单相交流调压阻感负载电路的仿真教学研究

谢积锦，李红星，何永玲，庄 远，申 康，张占安

(北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535011)

在最近的半个世纪当中，电力电子技术得到了飞速的发展，已经渗透到工农业生产的各个领域当中，几乎可以毫不夸张的说，在用到电的地方几乎都有电力电子技术的身影。基于其应用之广泛，电力电子技术早已经被列为自动化、电气工程、电子信息等专业的人才培养方案主干课程[1-3]，成为了许多涉电类专业的专业必修课，今年还出现在了学生的学科竞赛当中。然而电力电子技术是电子技术、控制技术、电气技术等学科交叉的课程，不仅学生学习该课程有一定的难度，教师在开展教学的过程中也面临了不少的难题，教学效果一直不怎么好。例如，交流-交流变换电路是电力电子技术课程四大变换的重要教学内容之一，对于电路带阻感负载的原理分析理论性比较抽象，公式也比较复杂，电路图及波形图较多而且为静态图形[4-5]，若按照传统授课方式教学，枯燥难讲，学生也难以理解和接受，反而降低学习的兴趣。为了直观地讲解该教学内容，本文介绍借助MATLAB/Simpowersystems的计算机仿真教学。

1 一步一步搭建电路仿真模型

在MATLAB2014b软件环境下，引导学生建立单相交流调压阻感负载电路的仿真模型，由于软件内部经给出了器件、触发信号、电源、示波器等丰富的模块，所以模型的搭建简单快捷，如图1所示。图中晶闸管Thyristor使用默认参数；电源设置有效值为220 V，频率50 Hz；触发信号模块ug1、ug2幅值为10V、周期为0.02 s、占空比10%、触发延迟角α可调；负载RL电阻20 Ω、电感L可调；示波器scope1-scop3用于给学生形象显示、对比仿真结果；powergui模块给学生直观勾画出柱状电压谐波分布及显示谐波总量THD值，避免纷繁复杂的傅里叶公式讲解。

图1 单相交流调压阻感负载电路仿真模型

2 可视化的仿真教学

搭建完电路模型之后，在案例仿真教学中，重点利用仿真针对触发延迟角α大于负载阻抗角φ这一教学难点进行分析，保持电阻R=20 Ω不变。

2.1 电路基本工作原理演示

通过软件设置α=30°、L=4.1 mH，启动仿真演示，观测晶闸管和负载的触发信号、电压、电流波形，并展示对应的柱状负载电压谐波分布，如图2、图3所示，在演示、观测仿真效果的同时向学生详细讲解知识点，并在这个过程中，根据需要调整相关参数设置并对仿真软件进行正确的操作。利用仿真讲解课程难点内容(1)为了能实现调压，触发延迟角α的移相范围为 -90°。(2)两个晶闸管的触发信号互补，一个正半周触发，一个负半周触发。(3)晶闸管导通时两端的电压为零；关断时流过的电流为零，为理想开关管状态，由此也可分辨出电流和电压信号。(4)因为为阻感负载，输出电压和电流波形不相同，负载电流不能突变，且滞后电压波形。(5)在电源电压过零点时，由于电感具有反电势感应作用，当感应电势大于电源电压时，晶闸管仍然维持导通条件，所以管子还能维持一段时间导通，输出电压正半周过零点时出现一段负电压，负半周过零点时出现一段正电压，与电阻负载不同，有续流作用。(6)负载电压谐波分量主要是奇次分量，谐波次数越高，谐波分量越小。

图2 晶闸管2的触发信号、电流、电压演示图

图3 负载电压、电压谐波展示图

2.2 不同情况下的负载电压谐波对比教学

表1 不同α和L时的负载电压谐波

在负载参数一定时，按表1设置仿真参数，进行对比仿真教学，观测不同的触发延迟角α时的负载电压柱状谐波分布。从表1可以看出，当负载参数一定时，随着α的增大，负载电压基波幅值减小，谐波分量增大。此外，从仿真波形也可以看出，波形与正弦波比较，形态变差。

2.3 充分运用现代教育资源巩固教学效果

仿真教学可以省去昂贵的电子元器件、功率模块等费用，节省了开支，在实验室条件不足，教学设备不够的情况下，学校只要给学生配备普通的计算机实验室即可开展仿真教学，不仅如此，学生在用计算机进行仿真的过程不存在安全风险，也不存在实验设备损坏等现象，完全可以在无人指导的情况下开展仿真，学生也可放开手去做实验而不用担心连带的责任。因此，在本课程的教学当中，可以将课程安排在计算机室进行，教师操作教师机，将教师屏幕上的仿真投射到学生机面前，不仅解决了传统PPT课堂，学生看不清的现象，而且可以让学生在课内或者课间开展及时的仿真，增加教学效果。假如学校不具备在计算机室内进行教学的条件，教师还可以进行创新式的教学，利用手机开发APP开展教学。课前，学生可以事先下载教师开发的APP，在APP上利用手机进行在线式或者离线式的仿真，课内听从教师的引导开展仿真，这样在某种程度上也解决了学生上课没事干，喜欢低头玩手机或者趴桌子睡觉等现象，让学生能够时不时地参与操作、有事情做、感兴趣。教师结合课堂教学进度每隔8～10 min安排学生参与操作，这也符合教学的规律，因为研究表明：一般人在听课的时候，只有10 min的时间是能够完全集中精神听课，过了10 min，若是讲课人讲的内容很乏味或是没有吸引他们的兴趣，他们就容易分神，导致教学效果变差，这是一个普遍的现象。本教学案例已经在本校自动化专业2016级学生开展了实施，教学效果得到了一定程度的提高，应该可以推广到其它工科专业课程的教学当中继续验证。

3 结束语

本文以单相交流调压阻感负载电路仿真为案例，借助MATLAB/Simpowersystems工具箱，进行仿真教学，一方面，避免课堂教学中复杂的画图和分析过程，仿真结果清晰、明了，学生易于接受；另一方面，非常方便改变电路参数，深入分析各种情况的工作特征，加深理解电路的工作原理，更好地掌握该电路的知识点，有效地提高了课堂教学效果；最后，借助仿真大大节省购买设备费用，与实物实训相比，仿真过程学生不存在安全风险。