鄭偉　郝保明

摘要：通過對“電力電子技術”課程內容的梳理，明確PWM控制技術是聯接經典變流理論與現代變流技術的關鍵節(jié)點之一。針對教學活動中的瓶頸，根據學生的現有知識水平，合理開發(fā)課程資源，設計循序漸進的教學過程，幫助學生快速且有效地掌握重點知識。課堂實踐證實，教、學質量均有改善。關鍵詞：電力電子技術；PWM；教學過程中圖分類號：G642.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-9324（2018）20-0165-03 一、引言電力電子技術是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要課程。學生對課程知識的掌握有助于其建立清晰的專業(yè)知識結構。而電力電子技術又是一個發(fā)展很迅速的學科，新理論和新技術的不斷涌現與成熟。在此背景下，一方面從事電力電子及相關課程教學的教師需要持續(xù)的豐富并更新自己的知識儲備、優(yōu)化知識結構；另一方面，普通高校的學生作為專業(yè)知識的初學者，學習時直接從前沿知識入手是不現實的，這就要求教師在教學過程中處理好經典理論和學科前沿的銜接。傳統(tǒng)電力電子技術與現代電力電子技術的交匯點有很多，PWM控制技術就是其中之一。細致且多角度地將PWM控制技術講解清楚，可以幫助學生建立起從電力電子經典理論向高級電力電子技術提升的階梯。二、關鍵知識節(jié)點的篩選PWM控制技術的分類方式是多樣的[1]：按直流側儲能元件的不同可分為電壓型和電流型；按電網側進線的不同可分為單相、三相和多相；按橋路結構的不同可分為半橋型和全橋型；按控制方式的不同可分為硬開關模式和軟開關模式，且以上分類方式可以彼此嵌套。因此，授課時選取具有典型特征且難度適中的電路結構和控制方式，對學生扎實并高效的掌握PWM技術的核心思想十分重要。H型電路在電力電子教材中出現的頻率很高[2]，其應用范圍包含AC-DC、DC-AC、DC-DC、AC-AC的幾乎所有需要變流的場合。在此選取H型電路的PWM工作模式，即單相電壓型全橋PWM整流/逆變電路，作為關鍵知識節(jié)點。教材中對PWM技術的闡述是由逆變模式開始的，主要介紹了使用調制法生成PMW脈沖序列，通過這部分知識的學習，可以使學生建立一個初步的概念：PWM電路的交流側電壓uAB的波形為一系列等幅不等寬的方波。在此基礎上便可以進一步的探究電路的工作特點。三、教學過程的推進對H型電路PWM工作過程最經典的描述是不同工作狀態(tài)下相量的合成[2]，只要能幫助學生掌握相量合成的過程與結果，便可保證其掌握深入學習研究PWM技術的鑰匙。下文將分步驟說明針對該知識點的教學推進過程。（一）整流過程的分析H型電路工作于整流模式下，其功率因數可以達到1，即圖中的電網電壓us與交流側電流is同相位。電路中的關鍵元件是交流側電感Ls，它的作用之一就是平衡回路中的電壓。弄清電感兩端感應電動勢的極性，對理解電路中的能量流向很有幫助。根據電感的充放電狀態(tài)不同，以及電感上流過的電流方向不同，其感應電動勢的極性不同，具體分為以下四種情況。交流側電感元件的等效電阻對回路電壓影響不明顯，在分析工作過程時可以暫時忽略[1][3][4]，只在進行相量合成時才加以考慮。若期望整流的功率因數為1，則us與is同相位。由于電路是升壓型整流電路，為保證交流測電流is的質量，要求ud>us[2]。調制信號ur采用正弦波，載波uc采用雙極性三角波。1.ur>uc時，給V1、V4開通信號，給V2、V3關斷信號。若is>0，此時us處于正半周。實際導通的開關是VD1、VD4，由于電網電壓低于直流側電壓，無法驅動交流側電流按照圖1中所示方向流動，因此電感的感應電動勢方向必須與電流方向一致，即圖2a所示的情形，此時的電感相當于電源。電路中的能量關系為：電網電壓與網側電感共同為直流側電容充電。若is<0，此時us處于負半周。實際導通的開關是V1、V4，此時電網電壓處于負半周，仍然為電流的提供者；另一提供電流的器件是直流側電容。根據回路電壓平衡的原則，可以確定電感的狀態(tài)如圖2c所示的情形。電路中的能量關系為：電網電壓與直流側電容共同為網側電感充電。2.ur0，導通的開關為V2、V3，電網電壓與直流側電容共同驅動電流為網側電感充電，即圖2b所示的情況。