艾 青,李時東

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院,湖北 恩施土家族苗族自治州 445000)

仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)實踐教學(xué)中的應(yīng)用*

艾 青,李時東

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院,湖北 恩施土家族苗族自治州 445000)

教學(xué)實踐證明,仿真技術(shù)是增強電力電子技術(shù)課程教學(xué)生動性、直觀性和有效性的有力工具.針對傳統(tǒng)實踐教學(xué)中對仿真技術(shù)理解不夠全面的問題,研究了仿真技術(shù)在各個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的作用,理清了如何利用仿真技術(shù)提高電力電子技術(shù)實踐教學(xué)效果的思路,探討了仿真技術(shù)在教學(xué)過程中輔助教學(xué)、系統(tǒng)認(rèn)知、工程實踐等環(huán)節(jié)的作用,為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程應(yīng)用型人才提供了幫助.

仿真技術(shù);實踐教學(xué);工程應(yīng)用;輔助教學(xué)

1 仿真技術(shù)在實踐教學(xué)過程的應(yīng)用

電力電子技術(shù)是電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門核心課程,該課程綜合了弱電和強電兩個大的領(lǐng)域,應(yīng)用廣泛.隨著電力電子器件的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)中電力電子的使用越來越廣泛,比如發(fā)電單元側(cè)的光伏、風(fēng)電等新能源并網(wǎng)發(fā)電;輸電網(wǎng)中的柔性交流輸電、遠(yuǎn)距離大容量高壓直流輸電;負(fù)荷側(cè)的電動汽車充放電、電動機的變頻調(diào)速等.小功率的電力電子系統(tǒng)應(yīng)用也很廣泛,比如日常家用電器中的開關(guān)電源等.電力電子技術(shù)的綜合性、應(yīng)用性和實踐性很強,不僅要求學(xué)生掌握電力電子拓?fù)潆娐返幕驹砗陀嬎惴椒?更重要的是培養(yǎng)學(xué)生具備工程應(yīng)用的電力電子系統(tǒng)的綜合分析、設(shè)計和創(chuàng)新能力.因此,實踐教學(xué)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)教學(xué)過程中的一個十分重要的環(huán)節(jié).

傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)實踐教學(xué)受限于硬件實驗裝置和更新速度,已不能較好地滿足教學(xué)要求,仿真技術(shù)恰好是彌補硬件實驗條件不足的一種有效工具.在電力電子教學(xué)過程中引入仿真技術(shù)不僅能夠提高教學(xué)效果,而且也有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力.不僅能加強基于電力電子器件的基本變換電路的理解和分析,還能夠模擬各種被控制對象和控制原型,以滿足相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)設(shè)計和測試需求,加深學(xué)生從裝置級和系統(tǒng)級等多角度對電力電子電路進行理解和認(rèn)知.目前,教學(xué)中常用的電力電子仿真軟件選擇較多,結(jié)合本校學(xué)生實際情況,在實踐教學(xué)中主要采用資源開放的MATLAB仿真軟件,同時,也鼓勵同學(xué)接觸其他軟件平臺,比如PSCAD、中國電力科學(xué)研究院的綜合程序PSASP等.MATLAB仿真軟件為電力電子技術(shù)實踐教學(xué)提供了很好的元件和模型庫,以及豐富的仿真例程,并且具備很多成熟的組件和模型,在課程教學(xué)各環(huán)節(jié)中有助于克服傳統(tǒng)授課方式的局限性,提升教學(xué)效果.本文根據(jù)電力電子技術(shù)課程教學(xué)要求,在各個教學(xué)環(huán)節(jié)中如何利用仿真技術(shù)來提高學(xué)生工程應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力開展了教學(xué)研究與實踐.各個環(huán)節(jié)中仿真技術(shù)關(guān)注的重點有所區(qū)別,其應(yīng)用作用如圖1所示.

