仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用*

艾 青,李时东

(湖北民族学院信息工程学院,湖北 恩施土家族苗族自治州 445000)

仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用*

艾 青,李时东

(湖北民族学院信息工程学院,湖北 恩施土家族苗族自治州 445000)

教学实践证明,仿真技术是增强电力电子技术课程教学生动性、直观性和有效性的有力工具.针对传统实践教学中对仿真技术理解不够全面的问题,研究了仿真技术在各个实践教学环节中的作用,理清了如何利用仿真技术提高电力电子技术实践教学效果的思路,探讨了仿真技术在教学过程中辅助教学、系统认知、工程实践等环节的作用,为培养具有创新能力的工程应用型人才提供了帮助.

仿真技术;实践教学;工程应用;辅助教学

1 仿真技术在实践教学过程的应用

电力电子技术是电气工程与自动化专业不可缺少的一门核心课程,该课程综合了弱电和强电两个大的领域,应用广泛.随着电力电子器件的快速发展,电力系统中电力电子的使用越来越广泛,比如发电单元侧的光伏、风电等新能源并网发电;输电网中的柔性交流输电、远距离大容量高压直流输电;负荷侧的电动汽车充放电、电动机的变频调速等.小功率的电力电子系统应用也很广泛,比如日常家用电器中的开关电源等.电力电子技术的综合性、应用性和实践性很强,不仅要求学生掌握电力电子拓扑电路的基本原理和计算方法,更重要的是培养学生具备工程应用的电力电子系统的综合分析、设计和创新能力.因此,实践教学是现代电力电子技术教学过程中的一个十分重要的环节.

传统的电力电子技术实践教学受限于硬件实验装置和更新速度,已不能较好地满足教学要求,仿真技术恰好是弥补硬件实验条件不足的一种有效工具.在电力电子教学过程中引入仿真技术不仅能够提高教学效果,而且也有利于培养学生的实践动手能力.不仅能加强基于电力电子器件的基本变换电路的理解和分析,还能够模拟各种被控制对象和控制原型,以满足相关应用领域的开发设计和测试需求,加深学生从装置级和系统级等多角度对电力电子电路进行理解和认知.目前,教学中常用的电力电子仿真软件选择较多,结合本校学生实际情况,在实践教学中主要采用资源开放的MATLAB仿真软件,同时,也鼓励同学接触其他软件平台,比如PSCAD、中国电力科学研究院的综合程序PSASP等.MATLAB仿真软件为电力电子技术实践教学提供了很好的元件和模型库,以及丰富的仿真例程,并且具备很多成熟的组件和模型,在课程教学各环节中有助于克服传统授课方式的局限性,提升教学效果.本文根据电力电子技术课程教学要求,在各个教学环节中如何利用仿真技术来提高学生工程应用能力及创新能力开展了教学研究与实践.各个环节中仿真技术关注的重点有所区别,其应用作用如图1所示.

图1 仿真技术在教学过程中的应用

2 仿真技术在实践教学过程的应用

2.1 课程实验环节

课程实验教学首要目的是帮助学生深刻理解理论课堂所讲的知识,课程实验学时一般安排的有8个学时.电力电子学课程主要是讲4种基本变换电路,其中,整流、逆变和直流斩波电路是重点,另外,变化电路的控制环节也是重点,晶闸管的触发延迟角及常规的脉冲宽度调制(PWM)控制技术是学生必须掌握的基本知识.安排的实验学时较少,不能很好地完成实验教学环节任务.本校很早就建立了专业的电力电子与电力拖动实验室,硬件实验效果较好,但随着时间的推移,设备的更新与维护换代比较慢,且硬件实验项目较难扩展,综合性、设计性实验项目较少,学生对硬件试验台内部电路和接线缺乏感性认识,导致理论难以联系实践,对出现的问题不能进行正确分析和解决.因此,结合理论课堂讲授情况,需要积极调动学生学习积极性,调动学生在第二课堂利用仿真软件化被动学习为主动学习.通过仿真技术加强对基本理论知识的理解和应用特别重要,此外,教师的引导和课题辅助教学也能提升教学效果,以下以整流变化电路的学习为例进行说明.要求学生理解变化电路的主体结构时,以单相整流电路为例,可以采用1个电力电子开关器件、2个开关器件或4个开关器件都可以组成1个二端口网络结构,首端是交流电源,而送出端口则是直流电压.搭建的MATLAB仿真模型如图2所示,课堂上可提示学生可以考虑将不控电力电子开关换成可控器件晶闸管或是IGBT,但对应的控制信号需要设计.

