“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)教學(xué)探索

摘 要：“電力電子技術(shù)”是電氣類專業(yè)工程性和綜合性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在一些地方本科院校中“電力電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)存在很多困難。為了解決這些問題，在教學(xué)實(shí)踐中，基于PSIM搭建與實(shí)際工況匹配的電路模型，通過動(dòng)態(tài)仿真不僅化解了資源與安全矛盾，還顯著簡(jiǎn)化了復(fù)雜原理的認(rèn)知過程。借助PSIM的交互式仿真功能，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)踐融合，同時(shí)依托該平臺(tái)高效完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與課程任務(wù)。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；課程設(shè)計(jì)；PSIM；仿真

Abstract：Power electronics technology is a professional and basic course for electrical majors.There are many difficulties in setting up power electronics curriculum design in some local colleges and universities.This is especially the problem of tight funds，high current safety and durability of the experimental equipment.In order to solve these problems，a circuit model that matches realworld operating conditions is constructed based on the PSIM in teaching practice.Through dynamic simulation，not only are the contradictions between resource limitations and safety concerns resolved，but the understanding of complex principles is also significantly simplified.With the interactive simulation capabilities of PSIM，students are able to integrate theoretical knowledge with practical application，and efficiently complete experimental designs and course tasks using this platform.Practice has proved that the design of power electronic technology course adopts this mode，and the effect is good.

Keywords：power electronics technology；curriculum design；PSIM；simulation

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，也是實(shí)用性、工程性和綜合性很強(qiáng)的課程［1］，在學(xué)好基礎(chǔ)理論知識(shí)的前提下，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)顯得非常重要。在工程應(yīng)用中，電力電子技術(shù)發(fā)展迅猛，新型功率器件、先進(jìn)電路拓?fù)湟约皠?chuàng)新控制策略層出不窮［23］。課程設(shè)計(jì)作為理論與實(shí)踐融合的橋梁，既能強(qiáng)化學(xué)生對(duì)核心理論的系統(tǒng)化認(rèn)知，又能通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)提升其工程操作能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維與創(chuàng)新素養(yǎng)。為深化電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新能力，鹽城師范學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新性地構(gòu)建了為期一周的集中式課程設(shè)計(jì)體系。本文基于多年教學(xué)實(shí)踐，探討該課程的設(shè)計(jì)策略與教學(xué)模式迭代路徑。

1 傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的不足

當(dāng)前，本?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程設(shè)計(jì)的教學(xué)面臨諸多挑戰(zhàn)，其成因涵蓋教學(xué)資源配置與工程實(shí)踐需求的深層矛盾。除學(xué)時(shí)壓縮與經(jīng)費(fèi)短缺等共性難題外，實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)管控與設(shè)備可持續(xù)運(yùn)維更成為亟須突破的雙重瓶頸。該課程的核心目標(biāo)在于引導(dǎo)學(xué)生完成變流電路的開發(fā)與調(diào)試，具體通過功率半導(dǎo)體器件選型、電磁組件參數(shù)設(shè)計(jì)、主電路拓?fù)浯罱翱刂撇呗詫?shí)現(xiàn)等環(huán)節(jié)［46］，系統(tǒng)性訓(xùn)練學(xué)生從原理認(rèn)知到工程落地的全鏈條能力。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)將主電路預(yù)封裝的操作模式不同，該課程要求開放功率級(jí)電路設(shè)計(jì)權(quán)限，但由此會(huì)衍生出高壓大電流工況下的安全隱患，例如學(xué)生需自主完成功率模塊聯(lián)調(diào)（如三相逆變器、直流斬波器等），而開放環(huán)境下的絕緣保護(hù)與故障隔離措施不足，極易導(dǎo)致設(shè)備損毀甚至人身傷害。此外，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路因經(jīng)驗(yàn)欠缺易存在設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)可靠性風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在有限資源下構(gòu)建“風(fēng)險(xiǎn)可控、設(shè)備復(fù)用性強(qiáng)”的實(shí)踐環(huán)境，成為課程改革的關(guān)鍵命題。

2 基于PSIM的課程設(shè)計(jì)

基于PSIM的模塊化仿真架構(gòu)，課程設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)與實(shí)際工況高度吻合的拓?fù)錁?gòu)建，相關(guān)研究表明［78］，其動(dòng)態(tài)仿真功能能夠?qū)⒊橄蟛ㄐ螜C(jī)制轉(zhuǎn)化為可視化數(shù)據(jù)流，顯著降低復(fù)雜原理的認(rèn)知門檻。作為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的專用工具，PSIM的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三方面。其一，采用分層模塊化設(shè)計(jì)，支持學(xué)生通過基礎(chǔ)功能單元自主搭建系統(tǒng)級(jí)電路模型；其二，提供全開放參數(shù)接口（如開關(guān)頻率、占空比、負(fù)載特性等），允許對(duì)電路進(jìn)行多維度分析；其三，集成波形實(shí)時(shí)重構(gòu)與數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，學(xué)生可通過調(diào)整器件參數(shù)，直觀觀測(cè)其對(duì)輸出波形畸變率、諧波頻譜等關(guān)鍵指標(biāo)的影響，進(jìn)而完成不同設(shè)計(jì)方案的量化對(duì)比。這種“設(shè)計(jì)—仿真—驗(yàn)證”的閉環(huán)交互模式，不僅深化了學(xué)生對(duì)變流拓?fù)渑c控制策略的理論認(rèn)知，更將仿真平臺(tái)轉(zhuǎn)化為虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐載體，有效地支撐了課程實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目任務(wù)的協(xié)同推進(jìn)。

