12脈波整流電路類(lèi)比式探索教學(xué)模式研究

戴涵竹，王育飛，洪鈺峰，侯雅煒，孫吉頁(yè)

（上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海200000）

0 引言

目前，整流電路是四種電力變換電路（整流、逆變、直直變換、交交變換）中最基本、最常用的一種，在電力電子變流技術(shù)的知識(shí)體系中占據(jù)重要地位［1］?，F(xiàn)今整流裝置大容量化是電力電子技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，其中12脈波整流電路是一個(gè)常用的形式。因此，將12脈波整流電路的知識(shí)體系編入教學(xué)大綱是未來(lái)教學(xué)的一個(gè)方向。然而，以教師授課為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，并不適用于此類(lèi)復(fù)雜知識(shí)體系的教學(xué)。

12脈波整流電路相較于簡(jiǎn)單整流電路更為復(fù)雜，其工作原理也相對(duì)晦澀抽象。當(dāng)前教學(xué)存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：①概念復(fù)雜且抽象，12脈波整流電路涉及到多重串并聯(lián)、移相、星角連接、基波諧波等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，且較難運(yùn)用直接搭建電路模型的學(xué)習(xí)方式，因此知識(shí)點(diǎn)較為抽象難懂。②知識(shí)點(diǎn)相關(guān)性高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立教學(xué)，12脈波整流電路是6脈波整流電路的拓展延伸，是將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的6脈波整流電路按照一定方式連接而成。兩者知識(shí)點(diǎn)存在互通性，但12脈波整流電路愈發(fā)抽象難懂。③參數(shù)多且易混淆，12脈波整流電路有負(fù)載電流電壓、線(xiàn)電流電壓、相電流電壓等多個(gè)參數(shù)，還有基波諧波、觸發(fā)角、相位差等多個(gè)研究對(duì)象。直接從理論分析著手，容易讓學(xué)生混淆各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

通過(guò)教師授課講學(xué)的傳統(tǒng)模式學(xué)習(xí)，就需要學(xué)生站在教師角度去理解更高知識(shí)層次的內(nèi)容，其間存在知識(shí)跳躍。因此，若仍采用普通教學(xué)方式去完成較高難度的學(xué)習(xí)任務(wù)，則無(wú)法達(dá)到較好的教學(xué)效果。于是，本文分析了12脈波整流電路教學(xué)存在的以下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：①具有較為成熟的仿真工具，其中Matlab的Simulink模塊能夠搭建各種組合形式且能夠方便測(cè)量各參數(shù)。②易于利用關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)互通學(xué)習(xí)，12脈波整流電路能夠類(lèi)比6脈波整流電路，將已有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行延伸，利用相似的知識(shí)點(diǎn)能夠便于學(xué)生學(xué)習(xí)理解。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐嘗試，提出了類(lèi)比式探索教學(xué)模式，能夠規(guī)避傳統(tǒng)教學(xué)模式的短板并發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)。借助Matlab/Simulink工具，類(lèi)比6脈波整流電路理論知識(shí)，實(shí)踐了“仿真-類(lèi)比式探索-再仿真驗(yàn)證”的新型教學(xué)方法。本文以12脈波整流電路的工作原理探索為例介紹類(lèi)比式探索的教學(xué)模式、教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)效果以及教學(xué)改進(jìn)。

1 類(lèi)比式探索教學(xué)模式

類(lèi)比式探索教學(xué)模式通過(guò)圖1所示流程圖呈現(xiàn)。將實(shí)際教學(xué)問(wèn)題劃分為“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題”、“分析問(wèn)題”、“解決問(wèn)題”、“效果評(píng)估”這幾個(gè)步驟，對(duì)應(yīng)到類(lèi)比式探索教學(xué)模式體現(xiàn)為“仿真”、“類(lèi)比式探索”、“再仿真驗(yàn)證”、“教學(xué)效果檢驗(yàn)”這四步流程。

