“電力電子技術”課程教學研究

摘要：“電力電子技術”是電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課，其理論性、實踐性、綜合性、應用性較強。針對不同的難點問題采用不同的教學方法，不僅較好地解決了難題，而且可為其他類似課程提供教學思路。

關鍵詞：電力電子技術；電路仿真；波形分析法

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課，是連接弱電和強電的紐帶，且電力電子技術深入應用到國防軍事、農業、商業、工業及交通各個領域。這門課程的特點是理論性、實踐性、綜合性、應用性較強。電力電子技術的研究對象就是各種電源，主要介紹典型電力電子器件的基本結構，工作原理，主要參數以及應用特性，重點研究各種電力電子電路，包括四種基本電力電子電路和組合電力電子電路的原理、特性、分析計算以及其應用，使學生掌握典型電力電子器件和典型電力電子電路的基本理論、基本計算方法，具有分析一般運行問題的能力，為學習后續課程奠定必要的理論基礎。學生除了要具備扎實的高等數學、電路和模擬、數字電子技術知識，在學習的過程中，還要面對以下兩個難點：復雜電力電子電路的波形分析（尤其是工程實際中應用較為廣泛的阻感負載，如直流電機、交流電機等）；電力電子電路功能的具體實現（工程實際中如何實現）。

PWM逆變電路是學生公認的“較難學”的內容之一。逆變電路是將直流電能轉化為交流電能的電力電子電路，將PWM控制技術應用于逆變電路中可以有效地減小輸出電能（電壓或電流）的諧波，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM控制技術。分析電路時，學生不僅要掌握逆變電路的工作過程，還要了解PWM控制技術的工作原理；而電力電子電路可以帶不同負載（如電阻性，電感性和電容性或者混合負載），分析的思路和方法也有所區別。如阻感性負載（典型的如直流電機，交流電機等），其特點就是流過負載的電流滯后于負載兩端的電壓某一個角度（負載阻抗角），另外，一般在講解電路時，只注重工作原理的分析，忽略了電路功能的實現。通過采用不同的教學方法如波形分析法、仿真分析法和試講法等，解決上述難點，希拋磚引玉，達到解決本門課程或者類似課程中其他難點問題的目的。

一、波形分析法

單相電壓型橋式PWM逆變電路如圖1所示，信號波和載波經調制電路，采用雙極性SPWM控制方式，輸出4個觸發脈沖信號。由4個IGBT管V1～V4構成H橋，反并聯電力二極管VD1～VD4，負載為阻感性負載。

針對上述兩個難點，首先采用波形分析法。波形分析法就是對照電路原理圖，根據電路給定條件，繪制出電路中的參考點，特別是流過負載的電流和負載兩端電壓隨時間變化的波形和規律的一種方法，波形分析法不僅可以分析電路的工作原理，還可進行定量計算。圖2是雙極性SPWM控制方式驅動信號生成電路，可讓學生自己分析驅動信號的工作過程。通過這個電路，學生就可以了解雙極性SPWM控制方式下，開關器件的脈沖信號是如何產生的。雖然這個電路比較簡單，但實際觸發電路就是按照這種思路設計的。

圖3是在給出正弦波（調制波）和三角波（載波）后，通過SPWM控制負載側的電壓波形。講解時，對照電路原理圖、驅動信號生成電路，給定正弦波和三角波，按照時間節點，分析出輸出電壓波形。特別注意分析回路中電流的流通路徑（由阻感負載的性質決定），比如說，給V1和V4施加觸發信號，究竟是V1和V4導通，還是VD1和VD4導通？這兩對開關器件能不能同時導通？導通后，加在負載上的電壓是否有所不同？先讓學生有感性認識。

