“电力电子技术”课程理论和实践同步教学法

陈 万，丁卫红，邬青海，周恒瑞

(淮阴工学院，江苏淮安223003)

“电力电子技术”是高校电气工程及其自动化、自动化和应用电子科学等专业的重要专业课程[1，2]。目前应用型本科院校的“电力电子技术”教学多以电力电子变流电路作为教学重点，一般以波形分析法为基础，结合适当的分析计算阐述各类电路的工作原理及相关特性，实践内容多为机械重复操作[3]。如何加强实验课和理论课紧密衔接，使学生更好掌握教学内容，是当前“电力电子技术”教学亟待解决的问题[4，5]。

1 电力电子理论与实践同步教学法

图1示出了同步教学法的流程。

图1 理论实践同步教学法流程

我们根据电路组成和功率器件的导通次序，建立基于Matlab的仿真模型，通过调整电路的控制参数，获得电路在各种状态下的的输出电压电流等波形;然后回到理论定量分析，讨论电路的输出电压、电流、功率器件的电压、电流和应力等参数，使得枯燥的数学计算更容易被学生接受;最后将实际电路的一些非理想因素，诸如线路寄生参数、线路故障等，引入到仿真模型中分析讨论，可以拓展对电路的认识，为具体电路设计奠定基础。根据具体教学内容的难易程度会存在理论、实践和理论的多次反复，以达到良好的教学效果。

2 同步教学实践平台

“电力电子技术”课程受实验设备、场所和人员等的限制以及电力电子技术实验中器件容易损坏等因素制约，实际可以开出的实验有限。计算机仿真技术相比硬件电路实验具有安全、快捷等优势。

电路仿真软件Simulink中的PSB(Power System Blockest)包含电力电子建模所需要的各种元件模型，如果我们选择相关模块，就可建立整流、逆变、交交和直流斩波等电路的基本模型。Simulink具有如下特点[6]:

(1)仿真模型建立较为简单，通过模块拖曳连接的方式便可组成相关的电路;

(2)其主体Matlab是功能强大的科学计算仿真软件，对复杂的电路或系统仿真具有优势;

(3)系统仿真时有专门适用于非线性电路的仿真算法，仿真结果更容易收敛。

3 三相桥式整流电路的同步教学法

3.1 三相桥式全控整流电路

图2所示的三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的整流电路之一。教学大纲要求重点掌握该电路工作原理、数量关系以及相关输入输出波形。与单相、三相半波可控整流电路相比，此电路结构复杂、工作状态多，传统理论教学中学生对电路工作过程和相关的波形理解较为困难。

图2 三相桥式全控整流电路

3.2 模型建立及仿真

图3所示的三相桥式全控整流电路仿真平台由三相电源、三相晶闸管整流桥、同步6脉冲发生模块、负载、电压电流测量模块和控制模块组成。

图3 三相桥式全控整流电路仿真平台

其中三相晶闸管整流桥可以通过PSB中的通用桥模块(Universal bridge)设定相关参数实现;晶闸管的触发信号由6脉冲发生模块(Synchronized 6-Pulse Generator)给出，该模块的 AB、BC、CA 表示三相电源对应的线电压，alpha_deg表示输出脉冲的触发角，通过设置给定常数(constant)的大小可调节三相整流桥的此触发角;调节负载RL和直流电压源Em的参数可以改变负载功率和性质，仿真的直流侧电压、电流以及输入的交流电流可以在右侧的示波器(Scope)中看到。

在表1给出的仿真参数条件下，不同触发角的输出电压波形如图4所示，表2给出不同触发角的输出平均电压值。

表1 电路仿真主要参数

从图4看出三相桥式全控整流电路阻性负载时，整流电路一个周期中输出6个完全对称的脉波，在触发角α≫60°范围内输出电压连续，由表2可以看出，输出电压平均值随着α增大而减小。

表2 输出电压和触发角α之间的关系

3.3 电路原理讨论

回到对输出波形的分析，输出直流电压由6个线电压 Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca 和 Ucb 包络组成，并且代表了该电路的6个工作状态。由输出波形定量计算输出电压平均值和触发角α之间的关系。

图4 不同触发角时输出电压波形

为更全面地掌握三相桥式全控整流电路的工作特性及6个晶闸管的触发次序，可以通过设置负载RL和Em的参数，考察阻感负载以及反电势负载时输入输出波形，并重复相应仿真实验和理论分析同步教学过程。

3.4 电路的拓展分析

学生通过上述的电路介绍、仿真和理论分析这一教学过程，可以掌握三相桥式整流电路一些定量关系。但在实际工程应用中，需要讨论该电路在非理想状态下的特性，如晶闸管或触发电路故障、线路中寄生阻抗的影响以及非理想条件下输出闭环控制策略等。

图5示出α=0°阻性负载时，图2中的共阳极晶闸管VT6出现故障或其触发信号丢失时的输出波形。由图看出输出电压只有4个脉波，在Uca和Ucb交点为VT4到VT6的换相时刻，由于故障，VT6不能导通。这时直流侧继续输出Uca直到VT4、VT5电流过零而关断，再过60度VT1和VT2导通，进入正常换相区间，输出线电压 Uac，Ubc、Uba、Uca，如此形成一个完整周期。通过该故障模式的仿真可以加强学生对故障的理解和分析。

图5 VT6触发信号丢失输出电压

图6给出交流侧存在1mH漏感时的输出波形。由图看出每个工作状态在开始一段时间内输出电压显著跌落。以Uab和Uac交点处分析，在图中两条直线间的r角度内，VT6和VT2换相时因漏感存在出现换相重叠的情况，即VT6和VT2同时导通。这段区间内的输出电压为Ud=(Uab+Uac)/2，通过调节负载参数以及漏感参数结合仿真和电路分析，可得出输出电压的跌落和漏感、负载电流以及换相重叠角r之间的定量关系。

图6 交流侧存在漏感时输出电压

网侧三相交流电压、负载和线路中不可避免的存在扰动，必须加入闭环控制器，才能保证整流电路恒流输出。图7给出了闭环控制器结构图，引入被控量电流的负反馈和参考值比较，其误差控制触发角实现输出电流的稳定，而其中的比例积分调节器(PI)可以兼顾系统的响应速度和稳态精度。图8示出负载电流指令从20A到80A时，输出电压和电流的波形。

图7 闭环控制器

图8 给定电流由20A到80A时Id和Ud的波形

4 结语

本文研究了“电力电子技术”课程理论和实践同步的教学改革方案。我们以三相桥式全控整流电路为例，建立了基于simulink的实验平台，分析了电路的工作原理和相控整流电路的实际应用问题，通过教学试点取得了良好的效果。

电力电子教学方法改革要兼顾到其它相关课程的教学改革的相互促进和支撑，比如其先修课程“电路理论”、“模拟电子技术”和“Matlab及其应用”等。只有相关课程的教学改革同步进行，才能取得更好的教学效果。

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2008.

[2]丁道宏.电力电子技术[M].北京:航空工业出版社，1992.

[3]关晓菡，张卫平，张东彦.国内外高校电力电子技术教育现状综述[J]，南京:电气电子教学学报，2006，28(2):4-8.

[4]付保红，王晓东，刘斌.电力电子技术课程教学改革的探索[J]，大庆:大庆师范学院学报，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]洪乃刚等.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社，2006.