圖1 教學(xué)模式流程圖

運(yùn)用Matlab/Simulink模塊搭建電路模型，將12脈波以及6脈波整流電路進(jìn)行模擬仿真，測(cè)量電路關(guān)鍵參數(shù)。然后分析仿真得到的結(jié)果，將12脈波與6脈波參數(shù)進(jìn)行類(lèi)比，利用6脈波的相關(guān)知識(shí)，對(duì)12脈波理論進(jìn)行推導(dǎo)分析。基于推導(dǎo)的結(jié)論進(jìn)行第二次仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)估。

整體教學(xué)一改傳統(tǒng)的教師授課模式，將學(xué)生作為教學(xué)主體，利用自主學(xué)習(xí)的方式類(lèi)比關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)并通過(guò)仿真實(shí)踐推導(dǎo)得出理論知識(shí)。該模式的主體部分為“建模與仿真”-“類(lèi)比式探索”-“再仿真驗(yàn)證”，以下將通過(guò)12脈波整流電路的實(shí)踐教學(xué)案例展開(kāi)具體分析。

2 12脈波整流電路教學(xué)實(shí)踐

2.1 兩個(gè)三相橋間的電流關(guān)系及電流流向探究

1）建模與仿真

用Matlab軟件的Simulink模塊分別搭建6脈波和12脈波整流電路，Matlab2016版本中的電力系統(tǒng)工具箱可用于電力電子電路模型的建立?；谠摴ぞ呦湓O(shè)計(jì)了如下電路：

串聯(lián)12脈波整流電路主電路由交流電壓源、三相變壓器、三相橋式整流電路、同步脈沖觸發(fā)器和RLC負(fù)載等部分組成。具體參數(shù)設(shè)置：三相對(duì)稱(chēng)交流電壓源的幅值設(shè)為220 V，頻率為50 Hz，相位分別為0°、-120°、120°；三相變壓器兩個(gè)三相繞組分別使用Y形接線(xiàn)方式和△接線(xiàn)方式；R負(fù)載參數(shù)設(shè)置為10Ω；仿真時(shí)間設(shè)置為1.5 s［2］。

6脈波整流電路（三相橋式整流電路）主電路由交流電壓源、整流變壓器、同步脈沖觸發(fā)器和RLC負(fù)載等部分組成。具體參數(shù)設(shè)置：三相對(duì)稱(chēng)交流電壓源的幅值設(shè)為100 V，頻率為50 Hz，相位分別為0°、-120°、120°；R負(fù)載參數(shù)設(shè)置為10Ω；仿真時(shí)間設(shè)置為1 s。

基于搭建的電路模型進(jìn)行以下仿真：

（1）6脈波整流電路，負(fù)載電流Id和二次側(cè)a相電流Ia，測(cè)量波形見(jiàn)圖2。

圖2 I d，I a測(cè)量波形圖

（2）12脈波整流電路，Y接線(xiàn)的二次側(cè)a相電流Ia1，△接線(xiàn)的二次側(cè)a相電流Ia2，以及負(fù)載電流Id，測(cè)量波形見(jiàn)圖3。

圖3 I a1，I a2，I d測(cè)量波形圖

整流電路輸入為交流電、輸出為直流電，通過(guò)峰值比較可以得到負(fù)載電流與a相電流大小相等。

2）類(lèi)比式探索

研究12脈波整流電路的工作原理，需要探索兩個(gè)三相橋?qū)?yīng)的12個(gè)晶閘管的依次導(dǎo)通關(guān)系和電流具體流向。由于12脈波整流電路是6脈波整流電路的拓展，因此可以從6脈波出發(fā)研究其參數(shù)，然后對(duì)應(yīng)于12脈波研究，從而得出相關(guān)結(jié)論。

（1）電流狀態(tài)探索：通過(guò)仿真得出a相的相電流與負(fù)載電流大小相等。12脈波整流電路是由兩個(gè)三相橋電路通過(guò)星角相連構(gòu)成，其中三相橋電路的工作原理依然成立。三相橋星接方式和角接方式相差30°，因此兩個(gè)由星接和角接分別流出的相電流矢量和無(wú)法構(gòu)成60°等邊三角形，排除了矢量相加導(dǎo)致的大小相等。因此兩個(gè)三相橋必然是串接且電流同時(shí)流過(guò)兩橋和負(fù)載，而非幾何相加流過(guò)負(fù)載。由此也可進(jìn)一步推出導(dǎo)通相的相電流和負(fù)載電流大小相等的結(jié)論。

