單相交流調壓阻感負載電路的仿真教學研究

謝積錦，李紅星，何永玲，莊 遠，申 康，張占安

(北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011)

在最近的半個世紀當中，電力電子技術得到了飛速的發展，已經滲透到工農業生產的各個領域當中，幾乎可以毫不夸張的說，在用到電的地方幾乎都有電力電子技術的身影。基于其應用之廣泛，電力電子技術早已經被列為自動化、電氣工程、電子信息等專業的人才培養方案主干課程[1-3]，成為了許多涉電類專業的專業必修課，今年還出現在了學生的學科競賽當中。然而電力電子技術是電子技術、控制技術、電氣技術等學科交叉的課程，不僅學生學習該課程有一定的難度，教師在開展教學的過程中也面臨了不少的難題，教學效果一直不怎么好。例如，交流-交流變換電路是電力電子技術課程四大變換的重要教學內容之一，對于電路帶阻感負載的原理分析理論性比較抽象，公式也比較復雜，電路圖及波形圖較多而且為靜態圖形[4-5]，若按照傳統授課方式教學，枯燥難講，學生也難以理解和接受，反而降低學習的興趣。為了直觀地講解該教學內容，本文介紹借助MATLAB/Simpowersystems的計算機仿真教學。

1 一步一步搭建電路仿真模型

在MATLAB2014b軟件環境下，引導學生建立單相交流調壓阻感負載電路的仿真模型，由于軟件內部經給出了器件、觸發信號、電源、示波器等豐富的模塊，所以模型的搭建簡單快捷，如圖1所示。圖中晶閘管Thyristor使用默認參數；電源設置有效值為220 V，頻率50 Hz；觸發信號模塊ug1、ug2幅值為10V、周期為0.02 s、占空比10%、觸發延遲角α可調；負載RL電阻20 Ω、電感L可調；示波器scope1-scop3用于給學生形象顯示、對比仿真結果；powergui模塊給學生直觀勾畫出柱狀電壓諧波分布及顯示諧波總量THD值，避免紛繁復雜的傅里葉公式講解。

圖1 單相交流調壓阻感負載電路仿真模型

2 可視化的仿真教學

搭建完電路模型之后，在案例仿真教學中，重點利用仿真針對觸發延遲角α大于負載阻抗角φ這一教學難點進行分析，保持電阻R=20 Ω不變。

2.1 電路基本工作原理演示

通過軟件設置α=30°、L=4.1 mH，啟動仿真演示，觀測晶閘管和負載的觸發信號、電壓、電流波形，并展示對應的柱狀負載電壓諧波分布，如圖2、圖3所示，在演示、觀測仿真效果的同時向學生詳細講解知識點，并在這個過程中，根據需要調整相關參數設置并對仿真軟件進行正確的操作。利用仿真講解課程難點內容(1)為了能實現調壓，觸發延遲角α的移相范圍為 -90°。(2)兩個晶閘管的觸發信號互補，一個正半周觸發，一個負半周觸發。(3)晶閘管導通時兩端的電壓為零；關斷時流過的電流為零，為理想開關管狀態，由此也可分辨出電流和電壓信號。(4)因為為阻感負載，輸出電壓和電流波形不相同，負載電流不能突變，且滯后電壓波形。(5)在電源電壓過零點時，由于電感具有反電勢感應作用，當感應電勢大于電源電壓時，晶閘管仍然維持導通條件，所以管子還能維持一段時間導通，輸出電壓正半周過零點時出現一段負電壓，負半周過零點時出現一段正電壓，與電阻負載不同，有續流作用。(6)負載電壓諧波分量主要是奇次分量，諧波次數越高，諧波分量越小。

圖2 晶閘管2的觸發信號、電流、電壓演示圖

圖3 負載電壓、電壓諧波展示圖

2.2 不同情況下的負載電壓諧波對比教學

表1 不同α和L時的負載電壓諧波

在負載參數一定時，按表1設置仿真參數，進行對比仿真教學，觀測不同的觸發延遲角α時的負載電壓柱狀諧波分布。從表1可以看出，當負載參數一定時，隨著α的增大，負載電壓基波幅值減小，諧波分量增大。此外，從仿真波形也可以看出，波形與正弦波比較，形態變差。

2.3 充分運用現代教育資源鞏固教學效果

仿真教學可以省去昂貴的電子元器件、功率模塊等費用，節省了開支，在實驗室條件不足，教學設備不夠的情況下，學校只要給學生配備普通的計算機實驗室即可開展仿真教學，不僅如此，學生在用計算機進行仿真的過程不存在安全風險，也不存在實驗設備損壞等現象，完全可以在無人指導的情況下開展仿真，學生也可放開手去做實驗而不用擔心連帶的責任。因此，在本課程的教學當中，可以將課程安排在計算機室進行，教師操作教師機，將教師屏幕上的仿真投射到學生機面前，不僅解決了傳統PPT課堂，學生看不清的現象，而且可以讓學生在課內或者課間開展及時的仿真，增加教學效果。假如學校不具備在計算機室內進行教學的條件，教師還可以進行創新式的教學，利用手機開發APP開展教學。課前，學生可以事先下載教師開發的APP，在APP上利用手機進行在線式或者離線式的仿真，課內聽從教師的引導開展仿真，這樣在某種程度上也解決了學生上課沒事干，喜歡低頭玩手機或者趴桌子睡覺等現象，讓學生能夠時不時地參與操作、有事情做、感興趣。教師結合課堂教學進度每隔8～10 min安排學生參與操作，這也符合教學的規律，因為研究表明：一般人在聽課的時候，只有10 min的時間是能夠完全集中精神聽課，過了10 min，若是講課人講的內容很乏味或是沒有吸引他們的興趣，他們就容易分神，導致教學效果變差，這是一個普遍的現象。本教學案例已經在本校自動化專業2016級學生開展了實施，教學效果得到了一定程度的提高，應該可以推廣到其它工科專業課程的教學當中繼續驗證。

3 結束語

本文以單相交流調壓阻感負載電路仿真為案例，借助MATLAB/Simpowersystems工具箱，進行仿真教學，一方面，避免課堂教學中復雜的畫圖和分析過程，仿真結果清晰、明了，學生易于接受；另一方面，非常方便改變電路參數，深入分析各種情況的工作特征，加深理解電路的工作原理，更好地掌握該電路的知識點，有效地提高了課堂教學效果；最后，借助仿真大大節省購買設備費用，與實物實訓相比，仿真過程學生不存在安全風險。