模擬仿真在《電力電子技術》教學中的應用研究①

陸興娟，馮晶晶，顧玉娥

[摘 要] 模擬仿真教學在《電力電子技術》課程教學中的應用，能夠提高學生的學習興趣，能夠提高學生對教學難點的理解。以三相全控橋式整流電路排故為例，詳細說明了模擬仿真教學過程，電路中不同地點出現故障時，相應的負載上出現的電壓波形。從而在實際實驗時，從負載上的電壓波形，能夠正確判斷設備中的故障點。

[關 鍵 詞] 電力電子技術；模擬仿真；故障

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）09-0110-04

高職電類專業肩負著為電氣行業培養高端技能型專門人才的重任。由于電力電子技術相關的生產設備有高電壓、大容量、自動化程度高、連續運行、價格昂貴等特點，為了保證生產的連續性、安全性、可靠性，生產現場很難安排電類專業學生的教學。近年來，隨著仿真技術、計算機技術、多媒體教學技術的迅速發展，高職院校在電力電子教學中結合電氣生產、建設和發展的情況，積極組織開發仿真教學項目，開展仿真項目教學，為電類行業培養了大批高端技能專門人才。

教高司函〔2013〕94號文件指出：為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（教高〔2012〕4號）精神，根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》，經研究決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。可見，仿真教學得到了國家政策的大力支持。目前有很多軟件，比如matlab、proteus等都為電類專業課的教學提供了仿真條件。高職教學要緊跟技術進步，利用仿真技術，積極開發接近企業的典型工作情景的仿真模型，模擬實際的電氣系統的運行、檢修和故障狀態，實現靈活的人機交互、師生互動的教學環境，為培養電類專業高端技能型專門人才創造教學條件。所以仿真教學是高職教學的必然趨勢。

課程的教學內容融入與高級維修電工的國家職業資格考證相關內容；開發《電力電子技術》課程相關的模擬仿真模型，實現模擬仿真實踐化教學。

一、電力電子技術模擬仿真教學改革

電力電子技術課程內容主要是波形分析，所以非常抽象，很難理解。我們學校的電氣自動化專業采用的是馬宏騫老師主編的《電力電子技術及應用項目教程》教材。教材內容包括七個項目：分別是項目1晶閘管，項目2可控整流器，項目3有源逆變器，項目4全控型電力電子器件，項目5變頻器，項目6直流斬波器，項目7交流變換器。課時安排為48學時，其中8學時為實驗學，電力電子技術的理論占總學時的83%。但是理論教學內容非常多，在有限的教學課時內完成教學內容，把難點講解透徹是比較困難的。比如，項目2的可控整流器部分，主要內容有單相整流（單相半波整流、單相全控橋式整流）和三相整流（三相半波整流、三相全控橋式整流），每一種整流電路又按照電阻性負載、電感性負載、電感性負載接續流二極管三種不同的負載進行分析。每種電路還要分析在不同控制角的情況下的電路工作原理，分析負載電壓、負載電流、晶閘管上的電壓的波形，電量的參數計算等。如此復雜的電路分析過程，僅僅依靠PPT、黑板板書等方式來進行講解，既無法完成教學內容，又無法讓學生深刻地理解各電路的工作過程，也就無法對電路出現的故障進行排除，無法具體設計電力電子電路的能力。

《電力電子技術》課程的模擬仿真教學就是要改變上述的教學和學習的問題。課程的教學內容融入與高級維修電工的國家職業資格考證相關內容要求；開發課程仿真教學項目，實現仿真實踐化教學；學生下載仿真軟件，讓課堂教學延伸到課外，學生可以在課外進行自主學習、探究。

二、模擬仿真教學過程實例分析

電力電子技術在高級維修電工國家職業資格考證中的內容是三相全控橋式整流電路電阻性負載的連接和故障排除。由于實際過程比較復雜，我們先用仿真，設置故障得到相應的仿真波形，從而在實際過程中看到示波器的波形就可以正確判斷故障點在哪里。

以三相全控橋式整流電路電阻性負載，控制角0度時的輸出電壓為例。

（一）正確的波形

圖1是三相全控橋式整流電阻性負載的電路圖。圖2是三相全控橋式整流電路電阻性負載，控制角為0度時在MATLAB仿真軟件中搭建的仿真模型以及負載上的電壓波形。正確的波形是一個周期中由6個相同的波形（Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb）組成，每個波頭60度。

（二）少了二個波頭

如果仿真示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uab、Uac二個波頭。（如圖3所示）

從仿真模型中清楚地看出，a相電壓和Vt1晶閘管的連線斷開了，所以Vt1晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uac、Uab這兩個波形。只要Vt1不導通，負載電壓就會少這兩個波頭，那么導致Vt1不能導通的原因還有可能是：Vt1晶閘管本身壞了、Vt1的脈沖Ug1沒有傳送過來、Vt1連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖3所示的電壓波形。

