陳 萬，丁衛(wèi)紅，鄔青海，周恒瑞

(淮陰工學院，江蘇淮安223003)

“電力電子技術(shù)”是高校電氣工程及其自動化、自動化和應(yīng)用電子科學等專業(yè)的重要專業(yè)課程[1，2]。目前應(yīng)用型本科院校的“電力電子技術(shù)”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(chǔ)，結(jié)合適當?shù)姆治鲇嬎汴U述各類電路的工作原理及相關(guān)特性，實踐內(nèi)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(nèi)容，是當前“電力電子技術(shù)”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(jù)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(diào)整電路的控制參數(shù)，獲得電路在各種狀態(tài)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(yīng)力等參數(shù)，使得枯燥的數(shù)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(shù)、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(shè)計奠定基礎(chǔ)。根據(jù)具體教學內(nèi)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(shù)”課程受實驗設(shè)備、場所和人員等的限制以及電力電子技術(shù)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(shù)相比硬件電路實驗具有安全、快捷等優(yōu)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(guān)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(guān)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(tǒng)仿真具有優(yōu)勢;

(3)系統(tǒng)仿真時有專門適用于非線性電路的仿真算法，仿真結(jié)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(yīng)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(shù)量關(guān)系以及相關(guān)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(jié)構(gòu)復雜、工作狀態(tài)多，傳統(tǒng)理論教學中學生對電路工作過程和相關(guān)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(fā)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(shè)定相關(guān)參數(shù)實現(xiàn);晶閘管的觸發(fā)信號由6脈沖發(fā)生模塊(Synchronized 6-Pulse Generator)給出，該模塊的 AB、BC、CA 表示三相電源對應(yīng)的線電壓，alpha_deg表示輸出脈沖的觸發(fā)角，通過設(shè)置給定常數(shù)(constant)的大小可調(diào)節(jié)三相整流橋的此觸發(fā)角;調(diào)節(jié)負載RL和直流電壓源Em的參數(shù)可以改變負載功率和性質(zhì)，仿真的直流側(cè)電壓、電流以及輸入的交流電流可以在右側(cè)的示波器(Scope)中看到。

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

表1 電路仿真主要參數(shù)

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(fā)角α?60°范圍內(nèi)輸出電壓連續(xù)，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(fā)角α之間的關(guān)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(luò)組成，并且代表了該電路的6個工作狀態(tài)。由輸出波形定量計算輸出電壓平均值和觸發(fā)角α之間的關(guān)系。

圖4 不同觸發(fā)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(fā)次序，可以通過設(shè)置負載RL和Em的參數(shù)，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(yīng)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(guān)系。但在實際工程應(yīng)用中，需要討論該電路在非理想狀態(tài)下的特性，如晶閘管或觸發(fā)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(huán)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(xiàn)故障或其觸發(fā)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(cè)繼續(xù)輸出Uca直到VT4、VT5電流過零而關(guān)斷，再過60度VT1和VT2導通，進入正常換相區(qū)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(fā)信號丟失輸出電壓

圖6給出交流側(cè)存在1mH漏感時的輸出波形。由圖看出每個工作狀態(tài)在開始一段時間內(nèi)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(nèi)，VT6和VT2換相時因漏感存在出現(xiàn)換相重疊的情況，即VT6和VT2同時導通。這段區(qū)間內(nèi)的輸出電壓為Ud=(Uab+Uac)/2，通過調(diào)節(jié)負載參數(shù)以及漏感參數(shù)結(jié)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(guān)系。

圖6 交流側(cè)存在漏感時輸出電壓

網(wǎng)側(cè)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(huán)控制器，才能保證整流電路恒流輸出。圖7給出了閉環(huán)控制器結(jié)構(gòu)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(fā)角實現(xiàn)輸出電流的穩(wěn)定，而其中的比例積分調(diào)節(jié)器(PI)可以兼顧系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)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(huán)控制器

圖8 給定電流由20A到80A時Id和Ud的波形

4 結(jié)語

本文研究了“電力電子技術(shù)”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(yīng)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(guān)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(shù)”和“Matlab及其應(yīng)用”等。只有相關(guān)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(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008.

[2]丁道宏.電力電子技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社，1992.

[3]關(guān)曉菡，張衛(wèi)平，張東彥.國內(nèi)外高校電力電子技術(shù)教育現(xiàn)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(shù)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(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.