图2 单相整流电路模型图

仿真结果如图3所示,从中可以观察整流输出的直流电压Vd1,还有电力电子开关器件D2和D4中流过的电流,可以看到整流电路输出电压Vd1还有一定纹波,而D2和D4二极管中流过的电流有叠加的现象.通过仿真可以引导学生分析出现这些现象的原因,从而加深对变化电路理论知识的理解.另一方面,也要提醒学生在实物实验时注意观察这些物理波形,包括控制电力电子开关的控制信号的波形,引导学生深入地研究和观察电力电子电路的动态响应和稳态响应,从而提高学生理论与工程实践结合能力.

图3 单相整流电路仿真结果图

2.2 课程设计环节

电力电子技术课程设计是学生主要利用电力电子技术知识对现实问题的解决方案进行设计的一种综合性实践活动.通过电力电子技术的课程设计可以训练电力电子技术知识的综合运用能力、提高学生查阅资料的能力、培养学生分析问题和解决问题的能力,从而为学生走上社会成为一名合格的应用型人才做好准备.本校的教学计划安排有2周的电力电子技术课程设计.根据工程实践中对电力电子技术要求设计相关主题,比如小型光伏并网发电系统等,课程设计的主要任务是电力电子技术的应用.要求学生3人为小组,要求学生能通过小功率系统实现核心功能的动态模拟.课程设计目的是培养出学生把理论和实践相结合的能力,能够初步完成把知识转化成现实生产力的可能.

课程设计一般要经历课题选择、解决方案的确立、元器件的选择、系统仿真验证、实物电路的连接和方案的实物测试等环节.课程设计中引导学生注意仿真技术不仅可以验证方案的准确性,也能方便模拟系统参数来计算系统的设计是否有误,并且可以辅助判断元器件选择,且也能大大缩短设计的开发周期.课程设计环节中较难实现的是控制子系统的设计,可通过三相全控型整流电路的控制系统为例进行说明.从控制系统可以了解到的是锁相环的设计,控制系统的作用信号必须与主电路的电压电流信号匹配,才能实现有效控制.另外,根据整流输出的直流电压作为参考,可以调节控制脉冲信号.其中,有一些电力系统常用的坐标系变换,通过仿真软件的学习能够提高学生的专业理解能力.此外,也能从工程应用的需求来分析问题,思考解决问题的具体方法,从而锻炼学生面向工程解决实际问题的能力.

2.3 综合设计及毕业设计环节

在电力电子技术相关课程结束后,可将电力电子技术与其他专业课程结合进行综合实验实训.学院通过组织兴趣爱好小组、参与各级各类学科竞赛,以及依托教师相关科研课题一步扩展电力电子技术实践教学范围,延伸电力电子技术实践培养环节,使学生的电力电子技术相关知识的综合运用能力和实践动手能力得到提升,成为优质的创新型工程应用型人才.毕业设计环节是本科教学中重要一环,最能反映学生大学专业学习效果.针对电气工程专业的学生而言,很多的工程实践很难做出实物,有些研究课题只能通过仿真来完成.以电力系统为例,电力电子化程度越来越高,利用各种不同的仿真技术,结合专业知识搭建有一定工程实际参考价值的模型特别重要,这也是学生分析问题、解决问题的前提.比如,引导学生搭建新能源发电单元的模型,在此基础上设计一些约束条件或控制器的设计要求,这一过程就能很好地锻炼学生的工程实践能力,仿真技术能很好地提升实践教学效果.

3 结束语

电力电子技术是一门实践性很强的课程,根据应用型高校的教学要求和本课程自身具有的特点以及学院的实际情况,将仿真技术引入电力电子技术相关课程教学,不仅有利于提高学生学习兴趣、方便学生第二课程的学习,更加深了学生对电力电子技术工程应用的理解.另外,借助软件仿真还可以传授学生理解、分析、研究问题的方法,更好地培养学生综合创新能力.

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[2]许俊云.仿真软件在课程设计中的综合运用及问题对策[J].中国现代教育装备,2012(07).

[3]艾青,李时东.基于MATLAB的电气工程专业实验教学改革研究[J].中国电力教育,2014(35).

[4]苏良昱,王武,葛瑜.电力电子技术仿真实验教学与创新思维拓展[J].实验技术与管理,2013,30(01).

[5]曹勇,吴峰.电力电子技术仿真教学改革与实践[J].中国电力教育,2014(36).

[6]王辉,李宇豪,杨振.仿真技术在柔性交流输电系统教学中的应用[J].山西电子技术,2016(05).

艾青(1978-),男,湖北公安人,硕士,讲师,主要研究方向为电力系统稳定与控制.

〔编辑:张思楠〕

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.047

2095-6835(2017)22-0047-03

湖北民族学院教学研究项目:电力电子技术课程设计教学改革研究(项目编号:2015JY015)