電力電子技術(shù)線上教學

陳嵐峰, 崔 崧, 李 柳

(沈陽師范大學 物理科學與技術(shù)學院, 沈陽 110034)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的線下教學遭受到了時代的沖擊而跟不上時代的高速發(fā)展。具有先進教學理念的線上教學方式方法,在此背景下受到了越來越多人的關(guān)注和認可。如何把二者緊密結(jié)合起來就成為現(xiàn)階段教學的研究熱點[1-2]。實現(xiàn)提升教學效率這一目標,既離不開教師對教學方法、模式的改進,同時也需要學生的支持和配合[3]。面對疫情,大規(guī)模的在線教學實踐推動了我國教育的多維創(chuàng)新[4-6]。

由于電子類課程的特殊性,每門課程都需要安排大量的實驗來輔助理論教學,從而使學生深入地認知所學知識。對于電力電子電路的設計,需要對初步設計方案以及相關(guān)元件參數(shù)的選擇是否合理進行驗證。若不能滿足要求,還要更換元件甚至要重新設計、安裝、調(diào)試。但這樣做的后果是耗費大量的人力和物力,且效率低、耗資大、周期長[7]。線上實驗教學可以動態(tài)系統(tǒng)建模,只需要通過簡單直觀的鼠標操作,就能夠構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)[8]。

三相電壓型逆變電路[9]結(jié)構(gòu)復雜,單純憑借線下理論講解學生不容易掌握,需要配合實驗才能使學生有感性的認知。線上教學具有可實時操作的便捷性,學生可以在線下學習完理論知識后立即做仿真實驗,觀測仿真結(jié)果,驗證理論知識。

本文基于線上網(wǎng)絡教學講授的電力電子技術(shù)課程,淺談線上教學講授過程,并總結(jié)分析其特點。首先舉例說明電力電子技術(shù)中較為復雜的三相電壓型逆變電路的工作原理,然后基于MATLAB/Simulink軟件仿真實際電路[10-11],給出仿真波形。實踐證明,仿真實驗教學能夠使學生對電路產(chǎn)生感性認知,深入了解電路的工作過程。

1 實踐證明三相電壓型逆變電路的工作原理

電壓型逆變器就是逆變電路中的輸入直流能量由一個穩(wěn)定的電壓源提供,其工作特點是逆變器在脈寬調(diào)制時的輸出電壓的幅值等于電壓源的幅值,而電流的波形則取決于實際的負載阻抗[12]。三相電壓型逆變器的基本電路如圖1所示。該電路主要由6只功率開關(guān)器件和6只續(xù)流二極管以及帶中性點的直流電壓源構(gòu)成。圖中的三相負載由各路阻抗構(gòu)成。該電路的基本工作方式是180°的導電方式,即每個橋臂導電180°,而同一相的上下兩臂交替導電,各相開始導電的角度差為120°。任一瞬間,都有3個橋臂同時導通的情況。每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行,因而也稱為縱向換流。

圖1 三相逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Three-phase inverter circuit topology

2 仿真實驗軟件

目前,常用的電力電子模擬電路仿真軟件大體可以分為如下幾類:一類是利用包含有詳細器件模型的通用電路仿真軟件[13-15],如SPICE、SABER來進行電力電子電路的仿真;另一類是現(xiàn)有的用于專業(yè)仿真的軟件,如在電力系統(tǒng)仿真軟件EMTP中加入理想開關(guān)為模型的電力電子器件軟件,能夠?qū)⒎抡骖I(lǐng)域擴展到包括電力電子裝置的系統(tǒng)分析當中;還有一類是針對電子電路的某些方面,如熱學、電磁兼容等進行專業(yè)分析的軟件,將它們用于電力電子電路的設計,從而提高產(chǎn)品的可靠性。

在使用Simulink軟件進行電力電子仿真時,可以選取標準的電路組件對具有多個開關(guān)器件的復雜拓撲進行建模仿真。可以采用平均值模型或者理想開關(guān)進行快速仿真,也可以采用寄生參數(shù)和細節(jié)設計或建立詳細的非線性開關(guān)模型。與 SPICE等常用電路仿真器的不同之處在于,使用Simulink進行的電力電子仿真能夠提供下列功能,方便控制設計、優(yōu)化研究和仿真模型的自動代碼生成[16-18]。

