單相交流調(diào)壓阻感負(fù)載電路的仿真教學(xué)研究

謝積錦，李紅星，何永玲，莊 遠(yuǎn)，申 康，張占安

(北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011)

在最近的半個(gè)世紀(jì)當(dāng)中，電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已經(jīng)滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，幾乎可以毫不夸張的說，在用到電的地方幾乎都有電力電子技術(shù)的身影。基于其應(yīng)用之廣泛，電力電子技術(shù)早已經(jīng)被列為自動(dòng)化、電氣工程、電子信息等專業(yè)的人才培養(yǎng)方案主干課程[1-3]，成為了許多涉電類專業(yè)的專業(yè)必修課，今年還出現(xiàn)在了學(xué)生的學(xué)科競賽當(dāng)中。然而電力電子技術(shù)是電子技術(shù)、控制技術(shù)、電氣技術(shù)等學(xué)科交叉的課程，不僅學(xué)生學(xué)習(xí)該課程有一定的難度，教師在開展教學(xué)的過程中也面臨了不少的難題，教學(xué)效果一直不怎么好。例如，交流-交流變換電路是電力電子技術(shù)課程四大變換的重要教學(xué)內(nèi)容之一，對于電路帶阻感負(fù)載的原理分析理論性比較抽象，公式也比較復(fù)雜，電路圖及波形圖較多而且為靜態(tài)圖形[4-5]，若按照傳統(tǒng)授課方式教學(xué)，枯燥難講，學(xué)生也難以理解和接受，反而降低學(xué)習(xí)的興趣。為了直觀地講解該教學(xué)內(nèi)容，本文介紹借助MATLAB/Simpowersystems的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)。

1 一步一步搭建電路仿真模型

在MATLAB2014b軟件環(huán)境下，引導(dǎo)學(xué)生建立單相交流調(diào)壓阻感負(fù)載電路的仿真模型，由于軟件內(nèi)部經(jīng)給出了器件、觸發(fā)信號(hào)、電源、示波器等豐富的模塊，所以模型的搭建簡單快捷，如圖1所示。圖中晶閘管Thyristor使用默認(rèn)參數(shù)；電源設(shè)置有效值為220 V，頻率50 Hz；觸發(fā)信號(hào)模塊ug1、ug2幅值為10V、周期為0.02 s、占空比10%、觸發(fā)延遲角α可調(diào)；負(fù)載RL電阻20 Ω、電感L可調(diào)；示波器scope1-scop3用于給學(xué)生形象顯示、對比仿真結(jié)果；powergui模塊給學(xué)生直觀勾畫出柱狀電壓諧波分布及顯示諧波總量THD值，避免紛繁復(fù)雜的傅里葉公式講解。

圖1 單相交流調(diào)壓阻感負(fù)載電路仿真模型

2 可視化的仿真教學(xué)

搭建完電路模型之后，在案例仿真教學(xué)中，重點(diǎn)利用仿真針對觸發(fā)延遲角α大于負(fù)載阻抗角φ這一教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行分析，保持電阻R=20 Ω不變。

2.1 電路基本工作原理演示

通過軟件設(shè)置α=30°、L=4.1 mH，啟動(dòng)仿真演示，觀測晶閘管和負(fù)載的觸發(fā)信號(hào)、電壓、電流波形，并展示對應(yīng)的柱狀負(fù)載電壓諧波分布，如圖2、圖3所示，在演示、觀測仿真效果的同時(shí)向?qū)W生詳細(xì)講解知識(shí)點(diǎn)，并在這個(gè)過程中，根據(jù)需要調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置并對仿真軟件進(jìn)行正確的操作。利用仿真講解課程難點(diǎn)內(nèi)容(1)為了能實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，觸發(fā)延遲角α的移相范圍為 -90°。(2)兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)信號(hào)互補(bǔ)，一個(gè)正半周觸發(fā)，一個(gè)負(fù)半周觸發(fā)。(3)晶閘管導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓為零；關(guān)斷時(shí)流過的電流為零，為理想開關(guān)管狀態(tài)，由此也可分辨出電流和電壓信號(hào)。(4)因?yàn)闉樽韪胸?fù)載，輸出電壓和電流波形不相同，負(fù)載電流不能突變，且滯后電壓波形。(5)在電源電壓過零點(diǎn)時(shí)，由于電感具有反電勢感應(yīng)作用，當(dāng)感應(yīng)電勢大于電源電壓時(shí)，晶閘管仍然維持導(dǎo)通條件，所以管子還能維持一段時(shí)間導(dǎo)通，輸出電壓正半周過零點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)一段負(fù)電壓，負(fù)半周過零點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)一段正電壓，與電阻負(fù)載不同，有續(xù)流作用。(6)負(fù)載電壓諧波分量主要是奇次分量，諧波次數(shù)越高，諧波分量越小。

