電力電子技術仿真教學改革與實踐

曹勇?吳峰

摘要：針對電力電子技術課程提出仿真教學模式，以增強學生對電力電子系統的正確理解并提高學習興趣和自主學習能力。大力開展仿真教學模式可以大大提高教學重點和教學難點的教學效果。以三相橋式全控整流電路為例，詳細說明了仿真教學過程，包括不同負載下的工作波形分析及電路擴展應用仿真實驗任務。幾年的教學結果表明，仿真教學模式可以大大提高學生的學習能力與創新能力，并為后續課程設計及創新實驗奠定了良好的基礎。

關鍵詞：電力電子技術；仿真；教學改革；過程分析

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0101-03

高校電類專業中，電力電子技術是自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程等多個專業的重要技術基礎課程。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、電子技術和自動控制技術為一體，具有非常廣泛的應用前景[1-2]。

電力電子技術課程具有很強的綜合性和實踐性，因此在教學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特性[3-4]。由于電力電子技術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，同時又有各種不同負載分析，如電阻性負載、阻感性負載及反電動勢負載等，在此基礎上又包含相應的參數計算，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及學習過程中主要存在如下幾點問題：

（1）教學過程中由于課時的限制，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，造成學生不易理解。

（2）學習過程中由于各種變換電路知識點較多，因此會讓學生感覺到電路非常繁瑣，分析非常抽象，并從思想上認為課程不好學。

（3）實驗學時不足，使學生對電力電子器件性能及電力電子電路的應用不能有更為深入的認識。

以上問題均反映出教學手段及教學設計上存在不足，因此本文提出以仿真教學模式為主，同時配合傳統黑板手工波形繪制與計算分析為輔的復合型教學模式，不僅可以大大提高教學效率、教學效果，同時可以幫助學生提高學習興趣、增強自主學習能力，使得更為深入理解電力電子技術課程的學習內容。該種教學模式的深入開展，對電力電子技術課程設計、相關畢業設計以及開放性實驗和創新實驗是非常有益的。

一、電力電子技術仿真教學改革

電力電子技術課程內容量大、知識點多、既有理論分析又有實際電路應用。以我校自動化專業為例，采用王兆安老師主編的《電力電子技術》第五版教材，課程內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（PWM、軟開關），課時安排為56學時，其中8學時為實驗教學。在48學時的理論教學內容中，除緒論、習題課和總復習占4學時外，電力電子器件占4學時，電力電子電路占34學時，PWM控制與軟開關技術占6學時。由上可見，電力電子電路占理論教學學時的70%，但是該部分的實際教學內容非常多，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）、三種負載（電阻性、阻感性、反電動勢）及多種電路變換形式（如帶續流二極管），其中每種電路還要分析不同觸發角（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（如負載直流電壓、負載直流電流、晶閘管承受電壓、晶閘管流過電流、交流電流等）、電量參數計算（如直流平均值、交流有效值）。如此復雜的電路教學過程，若僅靠傳統黑板板書及幻燈片教學模式進行講解，將不能在有限的課時時間內，既完成教學內容，又讓學生深入理解各種電路的工作過程，其結果是學生沒能抓住電力電子電路學習的根本，不具有分析和設計電力電子電路的能力。

電力電子技術的仿真教學改革就是要改變上述由于教學內容多、課程內容復雜、課時分配少而帶來的教學和學習問題，其改革的內容就是在有效的教學時間內，通過仿真軟件搭建電力電子電路并進行仿真波形分析與工作原理講解的教學模式，該模式不僅能把教學基本內容講授清楚，同時能大大提高學生對課程教學重點與教學難點的理解和把握，達到事半功倍的效果。

仿真教學改革中采用MATLAB仿真軟件，其中的電力系統模型庫包含電源模塊庫、電器元件模塊庫、電機模塊庫、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，使用電力系統模塊庫組成電力電子主電路和驅動電路，可以較為容易的分析和設計更為復雜的電力電子電路，可以深入的研究和觀察電力電子電路的動態響應和穩態響應。

二、仿真教學過程實例分析

由于電力電子技術課程中的各種電路形式復雜多樣，因此以三相橋式全控整流電路為例，來說明電力電子技術的仿真教學過程。三相橋式全控整流電路在工業生產中具有重要位置，大量用于電解、電鍍、直流電機傳動、勵磁等場合，因此該電路是電力電子技術課程的重點內容。

三相橋式全控整流電路為如上所述教材的3.2.2節內容，主要包括電路原理圖、電阻性負載、阻感性負載工作情況三部分內容。該節課程的知識目標定位于掌握三相橋式全控整流電路的組成、特點及應用，理解三相橋式全控整流電路的工作原理；能力目標定位于能夠根據電路圖搭建相應電路并進行測量，同時能夠根據任務要求開展相關實驗。該節課程的仿真教學過程中首先讓學生掌握電路結構，然后針對不同負載情況下，讓學生理解工作原理并學會波形分析及參數定量計算，最后結合“自動控制原理”及“電機學”課程相關內容，給出仿真實驗任務，目的讓學生逐步進入狀態，逐步掌握學習這門課的方法，下面給出仿真教學中需要注意的教學重點，其它教學部分可參考相應教材，這里不再贅述。