1) 便于設計、仿真和比較控制器架構(gòu);

2) 能夠基于交流頻率掃描和系統(tǒng)辨識等方法,對包含開關(guān)效應的非線性系統(tǒng)模型應用經(jīng)典控制技術(shù);

3) 可以使用自動調(diào)節(jié)工具在單個或多個反饋回路中自動調(diào)節(jié)控制器的增益,能夠使用滑動模式控制或增益調(diào)度等技術(shù)設計非線性控制器;

4) 能夠設計并且全面測試電路中的故障保護電路和邏輯;

5) 可以使用優(yōu)化和分析工具針對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化并對其敏感性進行分析;

6) 能夠加快基于多個仿真的研究速度,這些仿真可以在多核處理器和計算集群上并行運行;

7) 可以生成控制算法的C或HDL代碼,以便使用實時目標計算機進行快速原型,或在微處理器或FPGA上進行;

8) 能夠針對具有多核CPU和FPGA的實時目標計算機生成電路和電機模型的C或HDL代碼,以通過硬件在環(huán)確認控制器;

9) 可以基于形式化驗證功能來開發(fā)嵌入式軟件,使其符合政府法規(guī)和標準;

基于以上優(yōu)點,本文采用Simulink軟件針對電力電子電路進行仿真分析,驗證理論知識。

3 仿真實驗過程

基于Simulink搭建三相逆變電路,如圖2所示。Universal Bridge 3 arms是通用三相逆變橋電路模塊;Discrete PWM Generator 6 pulses為離散6路脈沖發(fā)生器,產(chǎn)生6路PWM波形用于觸發(fā)逆變橋開關(guān)管IGBT。

圖2 三相逆變電路simulink框圖Fig.2 The simulink block diagram of Three-phase inverter circuit

Discrete PWM Generator 6 pulses即6脈沖產(chǎn)生電路設置對話框如圖3所示。其中的Modulation index用于更改調(diào)制度。當調(diào)制度減小時,輸出交流電的有效值也會減小,從而改變輸出電的有效值。

圖3 Discrete PWM Generator 6 pulses參數(shù)設置對話框Fig.3 The parameterssetting dialog box of Discrete PWM Generator 6 pulses

經(jīng)過仿真,直流電壓400 V逆變之后產(chǎn)生的交流電實時波形和負載線電壓波形如圖4所示。由圖4可知,該逆變器屬于單極性逆變,產(chǎn)生的負載交流電壓波形并不平滑。

圖4 逆變器輸出線電壓和負載線電壓波形Fig.4 The output line voltage waveform and load line voltage waveformof Inverter

三相負載側(cè)的交流電壓波形如圖5所示,可以得到比較滿意的交流電,其幅值可以通過改變調(diào)制度實現(xiàn)。

圖5 調(diào)制度為0.85時的三相負載線電壓波形Fig.5 The waveform of Three-phase load line voltage based on the modulation is 0.85

改變調(diào)制度為0.65時的電路仿真波形如圖6所示。

圖6 調(diào)制度為0.65時的三相負載線電壓波形Fig.6 The waveform of Three-phase load line voltage based on the modulation is 0.65

比較圖5和圖6,在不同的調(diào)制度情況下輸出線電壓的有效值由214.5 V變成了163.4 V。說明改變調(diào)制度值就可以改變逆變電路的輸出電壓有效值。

通過理論知識的講授和實時的仿真實驗,可以使學生深刻認知電路的工作原理,更好地掌握所學知識,體現(xiàn)線上學習的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

網(wǎng)絡教學結(jié)合仿真實驗,可以使學生在了解相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上,實際動手操作仿真軟件,對所學知識點獲得具體的感性認識,實踐證明,該網(wǎng)絡教學方法可以取得較好的教學效果,從而使學生更為透徹地理解所學知識點。