论文部分内容阅读
摘要：在电力电子教学中，针对仿真软件不能实现对控制器进行仿真的问题，采用Proteus仿真软件，同时对控制器及电力电子电路进行仿真，实现了对电力电子装置的板级仿真，并以具体项目为实例说明了该方法良好的仿真效果和应用前景，表明该方法可以使学生具备更全面的电力电子软硬件综合开发能力。
关键词：电力电子；仿真教学；Proteus；晶闸管调压
作者简介：马文川（1977-），男，河北献县人，东北农业大学电气工程系，讲师；房俊龙（1971-），男，黑龙江哈尔滨人，东北农业大学电气工程系，教授。（黑龙江?哈尔滨?150030）
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）21-0058-01
“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业必修的专业基础课，同时也是一门综合了电力技术、电子技术及控制技术的交叉学科，具有变换电路结构多样，波形复杂的特点，学习时要求学生有较强的公式推导及电路分析能力，导致学生掌握好相关知识难度较大，因此，采用软件对电力变换电路进行仿真模拟，便于学生实时观测波形，可以有效提高学生对该门课程的掌握和理解。
目前，在电力电子仿真教学中多采用Matlab、Pspice、Saber等仿真软件对电力电子电路进行仿真分析，其中，在教学领域Matlab软件应用较多，基于其Simulink/simpowersystem工具箱可以实现对电力电子电路的图形化建模与仿真分析，便于学生学习和使用，但也存在不能对控制器进行仿真，只能实现电力电子装置系统级仿真的问题，[1-2]不能使学生全面掌握电力电子装置软硬件设计的相应知识。而英国Labcenter公司研制的Proteus软件弥补了Matlab软件的这一缺点，可以同时仿真控制器与主电路，实现了电力电子装置的板级仿真，可以较好的提高电力电子技术课程的教学效果。[3-4]本文以利用Proteus软件实现晶闸管调压电路的软硬件仿真为例，对利用该软件在电力电子技术教学中的应用作了相应的介绍。
一、项目驱动式教学法
电力电子技术直接面向工程应用，具有较强的实践性，所以课堂的理论教学已不能完全满足企业用人的实际需求，而项目驱动式教学主要针对企业技术应用需求，以项目开发为主导，结合理论知识以具体项目为例，在解决项目开发的实际问题中使学生所学技术达到熟练应用，以满足企业用人的实际需求。本文采用Proteus软件以晶闸管调压具体项目为例，在具体的教学过程中实施项目驱动式教学方法，该项目主要包括三个方面：
（1）绘制包括单片机控制器及主电路的调压电路原理图。（2）使用Keil软件编制控制程序。（3）利用虚拟示波器等手段分析电路波形。
二、晶闸管调压项目仿真实例
1.晶闸管调压原理及仿真原理图绘制
晶闸管在大功率整流电路中被广泛采用，主要采用移相触发控制输出，而由单片机构成的触发控制电路因具有结构简单，抗干扰能力强，控制灵活，触发精度高等优点目前在工业界得到广泛应用。本项目即采用以8051单片机为核心的晶闸管移相触发电路，主要由同步锁相信号检测电路、单片机最小系统、触发驱动电路及晶闸管组成。其仿真原理图如图1所示。
主电路由电压源、晶闸管及阻性负载串联而成，其中电源为峰值12V的工频交流，电晶闸管选用Q2004L3型双向晶闸管，负荷为阻性负荷灯泡。当晶闸管触发导通时电路接通，负荷发光，电流过零时，晶闸管截止，电路断开。通过改变晶闸管的触发相位角调整输出到负荷的平均电压，达到调光的目的。调压原理如公式（1）所示：
（1）
其中，U0为负载电压有效值，U1为电源电压有效值，为触发角。
电压源通过限流电阻R1经反并联的二极管钳位后输入到比较器，经反向放大后形成同步锁相信号送入控制器。控制器选用AT89C51单片机，带有晶振电路及手动复位电路构成单片机最小系统，通过P3.2引脚检测同步信号，经控制器计算后由P1.2引脚输出触发信号，触发信号经反向器放大后驱动晶闸管导通。
2.软件程序编制
本项目采用Keil软件使用汇编语言进行程序开发，Keil软件可以方便地实现与Proteus软件联调，输出触发角的调压波形。单片机的软件设计流程如图2所示。
3.仿真分析
Proteus软件带有虚拟示波器，学生可以方便的实时观察波形的动态变化。系统电压与锁相信号如图3所示。
图3表明同步信号可以实现与交流电源锁相，为晶闸管控制提供同步信号。
负荷两端调压波形如图4所示。
波形与理论分析一致，通过使晶闸管触发角移相 改变了输出到负荷的平均电压，实现了交流调压。
仿真结果证明所设计触发电路能够正确工作且具有较好的精度，并且在教学中可直接使用虚拟示波器直观的观察运行结果，使学生更加明确触发角度与输出平均电压的关系，同时可以增强学生的学习兴趣。
三、结论
本文采用Proteus仿真软件，以晶闸管调压电路为例设计了一项具体的工程项目，并利用该项目向学生阐述了电力电子装置软、硬件开发的具体过程，解决了以往电力电子仿真教学中不能对控制器软件进行仿真的问题，使学生能够更加全面的掌握电力电子装置软硬件开发的相关知识，有效提高了教学水平。
参考文献：
[1]黎雪芬.KEIL及Proteus软件在单片机仿真教学中的应用[J].装备制造技术,2012,(3):49-50.
[2]刘平英.Proteus仿真在电类课程教学中的应用[J].中国科技信息,2011,(23):201.
[3]岳红.项目教学法及Proteus仿真在单片机教学中的应用[J].职业技术教育,2011,(35):48-49.