圖1 仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用

2 仿真技術(shù)在實踐教學(xué)過程的應(yīng)用

2.1 課程實驗環(huán)節(jié)

課程實驗教學(xué)首要目的是幫助學(xué)生深刻理解理論課堂所講的知識,課程實驗學(xué)時一般安排的有8個學(xué)時.電力電子學(xué)課程主要是講4種基本變換電路,其中,整流、逆變和直流斬波電路是重點,另外,變化電路的控制環(huán)節(jié)也是重點,晶閘管的觸發(fā)延遲角及常規(guī)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制技術(shù)是學(xué)生必須掌握的基本知識.安排的實驗學(xué)時較少,不能很好地完成實驗教學(xué)環(huán)節(jié)任務(wù).本校很早就建立了專業(yè)的電力電子與電力拖動實驗室,硬件實驗效果較好,但隨著時間的推移,設(shè)備的更新與維護換代比較慢,且硬件實驗項目較難擴展,綜合性、設(shè)計性實驗項目較少,學(xué)生對硬件試驗臺內(nèi)部電路和接線缺乏感性認(rèn)識,導(dǎo)致理論難以聯(lián)系實踐,對出現(xiàn)的問題不能進行正確分析和解決.因此,結(jié)合理論課堂講授情況,需要積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,調(diào)動學(xué)生在第二課堂利用仿真軟件化被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí).通過仿真技術(shù)加強對基本理論知識的理解和應(yīng)用特別重要,此外,教師的引導(dǎo)和課題輔助教學(xué)也能提升教學(xué)效果,以下以整流變化電路的學(xué)習(xí)為例進行說明.要求學(xué)生理解變化電路的主體結(jié)構(gòu)時,以單相整流電路為例,可以采用1個電力電子開關(guān)器件、2個開關(guān)器件或4個開關(guān)器件都可以組成1個二端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),首端是交流電源,而送出端口則是直流電壓.搭建的MATLAB仿真模型如圖2所示,課堂上可提示學(xué)生可以考慮將不控電力電子開關(guān)換成可控器件晶閘管或是IGBT,但對應(yīng)的控制信號需要設(shè)計.

圖2 單相整流電路模型圖

仿真結(jié)果如圖3所示,從中可以觀察整流輸出的直流電壓Vd1,還有電力電子開關(guān)器件D2和D4中流過的電流,可以看到整流電路輸出電壓Vd1還有一定紋波,而D2和D4二極管中流過的電流有疊加的現(xiàn)象.通過仿真可以引導(dǎo)學(xué)生分析出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因,從而加深對變化電路理論知識的理解.另一方面,也要提醒學(xué)生在實物實驗時注意觀察這些物理波形,包括控制電力電子開關(guān)的控制信號的波形,引導(dǎo)學(xué)生深入地研究和觀察電力電子電路的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng),從而提高學(xué)生理論與工程實踐結(jié)合能力.

圖3 單相整流電路仿真結(jié)果圖

2.2 課程設(shè)計環(huán)節(jié)

電力電子技術(shù)課程設(shè)計是學(xué)生主要利用電力電子技術(shù)知識對現(xiàn)實問題的解決方案進行設(shè)計的一種綜合性實踐活動.通過電力電子技術(shù)的課程設(shè)計可以訓(xùn)練電力電子技術(shù)知識的綜合運用能力、提高學(xué)生查閱資料的能力、培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力,從而為學(xué)生走上社會成為一名合格的應(yīng)用型人才做好準(zhǔn)備.本校的教學(xué)計劃安排有2周的電力電子技術(shù)課程設(shè)計.根據(jù)工程實踐中對電力電子技術(shù)要求設(shè)計相關(guān)主題,比如小型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等,課程設(shè)計的主要任務(wù)是電力電子技術(shù)的應(yīng)用.要求學(xué)生3人為小組,要求學(xué)生能通過小功率系統(tǒng)實現(xiàn)核心功能的動態(tài)模擬.課程設(shè)計目的是培養(yǎng)出學(xué)生把理論和實踐相結(jié)合的能力,能夠初步完成把知識轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實生產(chǎn)力的可能.