可見，雙極性SPWM控制方式時，三角波載波有正極性，有負極性，所得到的電壓PWM波也是有正有負。

二、仿真分析法

圖2畢竟只是一種簡單的信號生成電路，工程實際中又是如何按照此種思路實現功能的呢？用波形分析法分析電路的工作原理后，可采用仿真分析法繼續深入研究電路的工作過程。另外，電氣工程專業的學生日后不管是走向相應的工作崗位，還是繼續深造，都必須掌握一些應用軟件。因此，在授課過程中，引入仿真分析法，從實用的角度考慮，用仿真軟件將理論分析直觀化，還可為學生日后逐步走向研究領域奠定扎實的基礎，實現從理想電路到真實電路的順利過渡，學生的學習能力從理論學習到仿真實踐的順利提升。

Simulink是美國MathWorks公司推出的Matlab軟件包中最重要的功能模塊之一，是交互式、模塊化的建模和仿真的動態分析系統。在電力電子領域，通常利用專用模塊集SimPowerSystems，該模塊集包含電氣網絡中常見的元器件和設備，直觀易用的圖形方式對電氣系統進行模型描述。模型可與其他Simulink模塊相連接，包含電源、電流回路元器件、電力機械、電子元器件、控制和測量模塊和三相網絡元器件等6個子模塊庫，同標準的Simulink模塊一起使用建立包含電氣系統和控制回路的模型。用戶可以修改系統的初始狀態以便從任意的初始條件進行仿真，圖形用戶界面能夠顯示測量的電流值和電壓值以及所有的狀態變量（電感電流和電容電壓）。

為此，建立單相電壓型橋式PWM逆變電路的仿真模型，帶阻感負載，如圖4所示。仿真模型由直流電源，通用橋模塊（選擇橋臂數為2），雙極性SPWM封裝模塊，負載，電壓、電流測量模塊和示波器6個部分組成。圖5是雙極性SPWM信號生成電路封裝模塊，模塊由正弦函數、三角波函數、增益模塊、常數模塊、乘法模塊和邏輯模塊等6個部分組成，輸出信號是給逆變電路中的4個開關管V1～V4所施加得觸發脈沖。

電路參數如下：直流電壓300V；負載電阻r=1Ω，負載電感L=2mH；m為調制深度，正弦波頻率為50Hz，fc為載波頻率。設置好各個模塊的參數后，仿真結果分別如圖6所示。

從圖中可見，負載電流連續，輸出電壓是SPWM電壓波，脈沖寬度符合正弦變化規律。m=0.5，fc=750Hz與m=1，fc=1500Hz相比，m=1時輸出電壓的中心部分明顯變寬，而fc=1500Hz時輸出交流電流的正弦度更好。若進一步提高載波頻率，則輸出電流會更加接近正弦波（講到此處，可以讓學生分析原因）。講解時，不僅注重電路功能的實現，還要強調負載電流的變化規律和流通路徑，深化在波形分析法中已有的感性認識。學生還可自己建模（如單極性SPWM控制）、仿真，觀察電路更為詳細的工作過程，進而對比兩種控制方式的優劣，從而更加牢固掌握電路工作原理。通過波形分析法和仿真分析法，學生不僅可以了解電路的工作過程，而且可以更深刻的掌握電路的具體工程實現過程，可為以后從事類似設計和工作奠定扎實的理論基礎。

三、試講法

為了檢驗學生是否已經掌握了電路的工作過程，講解完后，將學生分組，每組派出一個代表。試講內容是雙極性和單極性SPWM逆變電路工作過程，不僅將雙極性SPWM逆變電路的工作過程進行分析，而且將自學的單極性SPWM逆變電路進行講解。最后，通過學生自己組織的評審團打分，分出名次。試講法不僅可以促使學生深入領會教學內容，考查學生對于知識的掌握程度，還可以培養其自學能力、口頭表達能力和應變能力，促進學生綜合素質的提高。

四、總結

綜上所述，“電力電子技術”這門課有很多的難點，學生掌握起來比較困難，只要把握好課程的難點和教學關鍵，在課堂教學中采用適當的教學方法，如波形分析法、仿真分析法和試講法等，并及時發現學生在學習中的問題，設法加以解決，實踐證明會使廣大學生取得較好的學習效果。

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（責任編輯：宋秀麗）