋型和全橋型；按控制方式的不同可分為硬開關(guān)模式和軟開關(guān)模式，且以上分類方式可以彼此嵌套。因此，授課時(shí)選取具有典型特征且難度適中的電路結(jié)構(gòu)和控制方式，對(duì)學(xué)生扎實(shí)并高效的掌握PWM技術(shù)的核心思想十分重要。H型電路在電力電子教材中出現(xiàn)的頻率很高[2]，其應(yīng)用范圍包含AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC的幾乎所有需要變流的場(chǎng)合。在此選取H型電路的PWM工作模式，即單相電壓型全橋PWM整流/逆變電路，作為關(guān)鍵知識(shí)節(jié)點(diǎn)。教材中對(duì)PWM技術(shù)的闡述是由逆變模式開始的，主要介紹了使用調(diào)制法生成PMW脈沖序列，通過(guò)這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生建立一個(gè)初步的概念：PWM電路的交流側(cè)電壓uAB的波形為一系列等幅不等寬的方波。在此基礎(chǔ)上便可以進(jìn)一步的探究電路的工作特點(diǎn)。三、教學(xué)過(guò)程的推進(jìn)對(duì)H型電路PWM工作過(guò)程最經(jīng)典的描述是不同工作狀態(tài)下相量的合成[2]，只要能幫助學(xué)生掌握相量合成的過(guò)程與結(jié)果，便可保證其掌握深入學(xué)習(xí)研究PWM技術(shù)的鑰匙。下文將分步驟說(shuō)明針對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)推進(jìn)過(guò)程。（一）整流過(guò)程的分析H型電路工作于整流模式下，其功率因數(shù)可以達(dá)到1，即圖中的電網(wǎng)電壓us與交流側(cè)電流is同相位。電路中的關(guān)鍵元件是交流側(cè)電感Ls，它的作用之一就是平衡回路中的電壓。弄清電感兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性，對(duì)理解電路中的能量流向很有幫助。根據(jù)電感的充放電狀態(tài)不同，以及電感上流過(guò)的電流方向不同，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性不同，具體分為以下四種情況。交流側(cè)電感元件的等效電阻對(duì)回路電壓影響不明顯，在分析工作過(guò)程時(shí)可以暫時(shí)忽略[1][3][4]，只在進(jìn)行相量合成時(shí)才加以考慮。若期望整流的功率因數(shù)為1，則us與is同相位。由于電路是升壓型整流電路，為保證交流測(cè)電流is的質(zhì)量，要求ud>us[2]。調(diào)制信號(hào)ur采用正弦波，載波uc采用雙極性三角波。1.ur>uc時(shí)，給V1、V4開通信號(hào)，給V2、V3關(guān)斷信號(hào)。若is>0，此時(shí)us處于正半周。實(shí)際導(dǎo)通的開關(guān)是VD1、VD4，由于電網(wǎng)電壓低于直流側(cè)電壓，無(wú)法驅(qū)動(dòng)交流側(cè)電流按照?qǐng)D1中所示方向流動(dòng)，因此電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向必須與電流方向一致，即圖2a所示的情形，此時(shí)的電感相當(dāng)于電源。電路中的能量關(guān)系為：電網(wǎng)電壓與網(wǎng)側(cè)電感共同為直流側(cè)電容充電。若is<0，此時(shí)us處于負(fù)半周。實(shí)際導(dǎo)通的開關(guān)是V1、V4，此時(shí)電網(wǎng)電壓處于負(fù)半周，仍然為電流的提供者；另一提供電流的器件是直流側(cè)電容。根據(jù)回路電壓平衡的原則，可以確定電感的狀態(tài)如圖2c所示的情形。電路中的能量關(guān)系為：電網(wǎng)電壓與直流側(cè)電容共同為網(wǎng)側(cè)電感充電。2.ur0，導(dǎo)通的開關(guān)為V2、V3，電網(wǎng)電壓與直流側(cè)電容共同驅(qū)動(dòng)電流為網(wǎng)側(cè)電感充電，即圖2b所示的情況。若is<0，導(dǎo)通的開關(guān)為VD2、VD3，電網(wǎng)電壓us此時(shí)的作用是驅(qū)動(dòng)電流，而直流側(cè)電容此時(shí)阻礙電流，又因?yàn)殡娐分惺冀K滿足ud>us，可以推斷出網(wǎng)側(cè)電感此時(shí)的作用是驅(qū)動(dòng)電流，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖2d所示。能量的流向?yàn)椋弘娋W(wǎng)電壓與網(wǎng)側(cè)電感共同為直流側(cè)電容充電。上述過(guò)程有一個(gè)共同點(diǎn)：電網(wǎng)電壓始終在輸出能量，電路的總體能量流向是從交流側(cè)去向直流側(cè)。而電感與電容本身既不產(chǎn)生也不消耗有功功率，所以此時(shí)的電路工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單的描述為交流電源為直流負(fù)載供電，且電網(wǎng)電壓與交流側(cè)電流同相位，即功率因數(shù)為1的整流。