陳 萬 丁衛(wèi)紅 周恒瑞
(淮陰工學(xué)院,江蘇 淮安 223001)
使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制形成了一門新的工程學(xué)科——電力電子技術(shù),該學(xué)科涉及電子學(xué)、電力學(xué)與控制科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[1-2],在教學(xué)過程中,要求學(xué)生掌握基本的電力電子變換理論和學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單電力電子變流電路的計(jì)算和設(shè)計(jì)。
多數(shù)本科院校在電力電子技術(shù)教學(xué)中將電力電子變流電路作為教學(xué)重點(diǎn)[3],一般根據(jù)電路輸出波形討論各類電路的工作原理及相關(guān)特性,通過一些典型電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深學(xué)生對(duì)電路的理解,受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)和人員等的限制,電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)所能開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限,且因?qū)W生只注重記錄波形、數(shù)據(jù),忽視電路理解,實(shí)驗(yàn)效果不好[4-6]。
近幾十年來,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到了越來越多的重視,其優(yōu)點(diǎn)在于采用對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,它是目前復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的經(jīng)濟(jì)有效的手段[7-9]。在電力電子技術(shù)的課堂教學(xué)中,我們應(yīng)用仿真的優(yōu)點(diǎn),探索了在理論教學(xué)過程中引入仿真的教學(xué)手段。教學(xué)過程中引入了Saber 軟件對(duì)具體電力電子電路仿真演示,可以吸引學(xué)生主動(dòng)的投入到學(xué)習(xí)中,從而活躍課堂教學(xué)氣氛,提高學(xué)生對(duì)枯燥理論的學(xué)習(xí)興趣,更好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。
Saber 是美國(guó)Synopsys 公司于1986 年開發(fā)的一款EDA 軟件,在電力電子技術(shù)教學(xué)中可用來分析和設(shè)計(jì)DC/DC、AC/DC、DC/AC、AC/AC 四種基本的電力電子變流電路,和其它仿真軟件相比具有如下特點(diǎn)。
(1)強(qiáng)大的圖形查看功能,在電力電子電路的仿真中,可以觀察電路中任一節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流波形方便了電路的設(shè)計(jì);
(2)軟件中提供的電力電子元器件模型比較全面,對(duì)電路建模基本上精確到具體器件級(jí),仿真結(jié)果和實(shí)際電路非常接近;
(3)Saber 內(nèi)部的多種仿真算法可以很好地解決仿真系統(tǒng)收斂性問題,尤其是對(duì)于含有較多非線性環(huán)節(jié)的電力電子變流電路具有顯著優(yōu)勢(shì)。
圖1 示出了引入Saber 仿真教學(xué)法的基本流程,結(jié)合具體電力電子變流電路,先分析電路組成、各個(gè)部件的作用以及功率器件的導(dǎo)通次序,再利用Saber 虛擬元件連接組成仿真模型,讓學(xué)生自己操作仿真軟件,對(duì)該電路仿真分析,觀察電路的輸出電壓電流等波形,加深對(duì)電路的理解,修改相應(yīng)控制參數(shù),同步考察輸入輸出波形的變化,使得枯燥的電力電子波形分析法更容易接受;最后將實(shí)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(duì)電路的認(rèn)識(shí),為具體電路設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
圖1 電路仿真分析流程
三相橋式全控整流電路在諸如電解和電鍍等大功率整流場(chǎng)合有著廣泛應(yīng)用,也是相控整流電路教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容,要求掌握電路工作原理、基本工作狀態(tài)、輸入輸出參數(shù)的定量關(guān)系以及一些關(guān)鍵輸入輸出波形。與單相、三相半波可控整流電路相比,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作狀態(tài)多,在實(shí)際教學(xué)中,采用PPT 教學(xué)方式給學(xué)生展現(xiàn)不同觸發(fā)角及不同負(fù)載時(shí)輸入輸出波形,學(xué)生在課堂教學(xué)中很難跟上教學(xué)節(jié)奏,導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)都會(huì)回到簡(jiǎn)單的記憶波形和公式,大大降低了知識(shí)的連貫性,實(shí)際教學(xué)效果不太理想。
圖2 三相橋式全控整流電路Saber 仿真模型
