榮 軍, 萬軍華, 涂 兵, 安 琪, 李 武

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

圖例式教學(xué)法在移相調(diào)壓全橋逆變電路教學(xué)中的應(yīng)用

榮 軍, 萬軍華, 涂 兵, 安 琪, 李 武

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

在全橋無源逆變電路課堂教學(xué)中, 移相調(diào)壓控制技術(shù)是教學(xué)難點(diǎn), 學(xué)生對(duì)移相調(diào)壓控制技術(shù)在全橋無源逆變電路中的應(yīng)用學(xué)習(xí)非常困難. 鑒于此, 本文提出圖例式教學(xué)法, 具體做法就是首先將全橋無源逆變移相調(diào)壓控制的工作原理通過生動(dòng)和清晰的圖形表示出來, 將其工作原理分為六個(gè)工作階段, 每個(gè)工作階段通過一個(gè)等效電路來闡述其工作過程.當(dāng)學(xué)生明白其工作原理后, 在MATLAB/Simulink中建立其仿真模型, 最后將得出的仿真結(jié)果與理論波形進(jìn)行比較, 驗(yàn)證其理論分析的正確性. 教學(xué)效果表明, 相對(duì)于傳統(tǒng)的“滿堂灌”的教學(xué)模式, 圖例式教學(xué)方法能明顯提升課堂聽課效率.

電力電子技術(shù); 教學(xué)難點(diǎn); 全橋無源逆變電路; 圖例式教學(xué); 仿真建模

引言

在電壓型全橋無源逆變電路教學(xué)中, 移相調(diào)壓控制方式的教學(xué)是一個(gè)難點(diǎn), 不但老師在授課過程中感覺非常辛苦, 而且學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也非常吃力. 如果學(xué)生對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)掌握不好還會(huì)影響后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí), 如移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路這個(gè)知識(shí)點(diǎn). 目前在全橋無源逆變電路移相調(diào)壓控制方式的課堂教學(xué)中, 如果教師還是循規(guī)蹈矩地采用傳統(tǒng)的授課方式, 比如“滿堂灌”或者照本宣科的授課方式, 學(xué)生學(xué)好這個(gè)知識(shí)點(diǎn)非常困難, 甚至有可能很多學(xué)生會(huì)放棄這個(gè)知識(shí). 鑒于此, 本文提出一種圖例式教學(xué)法,在對(duì)全橋無源逆變電路的移相調(diào)壓控制方式的工作原理進(jìn)行詳細(xì)闡述后, 結(jié)合仿真軟件對(duì)其理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 圖例式教學(xué)法教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1.1 常規(guī)教學(xué)方法

由王兆安、劉進(jìn)軍主編、機(jī)械工業(yè)出版社出版的《電力電子技術(shù)》一書中, 第四章第4.2節(jié)的電壓型單相全橋逆變電路是一個(gè)教學(xué)重點(diǎn), 而移相調(diào)壓控制技術(shù)在其中的應(yīng)用則是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn). 單相全橋無源逆變電路移相調(diào)壓控制的工作原理的常規(guī)課堂教學(xué)為: 單相全橋無源逆變電路(帶阻感性負(fù)載)如圖1所示[1,2]. 圖1中的電路由直流電源DC、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)V1～V4、二極管VD1～VD4、負(fù)載R、L以及觸發(fā)電路組成, 其中直流電源DC兩端并聯(lián)一個(gè)大容量的電容C, 形成電壓源, 目的是使電壓沒脈動(dòng), 同時(shí)能緩沖電感的無功能量. 移相調(diào)壓實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度. 在圖1所示的單相全橋無源逆變電路中, 每個(gè)IGBT的柵極信號(hào)仍為180°正偏, 180°反偏, 并且V1和V2的柵極信號(hào)互補(bǔ), V3和V4的柵極信號(hào)互補(bǔ), 但V3的柵極信號(hào)不是比V1落后180°, 而是只落后θ(0°＜θ＜180°). 也就是說. V3和V4的柵極信號(hào)不是分別和V2和V1的柵極信號(hào)同相位, 而是前移了180°-θ. 這樣, 輸出電壓u0就不再是正負(fù)各為180°的脈沖, 而是正負(fù)各為θ的脈沖, 各IGBT的柵極信號(hào)uG1～uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形如圖2所示. 設(shè)在t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通, 輸出電壓uo為Ud, t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向, V4截止, 而因負(fù)載電感中的電流io不能立即導(dǎo)通, VD3導(dǎo)通續(xù)流. 因?yàn)閂1和VD3同時(shí)導(dǎo)通, 所以輸出電壓為零. 到t2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)方向, V1截止, 而V2不能立即導(dǎo)通, VD2導(dǎo)通續(xù)流, 和VD3構(gòu)成電流通道, 輸出電壓為-Ud. 到負(fù)載電流過零并開始反向時(shí), VD2和VD3截止, V2和V3開始導(dǎo)通, VD4導(dǎo)通續(xù)流, uo再次為零.以后的過程和前面類似. 這樣, 輸出電壓uo的正負(fù)脈沖寬度就各為θ, 就可以調(diào)節(jié)輸出電壓.