圖2 晶閘管2的觸發(fā)信號(hào)、電流、電壓演示圖

圖3 負(fù)載電壓、電壓諧波展示圖

2.2 不同情況下的負(fù)載電壓諧波對比教學(xué)

表1 不同α和L時(shí)的負(fù)載電壓諧波

在負(fù)載參數(shù)一定時(shí)，按表1設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行對比仿真教學(xué)，觀測不同的觸發(fā)延遲角α?xí)r的負(fù)載電壓柱狀諧波分布。從表1可以看出，當(dāng)負(fù)載參數(shù)一定時(shí)，隨著α的增大，負(fù)載電壓基波幅值減小，諧波分量增大。此外，從仿真波形也可以看出，波形與正弦波比較，形態(tài)變差。

2.3 充分運(yùn)用現(xiàn)代教育資源鞏固教學(xué)效果

仿真教學(xué)可以省去昂貴的電子元器件、功率模塊等費(fèi)用，節(jié)省了開支，在實(shí)驗(yàn)室條件不足，教學(xué)設(shè)備不夠的情況下，學(xué)校只要給學(xué)生配備普通的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室即可開展仿真教學(xué)，不僅如此，學(xué)生在用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的過程不存在安全風(fēng)險(xiǎn)，也不存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞等現(xiàn)象，完全可以在無人指導(dǎo)的情況下開展仿真，學(xué)生也可放開手去做實(shí)驗(yàn)而不用擔(dān)心連帶的責(zé)任。因此，在本課程的教學(xué)當(dāng)中，可以將課程安排在計(jì)算機(jī)室進(jìn)行，教師操作教師機(jī)，將教師屏幕上的仿真投射到學(xué)生機(jī)面前，不僅解決了傳統(tǒng)PPT課堂，學(xué)生看不清的現(xiàn)象，而且可以讓學(xué)生在課內(nèi)或者課間開展及時(shí)的仿真，增加教學(xué)效果。假如學(xué)校不具備在計(jì)算機(jī)室內(nèi)進(jìn)行教學(xué)的條件，教師還可以進(jìn)行創(chuàng)新式的教學(xué)，利用手機(jī)開發(fā)APP開展教學(xué)。課前，學(xué)生可以事先下載教師開發(fā)的APP，在APP上利用手機(jī)進(jìn)行在線式或者離線式的仿真，課內(nèi)聽從教師的引導(dǎo)開展仿真，這樣在某種程度上也解決了學(xué)生上課沒事干，喜歡低頭玩手機(jī)或者趴桌子睡覺等現(xiàn)象，讓學(xué)生能夠時(shí)不時(shí)地參與操作、有事情做、感興趣。教師結(jié)合課堂教學(xué)進(jìn)度每隔8～10 min安排學(xué)生參與操作，這也符合教學(xué)的規(guī)律，因?yàn)檠芯勘砻鳎阂话闳嗽诼犝n的時(shí)候，只有10 min的時(shí)間是能夠完全集中精神聽課，過了10 min，若是講課人講的內(nèi)容很乏味或是沒有吸引他們的興趣，他們就容易分神，導(dǎo)致教學(xué)效果變差，這是一個(gè)普遍的現(xiàn)象。本教學(xué)案例已經(jīng)在本校自動(dòng)化專業(yè)2016級(jí)學(xué)生開展了實(shí)施，教學(xué)效果得到了一定程度的提高，應(yīng)該可以推廣到其它工科專業(yè)課程的教學(xué)當(dāng)中繼續(xù)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

本文以單相交流調(diào)壓阻感負(fù)載電路仿真為案例，借助MATLAB/Simpowersystems工具箱，進(jìn)行仿真教學(xué)，一方面，避免課堂教學(xué)中復(fù)雜的畫圖和分析過程，仿真結(jié)果清晰、明了，學(xué)生易于接受；另一方面，非常方便改變電路參數(shù)，深入分析各種情況的工作特征，加深理解電路的工作原理，更好地掌握該電路的知識(shí)點(diǎn)，有效地提高了課堂教學(xué)效果；最后，借助仿真大大節(jié)省購買設(shè)備費(fèi)用，與實(shí)物實(shí)訓(xùn)相比，仿真過程學(xué)生不存在安全風(fēng)險(xiǎn)。