圖2 所示的三相橋式全控整流電路仿真模型由三相電源、三相晶閘管整流橋、6 個(gè)獨(dú)立同步脈沖發(fā)生模塊和負(fù)載模塊組成。觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角可以通過設(shè)置6 個(gè)脈沖模塊的參數(shù)實(shí)現(xiàn),而調(diào)節(jié)負(fù)載R、L和直流電壓源Edc 的參量可以改變負(fù)載功率大小及負(fù)載性質(zhì),仿真的直流側(cè)電壓、電流以及輸入的交流電流可以在看圖工具CosmosScope中通過選擇相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和支路看到。
表1 電路仿真主要參數(shù)
在表1 給出的仿真參數(shù)條件下,觸發(fā)角為0 度時(shí)的輸出電壓Udc波形及流過六個(gè)晶閘管(VT1~VT6)的電流波形如圖3,根據(jù)晶閘管的觸發(fā)次序以及圖3 中電壓電流波形可以看出三相橋式整流電流電路一個(gè)周期由六個(gè)工作狀態(tài),其對(duì)應(yīng)輸出電壓與導(dǎo)通的晶閘管次序如表2 所示。
圖3 三相橋式全控整流電路阻性負(fù)載時(shí),不同觸發(fā)角時(shí)輸出電壓波形
表2 三相橋式全控整流的6 個(gè)工作狀態(tài)
從仿真輸出波形看出三相橋式全控整流電路一個(gè)周期中輸出6個(gè)完全對(duì)稱的脈波,所以也稱為6 脈波整流,圖4 給出了觸發(fā)角分別為30°、45°和60°的輸出電壓波形,由圖看出在觸發(fā)角α≤60°范圍內(nèi)輸出電壓連續(xù),并且由圖中的平均電壓看出,輸出電壓隨著α 增大而減小。
圖4 不同觸發(fā)角的輸出電壓波形
回到對(duì)輸出波形的分析,輸出直流電壓由6 個(gè)線電壓uab,uac,ubc,uba,uca,ucb,包絡(luò)組成,并且代表了該電路的6 個(gè)工作狀態(tài),由輸出波形定量計(jì)算輸出電壓平均值和觸發(fā)角α 之間的關(guān)系,輸出電壓連續(xù)如表達(dá)式(1),斷續(xù)為表達(dá)式(2)。
除了輸出電壓波形,交流側(cè)電流和晶閘管的電壓電流波形也可以由圖2 所示模型設(shè)置相關(guān)參數(shù)仿真得到,由此得出三相橋式全控整流電路6 個(gè)晶閘管的觸發(fā)時(shí)序,并且分析其工作模態(tài)。設(shè)置負(fù)載RL 的參數(shù),可以考察該電路在阻感負(fù)載以及反電勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作特征,為實(shí)際電路的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
圖5 VT6 觸發(fā)信號(hào)丟失輸出電壓
三相橋式全控整流電路在實(shí)際應(yīng)用常會(huì)有一些非理想的工作狀態(tài),比如晶閘管或觸發(fā)電路故障、線路中寄生阻抗的影響、非理想條件下輸出電壓電流的控制,這些工作狀態(tài)都可以通過Saber 仿真模型設(shè)置相關(guān)參數(shù)仿真模擬,從而可以更全面的理解該電路的工作原理,以及為設(shè)計(jì)電路奠定基礎(chǔ),下面以晶閘管故障為例,討論其輸出波形特征。圖5 示出α=0°阻性負(fù)載時(shí),VT6 故障或其觸發(fā)信號(hào)丟失的輸出波形,由圖看出輸出電壓只有4 個(gè)脈波,在Uca 和Ucb交點(diǎn)為VT4 到VT6 的換相時(shí)刻,而由于故障VT6 不能導(dǎo)通,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(dǎo)通,進(jìn)入正常換相區(qū)間,輸出線電壓Uac,Ubc、Uba、Uca,如此形成一個(gè)完整周期。
本文討論了在電力電子技術(shù)的課堂教學(xué)中,引入了Saber 仿真的教學(xué)改革方案,以三相橋式全控整流電路為例,創(chuàng)建了Saber 仿真模型,設(shè)置不同的仿真參數(shù),分析得出的仿真波形可以更有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)電力電子電路的理解,通過教學(xué)試點(diǎn)取得了良好的效果,總結(jié)該教學(xué)法具有如下優(yōu)勢(shì):
1)有效地避免了傳統(tǒng)的灌輸教學(xué)模式,調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究的積極性,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維有積極意義;
2)改變了學(xué)生電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)備因素的制約,并且Saber仿真對(duì)電路分析的靈活性和精確性也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以比擬的;
3)Saber 仿真是對(duì)傳統(tǒng)的枯燥理論教學(xué)形成有益補(bǔ)充,讓電力電子電路的復(fù)雜的波形變得形象生動(dòng),易于接受和理解。另外通過教師演示和學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試,進(jìn)行互動(dòng)教學(xué),改善課堂教學(xué)氣氛同時(shí)還能很好地提高學(xué)生主動(dòng)思考問題、總結(jié)問題和解決問題的能力。
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