3 課程設(shè)計(jì)方案

3.1 直流斬波電路的仿真

“電力電子技術(shù)”課程教材使用的是機(jī)械工業(yè)出版社出版的《電力電子技術(shù)》第5版教材，在第五章《直流—直流斬波》部分介紹了6種基本斬波電路和復(fù)合斬波電路。書中給出了2種最基本的斬波電路的詳細(xì)分析，但從應(yīng)用的角度來看內(nèi)容有所欠缺。直流斬波器作為典型電能變換裝置，其功能不局限于開關(guān)電源場(chǎng)景下的電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，還可通過調(diào)制策略，優(yōu)化顯著衰減電網(wǎng)側(cè)諧波分量，從而改善供電系統(tǒng)的性能。因此在課程設(shè)計(jì)中需要對(duì)另外幾種常用的斬波電路進(jìn)行仿真訓(xùn)練，特別是隔離式直流斬波電路，生產(chǎn)生活中很多實(shí)用的小電源都采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在課程設(shè)計(jì)中安排專門的斬波電路訓(xùn)練是非常必要的。

如圖1所示的隔離式直流斬波電路仿真電路圖，其輸入是100V直流電，目標(biāo)輸出是5.5V。電路采用PWM控制方式，通過控制全橋電路MOSFET開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。直流斬波電路輸出結(jié)果如圖2所示，可以看出，輸出電壓波形并不是理想狀態(tài)下的直線，具有明顯的紋波。教師要求學(xué)生去分析出現(xiàn)這種情況的原因是什么，怎樣減小輸出紋波，提高電能質(zhì)量。另外，要求學(xué)生分析不同負(fù)載時(shí)負(fù)載電流的波形情況，研究占空比與電流斷續(xù)和連續(xù)工作的關(guān)系。這是斬波電路非常重要的內(nèi)容，但是教材上沒有涉及，需要學(xué)生去探索研究。

3.2 三相逆變電路的仿真

逆變電路在電力電子電路中占據(jù)了非常突出的位置，應(yīng)用非常廣泛。例如，光伏發(fā)電的逆變控制器，其開關(guān)電源的小型化涉及高頻逆變技術(shù)、異步電機(jī)的變頻調(diào)速等領(lǐng)域。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中的一些負(fù)載，如果需要頻率不同于50Hz但可以調(diào)節(jié)頻率的交流電時(shí)，就需要將交流電進(jìn)行整流，再逆變成用戶需要的交流電，如大功率的三相中頻金屬熔煉和感應(yīng)加熱裝置等。圖3是直流—三相交流逆變電路仿真電路圖。該電路用于將450V直流電逆變成三相交流電。

圖4是直流—三相交流逆變電路仿真結(jié)果圖，可以看出，輸出波形并非理想正弦波，波形中含有諧波分量，教師要求學(xué)生思考，如何減小逆變電路輸出波形的諧波。教材上介紹了兩種方式：一種采用多重多相的方式；另一種采用SPWM的控制方式。這兩種方式都可以有效減少諧波，但是SPWM波的控制方式更加實(shí)用，在實(shí)際電路中占據(jù)主要地位，所以要求學(xué)生用SPWM的控制方式減小逆變電路輸出波形的諧波。這里需要學(xué)生學(xué)習(xí)MATLAB與PSIM結(jié)合的知識(shí)，將MATLAB中的SPWM算法應(yīng)用到PSIM電路的仿真中來。

3.3 鼠籠式異步電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的仿真

各行各業(yè)中的風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)等負(fù)載大多采用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這一類負(fù)載用電量占我國工業(yè)用電量的50%以上。在這些系統(tǒng)工作的過程中，不可避免地需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)的相關(guān)理論，在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工況下，采用電壓幅值調(diào)制策略調(diào)整交流電機(jī)的機(jī)械特性曲線時(shí)，其穩(wěn)定工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率僅在有限區(qū)間波動(dòng)，調(diào)速范圍較小。這就需要采用變頻調(diào)速的方法實(shí)現(xiàn)，而這正是“電力電子技術(shù)”課程需要重點(diǎn)掌握的內(nèi)容之一，所以在課程設(shè)計(jì)中安排這一項(xiàng)目是非常必要的。

圖5是鼠籠式三相異步電機(jī)變頻調(diào)速仿真電路圖，圖6是鼠籠式三相異步電機(jī)變頻調(diào)速仿真結(jié)果圖。根據(jù)這兩幅圖，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考：如果帶恒功率負(fù)載，泵及通風(fēng)機(jī)能負(fù)載電機(jī)調(diào)速方法如何確定？電機(jī)定子電流與負(fù)載功率有什么樣的關(guān)系？

結(jié)語

“電力電子技術(shù)”課程實(shí)踐性強(qiáng)，目前實(shí)驗(yàn)課程大都以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，所以進(jìn)行課程設(shè)計(jì)是非常必要的。學(xué)生們?cè)谧鐾昊A(chǔ)實(shí)驗(yàn)以后，可以進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)，爭(zhēng)取更加接近實(shí)際應(yīng)用的電路。對(duì)教材上的AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四個(gè)大類變流電路進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，既能讓學(xué)生對(duì)該課程有更加深刻的理解，又能為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：朱成云（1985— ），男，漢族，江蘇淮安人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。