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“电力电子技术”课程中PWM控制技术的教学研究

来源:教育教学论坛     2018-10-8 14:43:57      点击:
“电力电子技术”课程中PWM控制技术的教学研究
         郑伟  郝保明     
(宿州学院机械与电子工程学院 安徽宿州 234000)
摘要:通过对“电力电子技术”课程内容的梳理,明确PWM控制技术是联接经典变流理论与现代变流技术的关键节点之一。针对教学活动中的瓶颈,根据学生的现有知识水平,合理开发课程资源,设计循序渐进的教学过程,帮助学生快速且有效的掌握重点知识。课堂实践证实,教、学质量均有改善。
关键词:电力电子技术;  PWM;  教学过程      教育教学论坛
中图分类号:G642.1         文献标识码:A
 
0 引言
电力电子技术是电气工程及其自动化专业的重要课程。学生对课程知识的掌握有助于其建立好清晰的专业知识结构。而电力电子技术又是一个发展很迅速的学科,新理论和新技术的不断涌现与成熟。在此背景下,一方面从事电力电子及相关课程教学的教师需要持续的丰富并更新自己的知识储备、优化知识结构;另一方面,普通高校的学生作为专业知识的初学者,学习时直接从前沿知识入手是不现实的,这就要求教师在教学过程中处理好经典理论和学科前沿的衔接。传统电力电子技术与现代电力电子技术的交汇点有很多,PWM控制技术就是其中之一。细致且多角度的将PWM控制技术讲解清楚,可以帮助学生建立起从电力电子经典理论向高级电力电子技术提升的阶梯。
1 关键知识节点的筛选
PWM控制技术的分类方式是多样的[1]:按直流侧储能元件的不同可分为电压型和电流型;按电网侧进线的不同可分为单相、三相和多相;按桥路结构的不同可分为半桥型和全桥型;按控制方式的不同可分为硬开关模式和软开关模式。且以上分类方式可以彼此嵌套。因此,授课时选取具有典型特征且难度适中的电路结构和控制方式,对学生扎实并高效的掌握PWM技术的核心思想十分重要。H型电路在电力电子教材中出现的频率很高[2],其应用范围包含AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC的几乎所有需要变流的场合。在此选取H型电路的PWM工作模式,即单相电压型全桥PWM整流/逆变电路,作为关键知识节点。教材中对PWM技术的阐述是由逆变模式开始的,主要介绍了使用调制法生成PMW脉冲序列,通过这部分知识的学习,可以使学生建立一个最初步的概念:PWM电路的交流侧电压uAB的波形为一系列等幅不等宽的方波。在此基础上便可以进一步的探究电路的工作特点。
2 教学过程的推进
对H型电路PWM工作过程最经典的描述是不同工作状态下相量的合成[2],只要能帮助学生掌握相量合成的过程与结果,便可保证其掌握深入学习研究PWM技术的钥匙。下文将分步骤说明针对该知识点的教学推进过程。
2.1 整流过程的分析
 
图1 PWM整流电路
H型电路工作于整流模式下,其功率因数可以达到1,即图中的电网电压us与交流侧电流is同相位。电路中的关键元件是交流侧电感Ls,它的作用之一就是平衡回路中的电压。弄清电感两端感应电动势的极性,对理解电路中的能量流向很有帮助。根据电感的充放电状态不同,以及电感上流过的电流方向不同,其感应电动势的极性不同,具体分为以下四种情况。
 
