“電力電子技術”課程理論和實踐同步教學法

陳 萬，丁衛紅，鄔青海，周恒瑞

(淮陰工學院，江蘇淮安223003)

“電力電子技術”是高校電氣工程及其自動化、自動化和應用電子科學等專業的重要專業課程[1，2]。目前應用型本科院校的“電力電子技術”教學多以電力電子變流電路作為教學重點，一般以波形分析法為基礎，結合適當的分析計算闡述各類電路的工作原理及相關特性，實踐內容多為機械重復操作[3]。如何加強實驗課和理論課緊密銜接，使學生更好掌握教學內容，是當前“電力電子技術”教學亟待解決的問題[4，5]。

1 電力電子理論與實踐同步教學法

圖1示出了同步教學法的流程。

圖1 理論實踐同步教學法流程

我們根據電路組成和功率器件的導通次序，建立基于Matlab的仿真模型，通過調整電路的控制參數，獲得電路在各種狀態下的的輸出電壓電流等波形;然后回到理論定量分析，討論電路的輸出電壓、電流、功率器件的電壓、電流和應力等參數，使得枯燥的數學計算更容易被學生接受;最后將實際電路的一些非理想因素，諸如線路寄生參數、線路故障等，引入到仿真模型中分析討論，可以拓展對電路的認識，為具體電路設計奠定基礎。根據具體教學內容的難易程度會存在理論、實踐和理論的多次反復，以達到良好的教學效果。

2 同步教學實踐平臺

“電力電子技術”課程受實驗設備、場所和人員等的限制以及電力電子技術實驗中器件容易損壞等因素制約，實際可以開出的實驗有限。計算機仿真技術相比硬件電路實驗具有安全、快捷等優勢。

電路仿真軟件Simulink中的PSB(Power System Blockest)包含電力電子建模所需要的各種元件模型，如果我們選擇相關模塊，就可建立整流、逆變、交交和直流斬波等電路的基本模型。Simulink具有如下特點[6]:

(1)仿真模型建立較為簡單，通過模塊拖曳連接的方式便可組成相關的電路;

(2)其主體Matlab是功能強大的科學計算仿真軟件，對復雜的電路或系統仿真具有優勢;

(3)系統仿真時有專門適用于非線性電路的仿真算法，仿真結果更容易收斂。

3 三相橋式整流電路的同步教學法

3.1 三相橋式全控整流電路

圖2所示的三相橋式全控整流電路是目前應用最廣泛的整流電路之一。教學大綱要求重點掌握該電路工作原理、數量關系以及相關輸入輸出波形。與單相、三相半波可控整流電路相比，此電路結構復雜、工作狀態多，傳統理論教學中學生對電路工作過程和相關的波形理解較為困難。

圖2 三相橋式全控整流電路

3.2 模型建立及仿真

圖3所示的三相橋式全控整流電路仿真平臺由三相電源、三相晶閘管整流橋、同步6脈沖發生模塊、負載、電壓電流測量模塊和控制模塊組成。

圖3 三相橋式全控整流電路仿真平臺

其中三相晶閘管整流橋可以通過PSB中的通用橋模塊(Universal bridge)設定相關參數實現;晶閘管的觸發信號由6脈沖發生模塊(Synchronized 6-Pulse Generator)給出，該模塊的 AB、BC、CA 表示三相電源對應的線電壓，alpha_deg表示輸出脈沖的觸發角，通過設置給定常數(constant)的大小可調節三相整流橋的此觸發角;調節負載RL和直流電壓源Em的參數可以改變負載功率和性質，仿真的直流側電壓、電流以及輸入的交流電流可以在右側的示波器(Scope)中看到。

在表1給出的仿真參數條件下，不同觸發角的輸出電壓波形如圖4所示，表2給出不同觸發角的輸出平均電壓值。

表1 電路仿真主要參數

從圖4看出三相橋式全控整流電路阻性負載時，整流電路一個周期中輸出6個完全對稱的脈波，在觸發角α?60°范圍內輸出電壓連續，由表2可以看出，輸出電壓平均值隨著α增大而減小。