如果仿真示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Ubc、Uba二個波頭。（如圖4所示）

從仿真模型中清楚地看出b相電壓和Vt3晶閘管的連線斷開了，所以Vt3晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Ubc、Uba這兩個波形。只要Vt3不導通，負載電壓就會少這兩個波頭，那么導致Vt3不能導通的原因還有可能是：Vt3晶閘管本身壞了、Vt3的脈沖Ug3沒有傳送過來、Vt3連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖4所示的電壓波形。

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uca、Ucb二個波頭。（如圖5所示）

從仿真模型中清楚地看出c相電壓和Vt5晶閘管的連線斷開了，所以Vt5晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uca、Ucb這兩個波形。只要Vt5不導通，負載電壓就會少掉這兩個波頭，那么導致Vt5不能導通的原因還有可能是：Vt5晶閘管本身壞了、Vt5的脈沖Ug5沒有傳送過來、Vt5連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖5所示的電壓波形。

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uba、Uca二個波頭。（如圖6所示）

從仿真模型中清楚地看出a相電壓和Vt4晶閘管的連線斷開了，所以Vt4晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uba、Uca這兩個波形。只要Vt4不導通，負載電壓就會少掉這兩個波頭，那么導致Vt4不能導通的原因還有可能是：Vt4晶閘管本身壞了、Vt4的脈沖Ug4沒有傳送過來、Vt4連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖6所示的電壓波形。

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uab、Ucb二個波頭。（如圖7所示）

從仿真模型中清楚地看出b相電壓和Vt6晶閘管的連線斷開了，所以Vt6晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uab、Ucb這兩個波形。只要Vt6不導通，負載電壓就會少掉這兩個波頭，那么導致Vt6不能導通的原因還有可能是：Vt6晶閘管本身壞了、Vt6的脈沖Ug6沒有傳送過來、Vt6連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖7所示的電壓波形。

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uac、Ubc二個波頭。（如圖8所示）

從仿真模型中清楚地看出c相電壓和Vt2晶閘管的連線斷開了，所以Vt2晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uac、Ubc這兩個波形。只要Vt2不導通，負載電壓就會少掉這兩個波頭，那么導致Vt2不能導通的原因還有可能是：Vt2晶閘管本身壞了、Vt2的脈沖Ug2沒有傳送過來、Vt2連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖8所示的電壓波形。

（三）少了四個波頭

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Ubc、Uba、Uca、Ucb四個波頭。（如圖9所示）

從仿真模型中清楚地看出b相電壓和Vt3閘管的連線斷開了，c相電壓和Vt5晶閘管的連線斷開了，所以Vt3、T5兩個晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Ubc、Uba、Uca、Ucb這四個波形。只要Vt3、Vt5不導通，負載電壓就會少掉這四個波頭，那么導致Vt3、Vt5不能導通的原因還有可能是：Vt3、Vt5晶閘管本身壞了；Vt3、Vt5的脈沖Ug3、Ug5沒有傳送過來；Vt3、Vt5連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖9所示的電壓波形。

負載電壓波形

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uac、Uab、Uca、Ucb四個波頭。（如圖10所示）

負載電壓波形

從仿真模型中清楚地看出a相電壓和Vt1晶閘管的連線斷開了，c相電壓和Vt5晶閘管的連線斷開了，所以Vt1、Vt5兩個晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uac、Uab、Uca、Ucb這四個波形。只要Vt1、Vt5不導通，負載電壓就會少掉這四個波頭，那么導致Vt1、Vt5不能導通的原因還有可能是：Vt1、Vt5晶閘管本身壞了；Vt1、Vt5的脈沖Ug1、Ug5沒有傳送過來；Vt1、Vt5連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖10所示的電壓波形。

如果示波器測得每個周期中負載電壓波形與正確的波形相比少了Uab、Uac、Ubc、Uba四個波頭。（如圖11所示）

負載電壓波形

從仿真模型中清楚地看出a相電壓和Vt1閘管的連線斷開了，b相電壓和Vt3晶閘管的連線斷開了，所以Vt1、Vt3兩個晶閘管不可能導通，從而在負載中缺少Uab、Uac、Ubc、Uba這四個波形。只要Vt1、Vt3不導通，負載電壓就會少掉這四個波頭，那么導致Vt1、Vt3不能導通的原因還有可能是：Vt1、Vt3晶閘管本身壞了；Vt1、Vt3的脈沖Ug1、Ug3沒有傳送過來；Vt1、Vt3連接到負載端斷開，因此只要存在上述故障，負載上就是如圖11所示的電壓波形。

總之，上述分析方法同樣適用于三相全控橋式電感性負載或反電動勢負載的電路，由此可見，熟悉了利用波形來分析故障方法，就可以通過波形來判斷故障的位置。

參考文獻：

[1]王波.電力電子技術仿真項目化教程[M].北京理工大學出版社，2016.

[2]馬宏騫.電力電子技術及應用項目教程[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]陳中.基于Matlabd的電力電子技術和交直流調速系統仿真[M].北京：清華大學出版社，2014