（二）逆變過(guò)程的分析H型電路工作于逆變模式下，其功率因數(shù)可以達(dá)到-1，即圖中的電網(wǎng)電壓us與交流側(cè)電流is反相位。1.ur>uc時(shí)，給V1、V4開通信號(hào)，給V2、V3關(guān)斷信號(hào)。若is>0，此時(shí)us處于負(fù)半周。實(shí)際導(dǎo)通的開關(guān)是VD1、VD4，根據(jù)電流路徑與元件電壓的極性，可以判斷出電網(wǎng)與電容都處于充電狀態(tài)，因此電感必然處于放電狀態(tài)，其狀態(tài)如圖2a所示，此時(shí)的電感相當(dāng)于電源。電路中的能量關(guān)系為：網(wǎng)側(cè)電感為電網(wǎng)、直流側(cè)電容充電。若is<0，此時(shí)us處于正半周。實(shí)際導(dǎo)通的開關(guān)是V1、V4，電網(wǎng)此時(shí)吸收能量，電容向交流側(cè)輸出能量。根據(jù)回路電壓平衡的原則，可確定電感此時(shí)吸收能量，其狀態(tài)如圖2c所示。2.ur0，導(dǎo)通的開關(guān)為V2、V3，電容向交流側(cè)輸出能量，為電網(wǎng)與網(wǎng)側(cè)電感充電，即圖2b所示的情況。若is<0，導(dǎo)通的開關(guān)為VD2、VD3，電網(wǎng)與直流側(cè)電容此時(shí)阻礙電流，可以推斷出網(wǎng)側(cè)電感此時(shí)的作用是驅(qū)動(dòng)電流，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖2d所示。在以上過(guò)程中：電網(wǎng)始終在吸收能量，電路的總體能量流向是從直流側(cè)去向交流側(cè)。結(jié)合相控整流電路的相關(guān)內(nèi)容，還可以把上述過(guò)程描述為全控器件版的有源逆變，進(jìn)一步密切新知識(shí)與已有知識(shí)間的聯(lián)系。（三）相量合成至此，學(xué)生對(duì)于電路的結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程和優(yōu)越性能都已不再陌生，進(jìn)行知識(shí)間正向遷移的各種條件已基本具備；在此基礎(chǔ)上拋出相量合成的問(wèn)題，則學(xué)生可以較為輕松的接受。整流過(guò)程中，交流側(cè)電流的相量與電網(wǎng)電壓的相量同相位，由此可以確定交流側(cè)電阻電壓相量與電感電壓相量的方向，如圖3a所示，最后將交流側(cè)電壓uAB的相量、電阻電壓相量和電感電壓相量順向串聯(lián)即可。逆變過(guò)程中，交流側(cè)電流的相量與電網(wǎng)電壓的相量反相位，仿照整流狀態(tài)相量圖的畫法，可以繪制出逆變過(guò)程的相量關(guān)系，如圖3b所示。此處需要特別向?qū)W生強(qiáng)調(diào)的是：uAB的波形仍為SPWM方波，但其基波分量為正弦波，且頻率與調(diào)制信號(hào)相同。（四）知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)化以上過(guò)程圍繞同一電路的不同工作模式，分析其工作過(guò)程，特別是電路中的能量流向，在此基礎(chǔ)上介紹相量合成的過(guò)程。至此，學(xué)生對(duì)PWM技術(shù)已不再陌生，之后的過(guò)程就是將其強(qiáng)化并作適當(dāng)?shù)耐卣?。方式可以是多樣的[5][6][7]：將控制方式或電路進(jìn)行改變，要求學(xué)生自行分析電流通路和能量流向并回答問(wèn)題，有助于提高他們對(duì)課堂過(guò)程的參與感和積極性；將仿真過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行展示，可以直觀的呈現(xiàn)電路中各種波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)理論課的教學(xué)效果，有針對(duì)性的安排和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)課，則可以將課堂知識(shí)、獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和解決問(wèn)題有機(jī)的融合。四、結(jié)論將交流側(cè)電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性作為切入點(diǎn)，詳細(xì)的分析不同工作狀態(tài)下，H橋電路中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。通過(guò)明確電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程，幫助學(xué)生快速建立起對(duì)電路及其工作過(guò)程的熟悉感，樹立信心；在此基礎(chǔ)上導(dǎo)入相量合成的問(wèn)題，可較為順利的完成知識(shí)的遷移過(guò)程，使初學(xué)者高效的接受這一經(jīng)典描述。對(duì)電路中各種相量合成方式與結(jié)果的掌握，能夠幫助學(xué)生從整體上把握PWM控制技術(shù)的基本特點(diǎn)，為之后的深入學(xué)習(xí)建立信心、奠定基礎(c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