（2）流向探索：6脈波整流電路即三相橋式全控整流電路中晶閘管分為共陰極組的VT1、VT3、VT5和共陽(yáng)極組的VT2、VT4、VT6，并按照VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6順序依次導(dǎo)通，觸發(fā)角相差60°，任意時(shí)刻共陰極組和共陽(yáng)極組各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)［3］。因此，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角均為120°，每60°變換一次導(dǎo)通方向，一個(gè)2π的周期內(nèi)共有6個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，具體導(dǎo)通情況見(jiàn)表1。

表1 6脈波整流電路對(duì)應(yīng)電流流通表

在一個(gè)周期內(nèi)，6脈波整流電路的導(dǎo)通情況共有6個(gè)變換狀態(tài)；二次側(cè)電流每相有240°處于導(dǎo)通狀態(tài)，可分為兩個(gè)120°的導(dǎo)通情況，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)同相晶閘管的導(dǎo)通，二者間隔60°。各120°的導(dǎo)通是由2個(gè)60°的周期構(gòu)成［4］。由此可見(jiàn)，每個(gè)變換狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓所示的小周期，每個(gè)小周期為60°，流經(jīng)共陰極、共陽(yáng)極各一個(gè)晶閘管。而二次側(cè)電流狀態(tài)反映的是每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°，同相晶閘管的導(dǎo)通角相差180°。

以此類(lèi)比［5］，一個(gè)周期內(nèi)12脈波整流電路存在12個(gè)變換狀態(tài)，二次側(cè)電流每相有240°處于導(dǎo)通狀態(tài)，可分為兩個(gè)120°的導(dǎo)通情況，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)同相晶閘管的導(dǎo)通，二者間隔60°。各120°的導(dǎo)通是由4個(gè)30°的周期構(gòu)成［4］。由此可見(jiàn)，12脈波整流電路包含12個(gè)變換狀態(tài)，每個(gè)變換狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓所示的小周期，每個(gè)小周期為30°，流經(jīng)Y接和△接共陰極、共陽(yáng)極各一個(gè)晶閘管，共流經(jīng)4個(gè)晶閘管。而二次側(cè)電流狀態(tài)反映的是每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°，同相晶閘管的導(dǎo)通角相差180°。電流流向如圖4和圖5所示。

圖4 6脈波流向圖

圖5 12脈波流向圖

（3）類(lèi)比推論提出：采用類(lèi)比式探索方法，能夠得到最終推論。每一段不改變電流流向的導(dǎo)通情況是由該電路兩個(gè)三相橋分別對(duì)應(yīng)一組（一個(gè)三相橋?qū)?yīng)一組，共兩組，每組2個(gè)）晶閘管，一共4個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通工作實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)類(lèi)比6脈波整流電路流通情況，可初步推測(cè)12脈波整流電路的流通情況：在一個(gè)周期內(nèi)，12脈波整流電路每個(gè)晶閘管導(dǎo)通一次對(duì)應(yīng)有四次電流狀態(tài)的改變，每30°改變一次。12脈波整流電路對(duì)應(yīng)的電流流通表，是由兩份6脈波整流電路的電流流通表上下拼接而成（由兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通拓展為四個(gè)晶閘管導(dǎo)通，每個(gè)晶閘管仍然導(dǎo)通120°，但由于每30°電流狀態(tài)改變一次，因此需要進(jìn)行兩倍擴(kuò)展，每30°列一個(gè)狀態(tài)），其中一份移相30°（也就是一次電流流通狀態(tài)）后與另一份的下一流通狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。移相30°是由于變壓器采用Y，d11連接方式，因此三角形連接超前星形連接30°。電流流通情況見(jiàn)表2。

表2 12脈波整流電路對(duì)應(yīng)電流流通表

3）再仿真驗(yàn)證

在此前仿真電路的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行仿真驗(yàn)證，測(cè)量各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通情況，得出直觀(guān)的晶閘管流通情況（均在相同時(shí)間坐標(biāo)下進(jìn)行測(cè)量），見(jiàn)圖6。

