王育飛 薛 花 王魯楊 楊興武 趙 玲

（上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090）

針對(duì)應(yīng)用型本科的三相橋式全控整流電路教學(xué)改革

王育飛 薛 花 王魯楊 楊興武 趙 玲

（上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090）

三相橋式全控整流電路晶閘管導(dǎo)通順序、電流流向、輸出波形分析是電力電子技術(shù)教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式通常結(jié)合電路工作原理對(duì)工作過(guò)程逐步展開(kāi)分析，但三相橋式全控整流電路開(kāi)關(guān)數(shù)多，工作模態(tài)切換頻繁，常規(guī)教學(xué)方法不便于學(xué)生理解與應(yīng)用。為提高教學(xué)效率，針對(duì)應(yīng)用型本科開(kāi)展三相橋式全控整流電路的教學(xué)改革，通過(guò)三相橋式全控整流電路和晶閘管多樣式實(shí)物展示，提升學(xué)生感性認(rèn)知和學(xué)習(xí)興趣；摒棄從電路上下橋臂相電壓展開(kāi)分析的傳統(tǒng)方式，直接從線電壓角度入手講解整流電路的工作過(guò)程，清晰明了，簡(jiǎn)單易懂；運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)電路波形進(jìn)行仿真分析與動(dòng)畫演示，加深學(xué)生對(duì)電路性能的理解，為工程實(shí)踐奠定理論基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐表明，三相橋式全控整流電路的教學(xué)效果提升顯著。

應(yīng)用型本科；三相橋式全控整流電路；教學(xué)改革

引言

整流電路是電力電子技術(shù)中出現(xiàn)最早的一種電路形式，其主要功能是將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?，向直流用電設(shè)備供電［1］。按照電路開(kāi)關(guān)器件的可控性，整流電路可分為不可控、半控以及全控三種；按照電路結(jié)構(gòu)的不同又可分為單相電路和三相電路等。其中，三相橋式全控整流電路最為常見(jiàn)，廣泛應(yīng)用于電力牽引、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速以及高壓直流輸電系統(tǒng)等領(lǐng)域。

三相橋式全控整流電路晶閘管的導(dǎo)通順序、電流流向以及輸出電壓波形是電力電子技術(shù)教學(xué)的難點(diǎn)所在。在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，通常按照教材內(nèi)容進(jìn)行原理分析，學(xué)生理解起來(lái)比較困難。為便于學(xué)生理解，提高教學(xué)效率，在實(shí)踐中通過(guò)運(yùn)用實(shí)物圖片給予學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、從線電壓角度分析電路工作過(guò)程、運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)整流電路進(jìn)行仿真分析等措施加強(qiáng)三相橋式全控整流電路的教學(xué)［2］。

一、運(yùn)用實(shí)物給予學(xué)生感性認(rèn)識(shí)

通常，在電力電子技術(shù)教學(xué)過(guò)程中，缺乏對(duì)電力電子器件實(shí)物的介紹。因此，在分析三相橋式全控整流電路原理之前，首先給出晶閘管和整流電路模塊的實(shí)物圖片，讓學(xué)生能夠感性認(rèn)識(shí)到三相橋式全控整流電路的硬件結(jié)構(gòu)。

二、從線電壓角度分析電路工作過(guò)程

三相橋式全控整流電路教學(xué)是電力電子技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)，其中晶閘管通斷順序、電路中電流流向以及波形分析都難以理解。在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，通常將三相橋式全控整流電路分解成兩個(gè)三相半波整流，即共陰極接法和共陽(yáng)極接法的三相半波可控整流電路，再串聯(lián)。因此可以先分析兩種三相半波整流電路，然后再綜合分析。

對(duì)于接電阻性負(fù)載的三相橋式全控整流電路，當(dāng)導(dǎo)通角a≤30°時(shí)，采用傳統(tǒng)分析方法易于學(xué)生理解。但當(dāng)a＞30°時(shí)，學(xué)生理解較為困難。當(dāng)a=60°時(shí)，接電阻性負(fù)載共陰極接法三相半波整流電路，其輸出電壓不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分；同理，接電阻性負(fù)載共陽(yáng)極接法三相半波整流電路，其輸出電壓不會(huì)出現(xiàn)為正的部分。然而實(shí)際電路中ud1出現(xiàn)為負(fù)的部分，ud2出現(xiàn)為正的部分，如果此處不解釋清楚，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生困惑。此外，當(dāng)a=90°時(shí)，在ua的負(fù)半周，VT1導(dǎo)通，很難用三相半波整流電路分析方法來(lái)解釋清楚。

