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基于仿真技术的电力电子技术课程教学研究

发表时间：2020/7/21 来源：《电力设备》2020年第8期作者：林鸿谊

[导读] 摘要：人类社会自19世纪后期步入电气化时代以来，各种各样的电气产品深刻地改变了人们的生产生活方式，而高品质电能则是电气产品安全、可靠、高效运行的基础。

        （呼和浩特供电段内蒙古乌兰察布 012000）
        摘要：人类社会自19世纪后期步入电气化时代以来，各种各样的电气产品深刻地改变了人们的生产生活方式，而高品质电能则是电气产品安全、可靠、高效运行的基础。电力电子技术作为一门新兴的交叉融合技术，主要研究电能的变换与控制技术。它的出现契合人们对高品质电源的孜孜追求，因而发展迅速，也是工科电气自动化专业的核心课程。
        关键词：虚拟仿真技术；电子技术；课程；教学；应用
        一、电力电子技术课堂教学存在的主要问题
        国内高校在电力电子技术课程的教学中，普遍强调学生对基本理论知识、分析方法的理解与掌握。课堂教授过程中，教师对电力电子电路的工作原理详加分析，大到电路的拓扑结构，小到元器件的电压电流变化。但对于学生而言，一节课能够集中精力听讲的时间是有限的，稍有走神，对于电路分析过程的理解就会有所缺失，并因此在课程学习中留下疑点。长此以往，学生必然会对课程失去兴趣。根据笔者多年教学经验，学生对一门课程的兴趣主要取决于教师的授课风格和授课方法。要提高课堂教学效果，一方面要求教师改变严肃刻板的教态，创造融洽和谐地课堂气氛，鼓励学生踊跃发言，开展课堂教学讨论，使学生真正融入课堂；另一方面要重视教学方法的革新。
        电力电子技术课程教学多采用板书与多媒体技术相结合的方法，充分发挥板书整体性、条理性强和多媒体课件信息容量大、图文并茂的优点。然而无论课件还是板书，在分析电力电子电路时提供的只能是静态的图像，学生的思维受到约束，无法获取电路工作状况的动态信息，从而影响教学效果。
        二、仿真技术在电力电子技术教学中的应用
        针对电力电子技术教学中存在的上述问题，本文将计算机仿真技术应用于课程教学，以电力电子技术课程的“三相桥式全控整流电路”为例。该电路利用晶闸管对三相交流电进行相控整流，从而为大功率直流负载提供直流电能，如图１所示。Ｔ１－Ｔ６为晶闸管，ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ表示三相交流电压源的相电压，以宽脉冲或双窄脉冲方式按一定规律分别触发导通六只晶闸管，可以输出直流电。

该电路结构复杂，不同负载条件下工作情况差别大，是理论教学的重点和难点，单纯使用多媒体或板书教学效果不明显。通过采用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立电路仿真模型，能够对电路的工作原理开展动态分析，仿真电路如图２所示。

        仿真模型由三相交流电源、晶闸管及其触发电路、负载与测量部分组成。利用该仿真模型分析不同触发角时各元件电压、电流的变化，以及负载不同对电路工作状况的影响等问题极为便捷。图３为电阻负载条件下，触发角α分别为０°、６０°、９０°、１２０°时的负载电压波形。分析图３可知，在阻性负载条件下，触发角的改变引起输出电压的变化。当触发角α＝０°～６０°时，负载电压波形连续，α＝６０°是负载电压连续与断续的临界点；随着触发角的增大，负载电压逐渐减小，α＝１２０°时负载电压等于０，即触发角的移相范围为０°～１２０°。应当指出，在零状态条件下，负载电压需要经过一段时间的动态变化才趋于稳态。
        与电阻负载相比，三相桥式整流电路带阻感负载时的工作情况有所差别。图４为１０Ω、１Ｈ阻感负载时，三相桥式全控整流电路在触发角α分别为６０°、９０°时的负载电压波形。
        由图４可知，α在０°～６０°之间，阻感负载时输出电压与电阻负载时相同；α＞６０°因电感续流作用，负载电压波形保持连续，但出现负值；α＝９０°时，负载电压平均值为零，因此触发角移相范围为０°～９０°。
        除负载电压外，仿真也可以方便地分析诸如负载电流、晶闸管压降等的变化，使学生深刻理解三相桥式全控整流电路的工作原理。此外，该仿真模型还可扩展课堂教学内容，如分析输出电压滤波问题。以电阻负载、α＝６０°为例，在负载两端并联２２００ｕＦ滤波电容，得图５所示负载电压波形对比图。分析图５两种情况下负载电压的波形可知，没有电容滤波时，负载电压脉动幅度大，而２２００ｕＦ滤波电容改善了负载电压的平滑性，增大电容值还可进一步提高滤波效果。

        三、总结
        电力电子技术是一门理论与实践紧密结合的工程技术，其应用领域不断拓展，是电气工程、自动化本科专业重要的专业基础课程。本文将计算机仿真技术应用于课程教学中，改革教学方法，将单调枯燥的原理分析转化为电路实际工作过程的动态演示，不仅能够提高学生学习的热情，提升课程教学效果，更重要的是可以合理引导学生将个人电脑运用在学习方面，培养科研创新能力。
        参考文献：
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        ［３］潘海鹏，雷美珍，夏永明，顾敏明．“电力电子技术”课程实验教学改革与探索［Ｊ］．合肥工业大学学报（社会科学版），２０１０，２４，（１）：１０５－１０７．
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