由圖6可知，12脈波整流電路于一個(gè)周期內(nèi)流通狀態(tài)共變換12次。其中，電壓非零部分代表的是該晶閘管導(dǎo)通。兩晶閘管重疊的波形，代表了對(duì)應(yīng)測(cè)量的兩晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況。因此，通過(guò)分別測(cè)量12個(gè)晶閘管的電壓情況，可以得到一個(gè)周期內(nèi)所有晶閘管的流通狀態(tài)，所得狀態(tài)與表2所示流通情況表一致。

通過(guò)再仿真驗(yàn)證能夠?qū)τ谕茖?dǎo)的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)算，從而證明結(jié)果的正確性。學(xué)生借助類(lèi)比式探索教學(xué)模式能夠通過(guò)自主學(xué)習(xí)理解較為復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，從而獲得較好的教學(xué)效果［6］。

2.2 晶閘管觸發(fā)角及觸發(fā)角范圍探究

1）建模與仿真搭建與2.1相同的仿真電路圖，改變觸發(fā)角α的范圍，測(cè)量負(fù)載電壓大小以研究α范圍。測(cè)量結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 6脈波α范圍研究

圖8 12脈波α范圍研究

圖7記錄了α取不同大小時(shí)6脈波整流電路負(fù)載電壓的大小，當(dāng)α=120°時(shí)負(fù)載電壓降為0，與原理對(duì)應(yīng)可得觸發(fā)角范圍是0°-120°；

晶閘管兩端電壓可由公式（1）求得

負(fù)載兩端電壓，由電流導(dǎo)通情況通過(guò)公式（2）計(jì)算可知。

圖8記錄了α分別取不同大小時(shí)12脈波整流電路負(fù)載電壓的大小，當(dāng)α在85°附近時(shí)負(fù)載電壓驟降，而到90°時(shí)幾乎為0。

2）類(lèi)比式探索

晶閘管存在觸發(fā)角這一參數(shù)，對(duì)于不同的電路連接有不一樣的觸發(fā)角范圍。于是，下文對(duì)12脈波整流電路觸發(fā)角范圍作了進(jìn)一步探究。

對(duì)于6脈波整流電路，逐步增大觸發(fā)角α，當(dāng)觸發(fā)角移相至120°時(shí)通過(guò)波形觀(guān)測(cè)得到整流輸出電壓Ud全部為零，其平均值也為零，可見(jiàn)帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路α角的移相范圍是120°。對(duì)于12脈波整流電路，當(dāng)α取90°、120°、170°時(shí)，負(fù)載電壓數(shù)值極小幾乎為0；當(dāng)α分別取80°、85°時(shí)電壓驟降，因此可將α自90°之后的電壓視作零。類(lèi)比三相半波整流電路、三相橋式整流電路觸發(fā)角范圍分別為0°-150°，0°-120°，由此推測(cè)12脈波整流電路觸發(fā)角范圍是0°-90°。

6脈波整流電路觸發(fā)角范圍同每相通入電壓大小有關(guān)，對(duì)于三相全控電路來(lái)說(shuō)，將正負(fù)半周三相電壓的交點(diǎn)（即線(xiàn)電壓正半周交點(diǎn)）作為自然換相點(diǎn)，而交點(diǎn)間的間隔角度即為觸發(fā)角的范圍。因此，可通過(guò)畫(huà)出在星角連接條件下12脈波整流電路的相電壓隨時(shí)間變化圖，從而可得到觸發(fā)角范圍。

由于12脈波的兩個(gè)三相橋依照Y接和△接相互串聯(lián)，因此相電壓示意圖是由兩組三相電壓構(gòu)成。其中，△接超前Y接30°，因此Y接相對(duì)△接向右平移30°。原來(lái)的交點(diǎn)角度差也由120°變?yōu)榱?0°或30°。通過(guò)以下公式（3）計(jì)算可得

但是由于晶閘管的流通有方向限制，30°的交點(diǎn)角度差所指并非是否能夠流通的界限［7］。因此可推得0°-90°為觸發(fā)角的范圍。

3）再仿真驗(yàn)證

在原電路仿真圖中繼續(xù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分別測(cè)量6脈波電路和12脈波電路二次側(cè)的線(xiàn)電壓，檢驗(yàn)自然換相角的角度差，見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 6脈波二次側(cè)線(xiàn)電壓示意圖