1.2 圖例式教學(xué)方法

從常規(guī)教學(xué)可以看出, 教師闡述單相全橋無源逆變電路移相調(diào)壓控制的工作原理, 授課過程主要是長(zhǎng)篇累牘的文字?jǐn)⑹? 由于其工作工程很復(fù)雜, 學(xué)生在聽課過程中會(huì)感覺非常吃力, 比較難弄清其工作原理. 我們?cè)谶@里提出圖例式教學(xué)法, 將單相全橋無源逆變電路移相調(diào)壓控制的工作原理分為六個(gè)階段, 每個(gè)階段通過六個(gè)圖表(等效電路)展現(xiàn)給學(xué)生.

第一工作階段如圖3所示. 其中圖3(a)為12～tt階段的等效電路,箭頭所指的回路就是其工作回路, 電路回路為電容C正端——V1——負(fù)載——電容C負(fù)端, 負(fù)載輸出電壓左正右負(fù), 此時(shí)定義負(fù)載R和L兩端電壓為正. 圖3(b)所示的陰影區(qū)域表示為t1～t2階段的對(duì)應(yīng)器件V1和V4導(dǎo)通, 電壓和電流方向相同, 方向都為正.

第二工作階段如圖4所示. 其中圖4(a)為t2～t3階段的等效電路,箭頭所指的回路就是其工作回路, 電路回路為負(fù)載右邊——VD3——V1——負(fù)載左邊, 負(fù)載輸出電壓左負(fù)右正, 此時(shí)定義負(fù)載R和L兩端電壓為負(fù). 圖4(b)所示的陰影區(qū)域表示為23～tt階段的對(duì)應(yīng)器件V1和V3柵極為高電平, 但此時(shí)導(dǎo)通的器件確實(shí)V1和VD3導(dǎo)通, 原因在于阻感性負(fù)載, 電流不能突變, 由于V3是單相導(dǎo)通型器件, 不能通過V3形成回路, 此時(shí)只能通過V3兩端反并聯(lián)的二極管VD3續(xù)流, 從而形成導(dǎo)電回路, 這就能解釋負(fù)載兩端的電壓為什么為零, 而電流方向?yàn)檎?

圖1 單相電壓型半橋逆變電路圖

圖2 單相電壓型半橋逆變電路的工作波形

圖3 單相半橋逆變電路工作在t1～t2階段

圖4 單相半橋逆變電路工作在t2～t3階段

第三工作階段如圖5所示. 其中圖5(a)為34～tt階段的等效電路, 箭頭所指的回路就是其工作回路, 電路回路為電容C負(fù)端——V2——負(fù)載——V3——電容C正端, 負(fù)載輸出電壓左負(fù)右正, 此時(shí)定義負(fù)載R和L兩端電壓為負(fù). 圖5(b)所示的陰影區(qū)域表示為34～tt階段的對(duì)應(yīng)器件V2和V3柵極有驅(qū)動(dòng)電平, 但實(shí)際上是VD2和VD3導(dǎo)通, 原因在于電感L儲(chǔ)存的能量還沒完全釋放完畢, 電流不能突變, 而V2和V3是單相導(dǎo)通型器件, 因此只能通過反并聯(lián)在其兩端的二極管VD2和VD3續(xù)流導(dǎo)通, 此時(shí)負(fù)載兩端的電壓和電流方向相反, 其中電壓方向?yàn)樨?fù), 電流方向?yàn)檎?

圖5 單相半橋逆變電路工作在t3～t4階段

圖6 單相半橋逆變電路工作在t4～t5階段

第四工作階段如圖6所示. 其中圖6(a)為45～tt階段的等效電路, 箭頭所指的回路就是其工作回路, 電路回路為電容C正段——V3——負(fù)載——V2——電容C負(fù)端, 負(fù)載輸出電壓左負(fù)右正, 此時(shí)定義負(fù)載R和L兩端電壓為負(fù). 圖6(b)所示的陰影區(qū)域表示為45～tt階段的對(duì)應(yīng)器件V2和V3導(dǎo)通, 電壓和電流方向相同, 方向都為正.

圖7 單相半橋逆變電路工作在t5～t6階段

圖8 單相半橋逆變電路工作在t7～t8階段

第五工作階段和第六工作階段等效電路和工作波形如圖7和圖8所示, 工作原理跟類似上面肥西過程,在這里筆者不做詳細(xì)介紹. 從上面分析可知, 當(dāng)V3滯后V1θ角度時(shí), 那么負(fù)載上的輸出電壓ou得到正負(fù)脈沖寬度就各為θ, 也就是說任意地改變?chǔ)冉? 就可以得到任意的輸出電壓.

