陳 萬(wàn)，丁衛(wèi)紅，鄔青海，周恒瑞

(淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223003)

“電力電子技術(shù)”是高校電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化和應(yīng)用電子科學(xué)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(xué)多以電力電子變流電路作為教學(xué)重點(diǎn)，一般以波形分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合適當(dāng)?shù)姆治鲇?jì)算闡述各類電路的工作原理及相關(guān)特性，實(shí)踐內(nèi)容多為機(jī)械重復(fù)操作[3]。如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課和理論課緊密銜接，使學(xué)生更好掌握教學(xué)內(nèi)容，是當(dāng)前“電力電子技術(shù)”教學(xué)亟待解決的問題[4，5]。

1 電力電子理論與實(shí)踐同步教學(xué)法

圖1示出了同步教學(xué)法的流程。

圖1 理論實(shí)踐同步教學(xué)法流程

我們根據(jù)電路組成和功率器件的導(dǎo)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(xué)計(jì)算更容易被學(xué)生接受;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)。根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容的難易程度會(huì)存在理論、實(shí)踐和理論的多次反復(fù)，以達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2 同步教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)

“電力電子技術(shù)”課程受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)所和人員等的限制以及電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中器件容易損壞等因素制約，實(shí)際可以開出的實(shí)驗(yàn)有限。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相比硬件電路實(shí)驗(yàn)具有安全、快捷等優(yōu)勢(shì)。

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(diǎn)[6]:

(1)仿真模型建立較為簡(jiǎn)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(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算仿真軟件，對(duì)復(fù)雜的電路或系統(tǒng)仿真具有優(yōu)勢(shì);

(3)系統(tǒng)仿真時(shí)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(xué)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(xué)大綱要求重點(diǎn)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(fù)雜、工作狀態(tài)多，傳統(tǒng)理論教學(xué)中學(xué)生對(duì)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(tái)由三相電源、三相晶閘管整流橋、同步6脈沖發(fā)生模塊、負(fù)載、電壓電流測(cè)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(tái)

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(shí)現(xiàn);晶閘管的觸發(fā)信號(hào)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(duì)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(fù)載RL和直流電壓源Em的參數(shù)可以改變負(fù)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(fù)載時(shí)，整流電路一個(gè)周期中輸出6個(gè)完全對(duì)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(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 和 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。

圖4 不同觸發(fā)角時(shí)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(gè)晶閘管的觸發(fā)次序，可以通過設(shè)置負(fù)載RL和Em的參數(shù)，考察阻感負(fù)載以及反電勢(shì)負(fù)載時(shí)輸入輸出波形，并重復(fù)相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)和理論分析同步教學(xué)過程。

3.4 電路的拓展分析

學(xué)生通過上述的電路介紹、仿真和理論分析這一教學(xué)過程，可以掌握三相橋式整流電路一些定量關(guān)系。但在實(shí)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(fù)載時(shí)，圖2中的共陽(yáng)極晶閘管VT6出現(xiàn)故障或其觸發(fā)信號(hào)丟失時(shí)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，由于故障，VT6不能導(dǎo)通。這時(shí)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。通過該故障模式的仿真可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)故障的理解和分析。

圖5 VT6觸發(fā)信號(hào)丟失輸出電壓

圖6給出交流側(cè)存在1mH漏感時(shí)的輸出波形。由圖看出每個(gè)工作狀態(tài)在開始一段時(shí)間內(nèi)輸出電壓顯著跌落。以Uab和Uac交點(diǎn)處分析，在圖中兩條直線間的r角度內(nèi)，VT6和VT2換相時(shí)因漏感存在出現(xiàn)換相重疊的情況，即VT6和VT2同時(shí)導(dǎo)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(fù)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(fù)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(shí)輸出電壓

網(wǎng)側(cè)三相交流電壓、負(fù)載和線路中不可避免的存在擾動(dòng)，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(fù)反饋和參考值比較，其誤差控制觸發(fā)角實(shí)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(fù)載電流指令從20A到80A時(shí)，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(shí)Id和Ud的波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了“電力電子技術(shù)”課程理論和實(shí)踐同步的教學(xué)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了電路的工作原理和相控整流電路的實(shí)際應(yīng)用問題，通過教學(xué)試點(diǎn)取得了良好的效果。

電力電子教學(xué)方法改革要兼顧到其它相關(guān)課程的教學(xué)改革的相互促進(jìn)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(xué)改革同步進(jìn)行，才能取得更好的教學(xué)效果。

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)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(guó)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(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)改革的探索[J]，大慶:大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，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(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.