仿真技術在電力電子技術實踐教學中的應用*

艾 青,李時東

(湖北民族學院信息工程學院,湖北 恩施土家族苗族自治州 445000)

仿真技術在電力電子技術實踐教學中的應用*

艾 青,李時東

(湖北民族學院信息工程學院,湖北 恩施土家族苗族自治州 445000)

教學實踐證明,仿真技術是增強電力電子技術課程教學生動性、直觀性和有效性的有力工具.針對傳統實踐教學中對仿真技術理解不夠全面的問題,研究了仿真技術在各個實踐教學環節中的作用,理清了如何利用仿真技術提高電力電子技術實踐教學效果的思路,探討了仿真技術在教學過程中輔助教學、系統認知、工程實踐等環節的作用,為培養具有創新能力的工程應用型人才提供了幫助.

仿真技術;實踐教學;工程應用;輔助教學

1 仿真技術在實踐教學過程的應用

電力電子技術是電氣工程與自動化專業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域,應用廣泛.隨著電力電子器件的快速發展,電力系統中電力電子的使用越來越廣泛,比如發電單元側的光伏、風電等新能源并網發電;輸電網中的柔性交流輸電、遠距離大容量高壓直流輸電;負荷側的電動汽車充放電、電動機的變頻調速等.小功率的電力電子系統應用也很廣泛,比如日常家用電器中的開關電源等.電力電子技術的綜合性、應用性和實踐性很強,不僅要求學生掌握電力電子拓撲電路的基本原理和計算方法,更重要的是培養學生具備工程應用的電力電子系統的綜合分析、設計和創新能力.因此,實踐教學是現代電力電子技術教學過程中的一個十分重要的環節.

傳統的電力電子技術實踐教學受限于硬件實驗裝置和更新速度,已不能較好地滿足教學要求,仿真技術恰好是彌補硬件實驗條件不足的一種有效工具.在電力電子教學過程中引入仿真技術不僅能夠提高教學效果,而且也有利于培養學生的實踐動手能力.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,以滿足相關應用領域的開發設計和測試需求,加深學生從裝置級和系統級等多角度對電力電子電路進行理解和認知.目前,教學中常用的電力電子仿真軟件選擇較多,結合本校學生實際情況,在實踐教學中主要采用資源開放的MATLAB仿真軟件,同時,也鼓勵同學接觸其他軟件平臺,比如PSCAD、中國電力科學研究院的綜合程序PSASP等.MATLAB仿真軟件為電力電子技術實踐教學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,在課程教學各環節中有助于克服傳統授課方式的局限性,提升教學效果.本文根據電力電子技術課程教學要求,在各個教學環節中如何利用仿真技術來提高學生工程應用能力及創新能力開展了教學研究與實踐.各個環節中仿真技術關注的重點有所區別,其應用作用如圖1所示.

圖1 仿真技術在教學過程中的應用

2 仿真技術在實踐教學過程的應用

2.1 課程實驗環節

課程實驗教學首要目的是幫助學生深刻理解理論課堂所講的知識,課程實驗學時一般安排的有8個學時.電力電子學課程主要是講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,變化電路的控制環節也是重點,晶閘管的觸發延遲角及常規的脈沖寬度調制(PWM)控制技術是學生必須掌握的基本知識.安排的實驗學時較少,不能很好地完成實驗教學環節任務.本校很早就建立了專業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、設計性實驗項目較少,學生對硬件試驗臺內部電路和接線缺乏感性認識,導致理論難以聯系實踐,對出現的問題不能進行正確分析和解決.因此,結合理論課堂講授情況,需要積極調動學生學習積極性,調動學生在第二課堂利用仿真軟件化被動學習為主動學習.通過仿真技術加強對基本理論知識的理解和應用特別重要,此外,教師的引導和課題輔助教學也能提升教學效果,以下以整流變化電路的學習為例進行說明.要求學生理解變化電路的主體結構時,以單相整流電路為例,可以采用1個電力電子開關器件、2個開關器件或4個開關器件都可以組成1個二端口網絡結構,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,課堂上可提示學生可以考慮將不控電力電子開關換成可控器件晶閘管或是IGBT,但對應的控制信號需要設計.

圖2 單相整流電路模型圖

仿真結果如圖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象.通過仿真可以引導學生分析出現這些現象的原因,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的控制信號的波形,引導學生深入地研究和觀察電力電子電路的動態響應和穩態響應,從而提高學生理論與工程實踐結合能力.

圖3 單相整流電路仿真結果圖

2.2 課程設計環節

電力電子技術課程設計是學生主要利用電力電子技術知識對現實問題的解決方案進行設計的一種綜合性實踐活動.通過電力電子技術的課程設計可以訓練電力電子技術知識的綜合運用能力、提高學生查閱資料的能力、培養學生分析問題和解決問題的能力,從而為學生走上社會成為一名合格的應用型人才做好準備.本校的教學計劃安排有2周的電力電子技術課程設計.根據工程實踐中對電力電子技術要求設計相關主題,比如小型光伏并網發電系統等,課程設計的主要任務是電力電子技術的應用.要求學生3人為小組,要求學生能通過小功率系統實現核心功能的動態模擬.課程設計目的是培養出學生把理論和實踐相結合的能力,能夠初步完成把知識轉化成現實生產力的可能.

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

2.3 綜合設計及畢業設計環節

在電力電子技術相關課程結束后,可將電力電子技術與其他專業課程結合進行綜合實驗實訓.學院通過組織興趣愛好小組、參與各級各類學科競賽,以及依托教師相關科研課題一步擴展電力電子技術實踐教學范圍,延伸電力電子技術實踐培養環節,使學生的電力電子技術相關知識的綜合運用能力和實踐動手能力得到提升,成為優質的創新型工程應用型人才.畢業設計環節是本科教學中重要一環,最能反映學生大學專業學習效果.針對電氣工程專業的學生而言,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.以電力系統為例,電力電子化程度越來越高,利用各種不同的仿真技術,結合專業知識搭建有一定工程實際參考價值的模型特別重要,這也是學生分析問題、解決問題的前提.比如,引導學生搭建新能源發電單元的模型,在此基礎上設計一些約束條件或控制器的設計要求,這一過程就能很好地鍛煉學生的工程實踐能力,仿真技術能很好地提升實踐教學效果.

3 結束語

電力電子技術是一門實踐性很強的課程,根據應用型高校的教學要求和本課程自身具有的特點以及學院的實際情況,將仿真技術引入電力電子技術相關課程教學,不僅有利于提高學生學習興趣、方便學生第二課程的學習,更加深了學生對電力電子技術工程應用的理解.另外,借助軟件仿真還可以傳授學生理解、分析、研究問題的方法,更好地培養學生綜合創新能力.

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

〔編輯:張思楠〕

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.047

2095-6835(2017)22-0047-03

湖北民族學院教學研究項目:電力電子技術課程設計教學改革研究(項目編號:2015JY015)