若is<0，導通的開關為VD2、VD3，電網電壓us此時的作用是驅動電流，而直流側電容此時阻礙電流，又因為電路中始終滿足ud>us，可以推斷出網側電感此時的作用是驅動電流，其感應電動勢如圖2d所示。能量的流向為：電網電壓與網側電感共同為直流側電容充電。上述過程有一個共同點：電網電壓始終在輸出能量，電路的總體能量流向是從交流側去向直流側。而電感與電容本身既不產生也不消耗有功功率，所以此時的電路工作過程可以簡單的描述為交流電源為直流負載供電，且電網電壓與交流側電流同相位，即功率因數為1的整流。（二）逆變過程的分析H型電路工作于逆變模式下，其功率因數可以達到-1，即圖中的電網電壓us與交流側電流is反相位。1.ur>uc時，給V1、V4開通信號，給V2、V3關斷信號。若is>0，此時us處于負半周。實際導通的開關是VD1、VD4，根據電流路徑與元件電壓的極性，可以判斷出電網與電容都處于充電狀態(tài)，因此電感必然處于放電狀態(tài)，其狀態(tài)如圖2a所示，此時的電感相當于電源。電路中的能量關系為：網側電感為電網、直流側電容充電。若is<0，此時us處于正半周。實際導通的開關是V1、V4，電網此時吸收能量，電容向交流側輸出能量。根據回路電壓平衡的原則，可確定電感此時吸收能量，其狀態(tài)如圖2c所示。2.ur0，導通的開關為V2、V3，電容向交流側輸出能量，為電網與網側電感充電，即圖2b所示的情況。若is<0，導通的開關為VD2、VD3，電網與直流側電容此時阻礙電流，可以推斷出網側電感此時的作用是驅動電流，其感應電動勢如圖2d所示。在以上過程中：電網始終在吸收能量，電路的總體能量流向是從直流側去向交流側。結合相控整流電路的相關內容，還可以把上述過程描述為全控器件版的有源逆變，進一步密切新知識與已有知識間的聯系。（三）相量合成至此，學生對于電路的結構、工作過程和優(yōu)越性能都已不再陌生，進行知識間正向遷移的各種條件已基本具備；在此基礎上拋出相量合成的問題，則學生可以較為輕松的接受。整流過程中，交流側電流的相量與電網電壓的相量同相位，由此可以確定交流側電阻電壓相量與電感電壓相量的方向，如圖3a所示，最后將交流側電壓uAB的相量、電阻電壓相量和電感電壓相量順向串聯即可。逆變過程中，交流側電流的相量與電網電壓的相量反相位，仿照整流狀態(tài)相量圖的畫法，可以繪制出逆變過程的相量關系，如圖3b所示。此處需要特別向學生強調的是：uAB的波形仍為SPWM方波，但其基波分量為正弦波，且頻率與調制信號相同。（四）知識點的強化以上過程圍繞同一電路的不同工作模式，分析其工作過程，特別是電路中的能量流向，在此基礎上介紹相量合成的過程。至此，學生對PWM技術已不再陌生，之后的過程就是將其強化并作適當的拓展。方式可以是多樣的[5][6][7]：將控制方式或電路進行改變，要求學生自行分析電流通路和能量流向并回答問題，有助于提高他們對課堂過程的參與感和積極性；將仿真過程和結果進行展示，可以直觀的呈現電路中各種波形的對應關系；根據理論課的教學效果，有針對性的安排和指導實驗課，則可以將課堂知識、獨立思考、團隊協作和解決問題有機的融合。四、結論將交流側電感的感應電動勢極性作為切入點，詳細的分析不同工作狀態(tài)下，H橋電路中的能量轉換關系。通過明確電能的轉換過程，幫助學生快速建立起對電路及其工作過程的熟悉感，樹立信心；在此基礎上導入相量合成的問題，可較為順利的完成知識的遷移過程，使初學者高效的接受這一經典描述。對電路中各種相量合成方式與結果的掌握，能夠幫助學生從整體上把握PWM控制技術的基本特點，為之后的深入學習建立信心、奠定基礎。參考文獻：[1]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術（第5版）[M].北京：機械工業(yè)出版，2009.[3]楊亞萍，王成，雷新穎.電壓型PWM整流電路研究與控制實現[J].電子設計工程，2016，24（15）：154-156，[4]黃海宏，王海欣，張毅，許月霞.PWM整流電路的原理分析[J].電氣電子教學學報，2007，29（4）：28-29.[5]譚陽，徐靜.電力電子技術課程理實一體化教學研究和探討[J].重慶電力高等?？茖W校學報，2017，22（4）：1-3.[6]王琪，羅印生.“電力電子技術”課程理論教學與案例分析[J].江蘇理工學院學報，2017，23（2）：107-110.[7]王偉，王靜文.應用型本科院校“電力電子技術”課程教學改革[J].高教學刊，2017（21）：137-138.