[4]胡继胜,李洪.基于Proteus的仿真教学与电子设计[J].电脑知识与技术,2011,(3):707-708.
（责任编辑：刘丽娜）
关键词：电力电子；仿真教学；Proteus；晶闸管调压
作者简介：马文川（1977-），男，河北献县人，东北农业大学电气工程系，讲师；房俊龙（1971-），男，黑龙江哈尔滨人，东北农业大学电气工程系，教授。（黑龙江?哈尔滨?150030）
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）21-0058-01
“电力电子技术”是电气工程及其自动化专业必修的专业基础课，同时也是一门综合了电力技术、电子技术及控制技术的交叉学科，具有变换电路结构多样，波形复杂的特点，学习时要求学生有较强的公式推导及电路分析能力，导致学生掌握好相关知识难度较大，因此，采用软件对电力变换电路进行仿真模拟，便于学生实时观测波形，可以有效提高学生对该门课程的掌握和理解。
目前，在电力电子仿真教学中多采用Matlab、Pspice、Saber等仿真软件对电力电子电路进行仿真分析，其中，在教学领域Matlab软件应用较多，基于其Simulink/simpowersystem工具箱可以实现对电力电子电路的图形化建模与仿真分析，便于学生学习和使用，但也存在不能对控制器进行仿真，只能实现电力电子装置系统级仿真的问题，[1-2]不能使学生全面掌握电力电子装置软硬件设计的相应知识。而英国Labcenter公司研制的Proteus软件弥补了Matlab软件的这一缺点，可以同时仿真控制器与主电路，实现了电力电子装置的板级仿真，可以较好的提高电力电子技术课程的教学效果。[3-4]本文以利用Proteus软件实现晶闸管调压电路的软硬件仿真为例，对利用该软件在电力电子技术教学中的应用作了相应的介绍。
一、项目驱动式教学法
电力电子技术直接面向工程应用，具有较强的实践性，所以课堂的理论教学已不能完全满足企业用人的实际需求，而项目驱动式教学主要针对企业技术应用需求，以项目开发为主导，结合理论知识以具体项目为例，在解决项目开发的实际问题中使学生所学技术达到熟练应用，以满足企业用人的实际需求。本文采用Proteus软件以晶闸管调压具体项目为例，在具体的教学过程中实施项目驱动式教学方法，该项目主要包括三个方面：
（1）绘制包括单片机控制器及主电路的调压电路原理图。（2）使用Keil软件编制控制程序。（3）利用虚拟示波器等手段分析电路波形。
二、晶闸管调压项目仿真实例
1.晶闸管调压原理及仿真原理图绘制
晶闸管在大功率整流电路中被广泛采用，主要采用移相触发控制输出，而由单片机构成的触发控制电路因具有结构简单，抗干扰能力强，控制灵活，触发精度高等优点目前在工业界得到广泛应用。本项目即采用以8051单片机为核心的晶闸管移相触发电路，主要由同步锁相信号检测电路、单片机最小系统、触发驱动电路及晶闸管组成。其仿真原理图如图1所示。
主电路由电压源、晶闸管及阻性负载串联而成，其中电源为峰值12V的工频交流，电晶闸管选用Q2004L3型双向晶闸管，负荷为阻性负荷灯泡。当晶闸管触发导通时电路接通，负荷发光，电流过零时，晶闸管截止，电路断开。通过改变晶闸管的触发相位角调整输出到负荷的平均电压，达到调光的目的。调压原理如公式（1）所示：
（1）
其中，U0为负载电压有效值，U1为电源电压有效值，为触发角。
电压源通过限流电阻R1经反并联的二极管钳位后输入到比较器，经反向放大后形成同步锁相信号送入控制器。控制器选用AT89C51单片机，带有晶振电路及手动复位电路构成单片机最小系统，通过P3.2引脚检测同步信号，经控制器计算后由P1.2引脚输出触发信号，触发信号经反向器放大后驱动晶闸管导通。
2.软件程序编制
本项目采用Keil软件使用汇编语言进行程序开发，Keil软件可以方便地实现与Proteus软件联调，输出触发角的调压波形。单片机的软件设计流程如图2所示。
3.仿真分析
Proteus软件带有虚拟示波器，学生可以方便的实时观察波形的动态变化。系统电压与锁相信号如图3所示。
图3表明同步信号可以实现与交流电源锁相，为晶闸管控制提供同步信号。
负荷两端调压波形如图4所示。
波形与理论分析一致，通过使晶闸管触发角移相 改变了输出到负荷的平均电压，实现了交流调压。
仿真结果证明所设计触发电路能够正确工作且具有较好的精度，并且在教学中可直接使用虚拟示波器直观的观察运行结果，使学生更加明确触发角度与输出平均电压的关系，同时可以增强学生的学习兴趣。
三、结论
本文采用Proteus仿真软件，以晶闸管调压电路为例设计了一项具体的工程项目，并利用该项目向学生阐述了电力电子装置软、硬件开发的具体过程，解决了以往电力电子仿真教学中不能对控制器软件进行仿真的问题，使学生能够更加全面的掌握电力电子装置软硬件开发的相关知识，有效提高了教学水平。
参考文献：
[1]黎雪芬.KEIL及Proteus软件在单片机仿真教学中的应用[J].装备制造技术,2012,(3):49-50.
[2]刘平英.Proteus仿真在电类课程教学中的应用[J].中国科技信息,2011,(23):201.
[3]岳红.项目教学法及Proteus仿真在单片机教学中的应用[J].职业技术教育,2011,(35):48-49.
[4]胡继胜,李洪.基于Proteus的仿真教学与电子设计[J].电脑知识与技术,2011,(3):707-708.
（责任编辑：刘丽娜）