課程設(shè)計一般要經(jīng)歷課題選擇、解決方案的確立、元器件的選擇、系統(tǒng)仿真驗證、實物電路的連接和方案的實物測試等環(huán)節(jié).課程設(shè)計中引導(dǎo)學(xué)生注意仿真技術(shù)不僅可以驗證方案的準(zhǔn)確性,也能方便模擬系統(tǒng)參數(shù)來計算系統(tǒng)的設(shè)計是否有誤,并且可以輔助判斷元器件選擇,且也能大大縮短設(shè)計的開發(fā)周期.課程設(shè)計環(huán)節(jié)中較難實現(xiàn)的是控制子系統(tǒng)的設(shè)計,可通過三相全控型整流電路的控制系統(tǒng)為例進行說明.從控制系統(tǒng)可以了解到的是鎖相環(huán)的設(shè)計,控制系統(tǒng)的作用信號必須與主電路的電壓電流信號匹配,才能實現(xiàn)有效控制.另外,根據(jù)整流輸出的直流電壓作為參考,可以調(diào)節(jié)控制脈沖信號.其中,有一些電力系統(tǒng)常用的坐標(biāo)系變換,通過仿真軟件的學(xué)習(xí)能夠提高學(xué)生的專業(yè)理解能力.此外,也能從工程應(yīng)用的需求來分析問題,思考解決問題的具體方法,從而鍛煉學(xué)生面向工程解決實際問題的能力.

2.3 綜合設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)

在電力電子技術(shù)相關(guān)課程結(jié)束后,可將電力電子技術(shù)與其他專業(yè)課程結(jié)合進行綜合實驗實訓(xùn).學(xué)院通過組織興趣愛好小組、參與各級各類學(xué)科競賽,以及依托教師相關(guān)科研課題一步擴展電力電子技術(shù)實踐教學(xué)范圍,延伸電力電子技術(shù)實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié),使學(xué)生的電力電子技術(shù)相關(guān)知識的綜合運用能力和實踐動手能力得到提升,成為優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新型工程應(yīng)用型人才.畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)是本科教學(xué)中重要一環(huán),最能反映學(xué)生大學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)效果.針對電氣工程專業(yè)的學(xué)生而言,很多的工程實踐很難做出實物,有些研究課題只能通過仿真來完成.以電力系統(tǒng)為例,電力電子化程度越來越高,利用各種不同的仿真技術(shù),結(jié)合專業(yè)知識搭建有一定工程實際參考價值的模型特別重要,這也是學(xué)生分析問題、解決問題的前提.比如,引導(dǎo)學(xué)生搭建新能源發(fā)電單元的模型,在此基礎(chǔ)上設(shè)計一些約束條件或控制器的設(shè)計要求,這一過程就能很好地鍛煉學(xué)生的工程實踐能力,仿真技術(shù)能很好地提升實踐教學(xué)效果.

3 結(jié)束語

電力電子技術(shù)是一門實踐性很強的課程,根據(jù)應(yīng)用型高校的教學(xué)要求和本課程自身具有的特點以及學(xué)院的實際情況,將仿真技術(shù)引入電力電子技術(shù)相關(guān)課程教學(xué),不僅有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、方便學(xué)生第二課程的學(xué)習(xí),更加深了學(xué)生對電力電子技術(shù)工程應(yīng)用的理解.另外,借助軟件仿真還可以傳授學(xué)生理解、分析、研究問題的方法,更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力.

[1]王春鳳,李旭春.電力電子技術(shù)實驗教學(xué)改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(09).

[2]許俊云.仿真軟件在課程設(shè)計中的綜合運用及問題對策[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(07).

[3]艾青,李時東.基于MATLAB的電氣工程專業(yè)實驗教學(xué)改革研究[J].中國電力教育,2014(35).

[4]蘇良昱,王武,葛瑜.電力電子技術(shù)仿真實驗教學(xué)與創(chuàng)新思維拓展[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(01).

[5]曹勇,吳峰.電力電子技術(shù)仿真教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育,2014(36).

[6]王輝,李宇豪,楊振.仿真技術(shù)在柔性交流輸電系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù),2016(05).

艾青(1978-),男,湖北公安人,碩士,講師,主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制.

〔編輯:張思楠〕

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.047

2095-6835(2017)22-0047-03

湖北民族學(xué)院教學(xué)研究項目:電力電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)改革研究(項目編號:2015JY015)