1.三相橋式全控整流電路結構

該部分首先介紹三相橋式全控整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，它區別于單相整流與三相半波整流，具有功率大、直流脈動小等優點，同時采用幻燈片播放實際應用案例的形式，來增強學生對該部分內容的感性認識，并提高學生的學習興趣。其次，介紹該電路中包含六個晶閘管元件，是目前學習中器件最多的電路，需要學生們認真理解六個晶閘管器件的觸發工作過程。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，一定要強調以下幾點：①晶閘管器件編號務必為共陰極組內VT1、VT3、VT5，共陽極組內VT4、VT6、VT2；②晶閘管門極觸發脈沖順序務必為VT1-VT6；③晶閘管觸發脈沖相位間隔60度。

2.帶電阻性負載情況分析

前面講解完三相橋式全控整流電路搭建后，真正進入到電路工作原理、波形分析及定量計算部分。進一步完善上面仿真電路原理圖，將負載選擇為電阻性負載，并增加若干示波器觀察點，其中三相電源設置為幅值100V、頻率50Hz，電阻負載2Ω，仿真參數設置為仿真起始時間0.0s，結束時間0.1s，算法選擇ode23tb。

帶電阻性負載情況下的教學重點為：①不同觸發角下的波形分析；②負載電流的連續與斷續分析；③晶閘管的單觸發脈沖與雙觸發脈沖形式。其中難點內容為連續與斷續狀態下的脈沖形式。

首先通過仿真詳細講解30度觸發角時的波形情況，要求學生在給定電源條件下能夠正確理解觸發脈沖、直流負載電壓、直流負載電流、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觸發角的觸發時刻，由于三相整流電路的自然換相點對應A相電壓波形的30度位置，因此30度觸發角情況下的晶閘管VT1觸發時刻為60度位置，換算成時間為0.0033s；②將整個電源周期分成6段，每段先確定6個晶閘管的導通與關斷狀態，再分析其他電量；③特別注意強調線電壓波形及波形畫法。

然后，利用仿真教學的優勢進一步講解如上教學重點要求，如圖3所示為60度和90度觸發角下的晶閘管觸發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度觸發角為負載電壓和電流連續與斷續的臨界點，90度觸發角時清楚的看到負載電流為斷續狀態，同時各個觸發脈沖為保證電流斷續下正常工作而變成雙觸發脈沖形式。

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

3.帶阻感性負載情況分析

當三相橋式全控整流電路帶阻感性負載工作時，其特點就是能保證負載電流續流而不出現斷續的狀態，因此該部分的教學重點為：①讓學生能夠清楚的理解整個移相范圍內負載電流總是連續的工作狀態；②由于電感的作用，負載電壓會出現負的部分；③大電感狀態下，負載電流近似為一條直線。圖4為觸發角為90度時三相橋式全控整流電路的波形情況，與圖3中觸發角為90度情況進行對比，可以清楚的看出阻感性負載時的直流負載電壓波形既有正向波形，又有負向波形，負載電流波形始終處于連續狀態，同時還可以通過仿真教學清楚的展示電感為5mH和200mH時的直流電流波形，其中5mH時電流波形脈動較大，而200mH時電流波形脈動較小，近似為一條直線，這也充分說明當電感值為200mH時，感抗相對于阻抗來說充分大。

4.仿真實驗任務：直流電機閉環調速系統

完成如上規定的仿真教學任務后，可以給學生布置相應的仿真實驗任務，結合直流電機原理和閉環控制原理，安排直流電機閉環調速系統的仿真實驗，可以安排在實驗課中完成或課后自行完成。仿真實驗任務如下：

（1）仿真參數設置：仿真起始時間0.0s，結束時間5s，算法選擇ode23tb。

（2）系統要求跟蹤恒值速度給定500r/min。

（3）轉速調節器設定為比例控制，要求分析不同負載轉矩、不同轉速比例調節下的電機電壓、電流和轉速波形。

這里給出用于教學參考的系統仿真結構圖及電機電壓和電流波形，如圖5和圖6所示。由于直流電機為阻感性負載，因此通過仿真實驗可以更深入的認識阻感性負載下的三相橋式全控整流電路的工作過程，直流負載電壓即電機供電電壓有正負波形，直流負載電流即電機電樞電流為連續狀態且近似為一條直線，轉速波形由學生在仿真實驗中自行觀察。

三、結論

本文提出的電力電子技術仿真教學模式，通過搭建電力電子系統主電路和控制電路并進行波形仿真的方法，能夠使學生更加深入的理解電路結構圖、電路工作原理、電量波形及參數計算。仿真教學模式不僅能夠大大提高學生對教學重點與教學難點的正確理解，同時對學生進行后續課程設計、開放性實驗、創新性實驗及相關畢業設計工作奠定了知識能力基礎。

參考文獻：

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[2]王云亮.電力電子技術[M].北京：電子工業出版社，2013.

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[5]俞騁.MATLAB仿真在職業學校電力電子技術教學中的應用[J].中國電力教育，2014，（3）：92-93.

[6]榮軍，萬軍華，等.計算機仿真技術在電力電子技術課堂教學難點中的應用[J].實驗技術與管理，2012，29（8）：103-105.

（責任編輯：韓曉英）