圖10 12脈波二次側(cè)線(xiàn)電壓示意圖

由圖9可見(jiàn)6脈波整流電路自然換相點(diǎn)間隔120°，α范圍是0°-120°［8］。由圖10可知12脈波整流電路波形是由兩個(gè)6脈波波形相對(duì)平移30°所致，于是線(xiàn)電壓交點(diǎn)間隔90°或者30°。而30°間隔的兩點(diǎn)并非兩線(xiàn)電壓的壓差零點(diǎn)，因此僅90°可作為自然換相點(diǎn)。并且可以依此得出0°-90°為觸發(fā)角的范圍。

3 12脈波整流電路教學(xué)效果

教學(xué)效果評(píng)估是反映課程教學(xué)質(zhì)量的保障，也是督促教學(xué)方式改進(jìn)升級(jí)的重要依據(jù)。在具體實(shí)踐中對(duì)學(xué)生采用了如上的類(lèi)比式探索教學(xué)模式，學(xué)期結(jié)束后通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式獲得學(xué)生反饋如下：類(lèi)比式探索具有的優(yōu)勢(shì)為①化抽象為直觀(guān)，學(xué)生可以在仿真中直接測(cè)得各參數(shù)及參數(shù)變化情況，將復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)仿真直觀(guān)呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)自主學(xué)習(xí)的方式加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。②有利于掌握Matlab/Simulink建模的基本方法，學(xué)生通過(guò)自主探索搭建十二脈波整流電路模型的方式，學(xué)習(xí)了如何使用Matlab/Simulink工具，增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)今后其他知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和探索有較大幫助。③有助于知識(shí)的融會(huì)貫通，類(lèi)比式探索的學(xué)習(xí)模式利用了知識(shí)點(diǎn)的相互關(guān)聯(lián)性，使學(xué)習(xí)不僅停留于課本知識(shí)，而是能夠通過(guò)類(lèi)比學(xué)習(xí)的方式進(jìn)而掌握更復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)。此外，自主探索能夠有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并為后續(xù)學(xué)習(xí)提供更多思考空間。

因此，上述學(xué)生反饋一定程度上反映了類(lèi)比式探索教學(xué)模式已取得較好的教學(xué)效果。然而，在教學(xué)過(guò)程中仍然存在一些不足，例如實(shí)踐過(guò)程大多采用仿真環(huán)境而缺少線(xiàn)下實(shí)操環(huán)節(jié)等，還需要繼續(xù)改進(jìn)。此外，在后續(xù)實(shí)踐過(guò)程中需要將此教學(xué)模式進(jìn)行小范圍推廣，對(duì)不同層次、不同年級(jí)的學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步教學(xué)實(shí)踐試驗(yàn)，以期獲取更好的教學(xué)效果和反饋。圖11展示的是后期優(yōu)化教學(xué)模式的總體流程。

圖11 后期教學(xué)模式優(yōu)化

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從仿真探索角度，利用Matlab中的Simulink模塊分別構(gòu)建12脈波和6脈波整流電路模型。從參數(shù)上進(jìn)行變化探索，能夠直觀(guān)形象地展示12脈波整流電路的電流電壓變化情況，并進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ取?/p>

（2）從類(lèi)比式探索角度，將已學(xué)6脈波整流電路電流的流向、狀態(tài)以及觸發(fā)角的范圍作為基礎(chǔ)，推導(dǎo)12脈波整流電路原理，為下一步論證提供理論依據(jù)。

（3）從再仿真與類(lèi)比結(jié)合角度，多方分析圖形數(shù)值與趨勢(shì)同推導(dǎo)結(jié)論之間的關(guān)系，準(zhǔn)確驗(yàn)證了類(lèi)比式推測(cè)的正確性，為12脈波整流電路原理提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

基于12脈波整流電路提出的類(lèi)比式探索教學(xué)模式在一定程度上能夠有效提升教學(xué)效果，也為其他知識(shí)點(diǎn)的高質(zhì)量學(xué)習(xí)提供重要參考，同時(shí)希望對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革以及專(zhuān)業(yè)課程的優(yōu)化有所啟發(fā)。