电力电子技术课程教学中仿真技术的应用

王祥傲，倪受春，汪先兵，彭　靳，叶玺臣

电力电子技术课程教学中仿真技术的应用

王祥傲，倪受春，汪先兵，彭靳，叶玺臣

摘要:通过国内外高校电力电子技术课程教学的对比分析，指出国内教学方法存在的问题。将MATLAB/Simulink仿真技术融入课堂教学，实现对电路工作原理的动态分析，使课堂教学生动、形象，有助于提高学生学习热情，提升教学效果，并能够培养学生的科研创新能力。

关键词:电力电子技术；仿真；动态分析；创新能力

1国内外高校“电力电子技术”课程教学对比

与高外高校相比，我国高校的电力电子技术课程教学在授课内容、教学手段和实践教学方面都有相当差距。

教学内容方面，国内高校如清华大学、西安交通大学、浙江大学和华北电力大学等相差不大，主要内容有电力电子器件、整流电路、逆变电路、直流斩波电路、交-交变流电路、PWM技术、软开关技术及电力电子技术的应用介绍等，不同高校在后续课程设置上各有侧重。国外高校在强调基本理论的基础上，更多地介绍电力电子技术实际电路的设计与计算分析，如美国麻省理工学院 “电力电子技术”课程对功率因数畸变检测与校正，磁场，EMI滤波器，损耗与吸收电路，热设计等都做了详细介绍。英国曼彻斯特大学将国内高校开设的“电机与拖动”和“电力电子技术”两门课程整合为“电机、拖动与电力电子”，着重介绍电力电子技术在电力传动方面的实际应用[1]。

教学手段方面，形式上国内外高校大致相同，采用多媒体与板书相结合的方式。但国内高校每个教学班的学生数多，课堂教学主要是讲授模式，教学效果不如国外高校互动式的教学模式。而且，国内高校对学生课外查阅文献资料和阅读材料能力的培养往往没有给予重视，许多学生在做课程设计和毕业设计时，不懂得使用论文数据库进行科技文献检索。这也是国内外高校在本科人才培养方面的重要差异。

实验教学方面，国内高校普遍配备电力电子实验平台，但学生实验人数多，实验教师工作量大，开展的实验项目多为验证性实验；国外高校则注重对实验教学方法的改革。美国明尼苏达大学在教学中引入Building Block教学方法。学生根据实验内容，利用Building Block模块中的隔离驱动电路、PWM发生器、EMI滤波电路、故障保护电路等模块构建属于自己的实验电路[2]。另外，国外高校非常重视学生实验报告的撰写，以此加深学生对实验原理和内容的理解，也起到提高学生分析、解决问题的能力。

2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。

3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。

图1三相桥式全控整流电路

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。

图2　三相桥式相控整流电路仿真模型

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。

图3电阻负载时不同触发角的负载电压波形

图4阻感负载时不同触发角的负载电压波形

图5负载电压电容滤波效果对比

4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]

[1]冯垛生．国外高校电力电子技术教育的现状和改革趋势[J]．广东工业大学学报(社会科学版)，2004，4，(3)：45-48．

[2]关晓菡，张卫平，张东彦．国内外高校电力电子技术教育现状综述[J]．电子电气教学学报，2006，28，(2)：4-8．

[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．

[4]张兴．电力电子技术[M]．北京：科学出版社，2013．4．

[5]刘晋，牛印锁，文俊．国内外“电力电子技术”课程教学研究[J]．中国电力教育，2012，(6)：64-65.

[6]荣军，丁跃浇，张敏，陈曦．计算机仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用[J]．中国电力教育，2011，(12)：173-174．

责任编辑：刘海涛

中图分类号：TM92

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2016)02-0117-03

作者简介：王祥傲，汪先兵，彭靳，叶玺臣，滁州学院电子与电气工程学院；倪受春，滁州学院机械与汽车工程学院(安徽 滁州 239000)。

基金项目：滁州学院校级教研项目(2013jyy013， 2014jyy009)；振兴计划省级重大教学研究项目(2013zdjy150)

收稿日期：2015-04-15