图2 电感电流与感应电动势
交流侧电感元件的等效电阻对回路电压影响不明显,在分析工作过程时可以暂时忽略[1][3][4],只在进行相量合成时才加以考虑。若期望整流的功率因数为1,则us与is同相位。由于电路是升压型整流电路,为保证交流测电流is的质量,要求ud>us[2]。调制信号ur 采用正弦波,载波uc采用双极性三角波。
①ur >uc时,给V1、V4开通信号,给V2、V3关断信号:
若is>0,此时us处于正半周。实际导通的开关是VD1、VD4,由于电网电压低于直流侧电压,无法驱动交流侧电流按照图1中所示方向流动,因此电感的感应电动势方向必须与电流方向一致,即图2a所示的情形,此时的电感相当于电源。电路中的能量关系为:电网电压与网侧电感共同为直流侧电容充电。
若is<0,此时us处于负半周。实际导通的开关是V1、V4,此时电网电压处于负半周,仍然为电流的提供者;另一提供电流的器件是直流侧电容。根据回路电压平衡的原则,可以确定电感的状态如图2c所示的情形。电路中的能量关系为:电网电压与直流侧电容共同为网侧电感充电。
②ur <uc时,给V2、V3开通信号,给V1、V4关断信号:
若is>0,导通的开关为V2、V3,电网电压与直流侧电容共同驱动电流为网侧电感充电,即图2b所示的情况。
若is<0,导通的开关为VD2、VD3,电网电压us此时的作用是驱动电流,而直流侧电容此时阻碍电流,又因为电路中始终满足ud>us,可以推断出网侧电感此时的作用是驱动电流,其感应电动势如图2d所示。能量的流向为:电网电压与网侧电感共同为直流侧电容充电。上述过程有一个共同点:电网电压始终在输出能量,电路的总体能量流向是从交流侧去向直流侧。而电感与电容本身既不产生也不消耗有功功率,所以此时的电路工作过程可以简单的描述为交流电源为直流负载供电,且电网电压与交流侧电流同相位,即功率因数为1的整流。
2.2 逆变过程的分析
H型电路工作于逆变模式下,其功率因数可以达到-1,即图中的电网电压us与交流侧电流is反相位。
①ur >uc时,给V1、V4开通信号,给V2、V3关断信号:
若is>0,此时us处于负半周。实际导通的开关是VD1、VD4,根据电流路径与元件电压的极性,可以判断出电网与电容都处于充电状态,因此电感必然处于放电状态,其状态如图2a所示,此时的电感相当于电源。电路中的能量关系为:网侧电感为电网、直流侧电容充电。
若is<0,此时us处于正半周。实际导通的开关是V1、V4,电网此时吸收能量,电容向交流侧输出能量。根据回路电压平衡的原则,可确定电感此时吸收能量,其状态如图2c所示。
②ur <uc时,给V2、V3开通信号,给V1、V4关断信号:
若is>0,导通的开关为V2、V3,电容向交流侧输出能量,为电网与网侧电感充电,即图2b所示的情况。
若is<0,导通的开关为VD2、VD3,电网与直流侧电容此时阻碍电流,可以推断出网侧电感此时的作用是驱动电流,其感应电动势如图2d所示。
    在以上过程中:电网始终在吸收能量,电路的总体能量流向是从直流侧去向交流侧。结合相控整流电路的相关内容,还可以把上述过程描述为全控器件版的有源逆变,进一步密切新知识与已有知识间的联系。
2.3 相量合成
至此,学生对于电路的结构、工作过程和优越性能都已不再陌生,进行知识间正向迁移的各种条件己基本具备;在此基础上抛出相量合成的问题,则学生可以较为轻松的接受。整流过程中,交流侧电流的相量与电网电压的相量同相位,由此可以确定交流侧电阻电压相量与电感电压相量的方向,如图3a所示,最后将交流侧电压uAB的相量、电阻电压相量和电感电压相量顺向串联即可。逆变过程中,交流侧电流的相量与电网电压的相量反相位,仿照整流状态相量图的画法,可以绘制出逆变过程的相量关系,如图3b所示。此处需要特别向学生强调的是:uAB的波形仍为SPWM方波,但其基波分量为正弦波,且频率与调制信号相同。
 
图3 整流/逆变过程的相量合成
2.4 知识点的强化
    以上过程围绕同一电路的不同工作模式,分析其工作过程,特别是电路中的能量流向,在此基础上介绍相量合成的过程。至此,学生对PWM技术已不再陌生,之后的过程就是将其强化并作适当的拓展。方式可以是多样的[5][6][7]:将控制方式或电路进行改变,要求学生自行分析电流通路和能量流向并回答问题,有助于提高他们对课堂过程的参与感和积极性;将仿真过程和结果进行展示,可以直观的呈现电路中各种波形的对应关系;根据理论课的教学效果,有针对性的安排和指导实验课,则可以将课堂知识、独立思考、团队协作和解决问题有机的融合。
3 结论
    将交流侧电感的感应电动势极性作为切入点,详细的分析不同工作状态下,H桥电路中的能量转换关系。通过明确电能的转换过程,帮助学生快速建立起对电路及其工作过程的熟悉感,树立信心;在此基础上导入相量合成的问题,可较为顺利的完成知识的迁移过程,使初学者高效的接受这一经典描述。对电路中各种相量合成方式与结果的掌握,能够帮助学生从整体上把握PWM控制技术的基本特点,为之后的深入学习建立信心、奠定基础。
参考文献:
[1]张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012.
[2]王兆安,刘进军. 电力电子技术(第5版)[M].北京: 机械工业出版,2009.
[3]杨亚萍,王成,雷新颖.电压型PWM整流电路研究与控制实现[J].电子设计工程,2016,24(15):154-156,
[4]黄海宏,王海欣,张毅,许月霞.PWM整流电路的原理分析[J].电气电子教学学报,2007,29(4):28-29.
[5]谭阳,徐静.电力电子技术课程理实一体化教学研究和探讨[J].重庆电力高等专科学校学报,2017,22(4):1-3.
[6]王琪,罗印生.“电力电子技术”课程理论教学与案例分析[J].江苏理工学院学报,2017,23(2):107-110.
[7]王伟,王静文.应用型本科院校“电力电子技术”课程教学改革[J].高教学刊,2017(21):137-138.
 
 
 
作者简介:郑伟(1981.11--),男,重庆合川人。宿州学院机械与电子工程学院助教,硕士,主要从事电力电子技术的研究与教学。
基金项目:宿州学院通信工程卓越工程师培养计划(szxy2016zyjh01),宿州学院优秀青年人才支持计划资助项目(2016XQNRL001), 宿州学院重点科研项目(2016yzd02)
 
Research on the Teaching of PWM Control Technology in the "Power Electronics" Course
 Zheng Wei    Hao Baoming
(Suzhou 234000, College of Mechanical and Electronic Engineering, Suzhou University)
Abstract: By combing the content of the "power electronics" course, it is clear that the PWM control technology is the key node to connect the classical variable flow theory and the modern variable flow technology. In view of the bottleneck in teaching activities, we should rationally develop curriculum resources according to the existing knowledge level of students, design progressive teaching process, and help students grasp key knowledge quickly and effectively. The practice in the classroom has proved that the quality of teaching and learning has been greatly improved. Keywords:power electronics technology;PWM;teaching process
收稿日期:2018-1-17