2 移相調(diào)壓全橋逆變電路在MATLAB/Simulink中的建模與仿真

我們?cè)谡n堂教學(xué)中可以直接在MATLAB/Simulink中給出移相調(diào)壓全橋逆變電路的仿真模型如圖9所示[5,6].

圖9 移相調(diào)壓全橋逆變電路的仿真模型

仿真結(jié)果如圖10和圖11所示, 其中圖10(a)和(b)所示的波形分別為90θ=°時(shí)開關(guān)管14～VV柵極觸發(fā)脈沖仿真波形和負(fù)載R和L兩端的電壓和電流仿真波形; 圖11(a)和(b)所示的波形分別為150θ=°時(shí)開關(guān)管14～VV柵極觸發(fā)脈沖仿真波形和負(fù)載R和L兩端的電壓和電流仿真波形. 從圖10(a)所示的仿真波形可以看出3V的基極信號(hào)比1V落后90°, 圖10(b)所示電壓仿真波形為矩形波, 而且正負(fù)各導(dǎo)通90°,而電流為不規(guī)則波形, 原因在于負(fù)載為阻感性負(fù)載, 電流相位滯后于電壓相位. 同理可分析圖11, 在圖11中當(dāng)150θ=°時(shí)負(fù)載兩端的電壓為正負(fù)150°的輸出波形. 圖10和圖11的仿真波形與圖2所示的理論波形完全一致.

圖10 90θ=°時(shí)的輸出仿真波形

3 結(jié)論

圖例式教學(xué)和仿真驗(yàn)證教學(xué)表明, 教師通過改變課堂教學(xué)方式可以提高課堂教學(xué)效果. 第一, 改變傳統(tǒng)的授課方式, 通過新穎的授課方式可以吸引學(xué)生專心聽講, 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣; 第二, 將圖例式教學(xué)法引入課堂教學(xué)中, 對(duì)于非常難學(xué)的教學(xué)難點(diǎn), 教師將繁瑣的文字講解通過生動(dòng)的圖形展現(xiàn)在學(xué)生面前, 相對(duì)“滿堂灌”的傳統(tǒng)授課形式, 更容易使學(xué)生理解并掌握課堂所學(xué)知識(shí); 第三, 將仿真軟件引入課堂教學(xué)中,能夠當(dāng)場(chǎng)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證, 使學(xué)生加深對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的理解, 更重要的是能夠促使學(xué)生在課后自己動(dòng)手在仿真軟件中驗(yàn)證課堂所學(xué)知識(shí). 相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法, 這種方法更加方便, 可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源, 同時(shí)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中, 真正做到學(xué)以致用.

[1] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 第5版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011

[2] 趙莉華, 舒欣梅. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011

[3] 余 熠, 江 明. 移相式全橋電源控制器的設(shè)計(jì)與Matlab仿真分析[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表, 2009(6): 27～29

[4] 胡紅林, 李春華, 邵 波. 移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路的研究[J].電力電子技術(shù), 2009(1): 12～14

[5] 李一鳴. Matlab在電力電子技術(shù)中的仿真研究[J]. 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009. 4: 47～50

[6] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006

The Application of Legend Type Teaching Method in the Teaching for Full-bridge Inverter Circuit of Phase-shifting Regulating Voltage

RONG Jun , WAN Jun-hua, TU Bin, AN Qi, LI Wu
(College of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

In the classroom teaching of full-bridge passive inverter circuit, the control technology of phase-shifting regulating voltage is the teaching difficulty, and it is very difficult that the students study the control technology of phase-shifting regulating voltage for full-bridge passive inverter circuit. Aiming at the problem, the author proposed the legend type teaching method. The specific approach is that the paper gave the working principle of full-bridge passive inverter of phase-shifting regulating voltage through the vivid and clear graph firstly, then its working principle is divided into six stages, and each work phase was explained its working process through an equivalent circuit. After the students understand the working principle, the paper built the simulation model based on MATLAB/Simulink. Finally, the simulation results were compared with the theoretical analysis waveform to verify the correctness of theoretical analysis. The teaching effect showed that the classroom lectures efficiency improves significantly by the legend type teaching method compared with the traditional "spoon feeding" teaching mode.

power electronic technology; teaching difficulties; full-bridge passive inverting circuit; legend type teaching method; simulation and modeling

圖11 150θ=°時(shí)的輸出仿真波形

G642

A

1672-5298(2015)03-0076-06

2015-03-20

國(guó)家級(jí)“電子信息工程”專業(yè)綜合改革試點(diǎn)專業(yè); 湖南省高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目([2013]223號(hào)); 湖南理工學(xué)院校級(jí)教研教改項(xiàng)目(2014B19)

榮 軍(1978- ), 男, 湖南岳陽人, 碩士, 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師. 主要研究方向: 開關(guān)電源及電機(jī)控制技術(shù)