表2 輸出電壓和觸發角α之間的關系

3.3 電路原理討論

回到對輸出波形的分析，輸出直流電壓由6個線電壓 Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca 和 Ucb 包絡組成，并且代表了該電路的6個工作狀態。由輸出波形定量計算輸出電壓平均值和觸發角α之間的關系。

圖4 不同觸發角時輸出電壓波形

為更全面地掌握三相橋式全控整流電路的工作特性及6個晶閘管的觸發次序，可以通過設置負載RL和Em的參數，考察阻感負載以及反電勢負載時輸入輸出波形，并重復相應仿真實驗和理論分析同步教學過程。

3.4 電路的拓展分析

學生通過上述的電路介紹、仿真和理論分析這一教學過程，可以掌握三相橋式整流電路一些定量關系。但在實際工程應用中，需要討論該電路在非理想狀態下的特性，如晶閘管或觸發電路故障、線路中寄生阻抗的影響以及非理想條件下輸出閉環控制策略等。

圖5示出α=0°阻性負載時，圖2中的共陽極晶閘管VT6出現故障或其觸發信號丟失時的輸出波形。由圖看出輸出電壓只有4個脈波，在Uca和Ucb交點為VT4到VT6的換相時刻，由于故障，VT6不能導通。這時直流側繼續輸出Uca直到VT4、VT5電流過零而關斷，再過60度VT1和VT2導通，進入正常換相區間，輸出線電壓 Uac，Ubc、Uba、Uca，如此形成一個完整周期。通過該故障模式的仿真可以加強學生對故障的理解和分析。

圖5 VT6觸發信號丟失輸出電壓

圖6給出交流側存在1mH漏感時的輸出波形。由圖看出每個工作狀態在開始一段時間內輸出電壓顯著跌落。以Uab和Uac交點處分析，在圖中兩條直線間的r角度內，VT6和VT2換相時因漏感存在出現換相重疊的情況，即VT6和VT2同時導通。這段區間內的輸出電壓為Ud=(Uab+Uac)/2，通過調節負載參數以及漏感參數結合仿真和電路分析，可得出輸出電壓的跌落和漏感、負載電流以及換相重疊角r之間的定量關系。

圖6 交流側存在漏感時輸出電壓

網側三相交流電壓、負載和線路中不可避免的存在擾動，必須加入閉環控制器，才能保證整流電路恒流輸出。圖7給出了閉環控制器結構圖，引入被控量電流的負反饋和參考值比較，其誤差控制觸發角實現輸出電流的穩定，而其中的比例積分調節器(PI)可以兼顧系統的響應速度和穩態精度。圖8示出負載電流指令從20A到80A時，輸出電壓和電流的波形。

圖7 閉環控制器

圖8 給定電流由20A到80A時Id和Ud的波形

4 結語

本文研究了“電力電子技術”課程理論和實踐同步的教學改革方案。我們以三相橋式全控整流電路為例，建立了基于simulink的實驗平臺，分析了電路的工作原理和相控整流電路的實際應用問題，通過教學試點取得了良好的效果。

電力電子教學方法改革要兼顧到其它相關課程的教學改革的相互促進和支撐，比如其先修課程“電路理論”、“模擬電子技術”和“Matlab及其應用”等。只有相關課程的教學改革同步進行，才能取得更好的教學效果。

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2008.

[2]丁道宏.電力電子技術[M].北京:航空工業出版社，1992.

[3]關曉菡，張衛平，張東彥.國內外高校電力電子技術教育現狀綜述[J]，南京:電氣電子教學學報，2006，28(2):4-8.

[4]付保紅，王曉東，劉斌.電力電子技術課程教學改革的探索[J]，大慶:大慶師范學院學報，2009，29(6):146-149.

[5]Dehong Xu，Hao Ma，Yasuyuki Nishida.Education on Power E-lectronics in China[C].The 2005 International Power Electronics Conference(CDRO M)，Japan，2005:521-525

[6]洪乃剛等.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M].北京:機械工業出版社，2006.