圖1 三相橋式全控整流電路仿真模型

對(duì)于上述問(wèn)題，可以采用直接從兩個(gè)晶閘管承受的線電壓角度來(lái)分析。從變壓器二次繞組相電壓與線電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系可看出，三相橋式全控整流電路中各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓在正半周的交點(diǎn)。因此，在分析ud波形時(shí)，既可從相電壓角度分析，也可以從線電壓角度分析。

三、運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)整流電路進(jìn)行仿真分析

為了加深學(xué)生對(duì)三相橋式全控整流電路工作原理的理解，運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件，對(duì)整流電路進(jìn)行仿真，并詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)波形，仿真模型如圖1所示。變壓器一次側(cè)為三角形連接方式，二次側(cè)為星型連接方式，三相橋式全控整流電路開(kāi)關(guān)器件為晶閘管，直流側(cè)分別接電阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載和反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載。

（一）阻性負(fù)載

對(duì)整流電路直流側(cè)負(fù)載仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：R=50Ω，L=0。分別對(duì)導(dǎo)通角a=0°、30°、60°、90°時(shí)的ud波形、id波形、變壓器二次側(cè)線電壓、晶閘管端電壓以及負(fù)載電流波形情況進(jìn)行仿真分析。

（二）阻感性負(fù)載

對(duì)整流電路直流側(cè)負(fù)載仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：R=5Ω，L= 10H。當(dāng)a≤60°時(shí)，負(fù)載電壓ud波形連續(xù)，電路工作情況與接電阻性負(fù)載時(shí)基本相同，輸出負(fù)載電壓ud、晶閘管承受電壓等波形相同。

當(dāng)a＞60°時(shí)，阻感性負(fù)載的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。例如當(dāng)a=90°，電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載端電壓ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，并且電流波形不連續(xù)；當(dāng)負(fù)載呈阻感性且電感足夠大時(shí)，a=900時(shí)，負(fù)載電壓ud由于電感L的作用出現(xiàn)負(fù)值且平均值為零，同時(shí)負(fù)載電流id波形連續(xù)。

（三）反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載

對(duì)整流電路直流側(cè)負(fù)載仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：R=2Ω，L= 10H，反電動(dòng)勢(shì)E=80V。三相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，并且在負(fù)載電感L足夠大時(shí)，負(fù)載電流id波形連續(xù)。同時(shí)，電路工作情況與阻感負(fù)載時(shí)基本相同，并且晶閘管端電壓、負(fù)載電壓ud以及負(fù)載電流id波形均相同。由于反電動(dòng)勢(shì)的存在，負(fù)載電流id幅值與反電動(dòng)勢(shì)大小有關(guān)

通過(guò)仿真分析可知，三相橋式全控整流電路在分別接三種負(fù)載情況下可正常工作。通過(guò)仿真波形對(duì)比，并結(jié)合提出的整流電路分析方法，加深學(xué)生對(duì)電路性能的理解。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中可以根據(jù)仿真波形制作動(dòng)畫演示，從而為學(xué)生的工程實(shí)踐奠定理論基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，按照教材內(nèi)容進(jìn)行原理分析的教學(xué)方法效率較低。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，提高教學(xué)效率，通過(guò)實(shí)物展示讓學(xué)生對(duì)三相橋式整流電路具有感性認(rèn)識(shí)。在理論分析上，從線電壓角度出發(fā)，詳細(xì)講解整流電路的工作過(guò)程，該方法相對(duì)從三相半波整流電路角度的分析方法更容易讓學(xué)生接受，同時(shí)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)三相橋式全控整流電路進(jìn)行仿真分析，加深學(xué)生對(duì)該分析方法的理解。實(shí)踐表明，運(yùn)用上述方法，教學(xué)效果得到明顯提升。

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The orist conduction sequence，current flow and output waveform analysis of the three-phase full bridge controlled rectifier circuit are the key and difficult points in the teaching of power electronic technology.Combined with the working principle of circuit，traditional teaching mode gradually analyzes its working process.However，there are multiple switches in this circuit and working modes need to be switched frequently，so traditional teaching methods can not make students understand and apply it.Teaching reform of three-phase full bridge controlled rectifier circuit for application-oriented undergraduate is carried out to improve the efficiency of teaching.Through the multiple physical display of three-phase full bridge controlled rectifier circuit and theorists，students' perceptual cognition and learning interest are enhanced.The traditional way which analyzes the phase voltage between the circuit's upper and lower bridge arms is abandoned.Instead，the working process of the rectifier circuit is explained directly from the line voltage，which is clear and easy to understand.Simulation analysis and animation demonstration of the circuit waveform with application of MAT LAB are adopted to deepen students' understanding of the function of the circuit，which lays the theoretical foundation for engineering practice.Teaching practice shows that the teaching effect has been significantly improved.

application-oriented undergraduate；three-phase full-bridge controlled rectifier；teaching reform

G642

A

2096-000X（2016）20-0151-02