EMTP和C++Builder在高电压试验技术课程教学中的应用
【中图分类号】TM832 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）07-0005-03
一 课程特点
由于高电压技术学科发展的不完善性导致电介质的关键参数（如介电、导电和电气强度等参数）不像电气工程中的其他课程，如电力系统自动化、电磁场、电路等关键参数可以通过计算获得，在高电压技术中关键参数很大程度上还是依赖实验。因此，高电压试验技术在高电压技术专业课程体系中的地位突出。它是该专业一门重要的专业基础课，该课程学习过程需要运用以前学过的高等数学、电路、电磁场工程、电机学和电力电子等课程的相关知识，它涉及工频高压、直流高压、冲击高压和冲击大电流的产生及测量，知识面较广，比较抽象，学生学习难度较大。
倍压整流电路是直流高压串级发生器的基本单元，其充电过程涉及多点电位间的关系及硅堆的导通和截止。虽然教材中也给出了各个阶段硅堆导通的信息，但还是比较抽象，初学者难以清晰把握整个充电过程硅堆导通和截止情况，学生普遍难以理解，影响教学效果。针对这种情况，非常有必要将倍压电路充电过程形象化、具体化。为实现这个目标，本文在EMTP中搭建倍压电路模型，将得到的各点随时间变化的电位值存储为数据文件，然后在C++Builder中编程导入该数据文件，可以随使用者要求自动或手动演示倍压电路充电过程中各点电位和硅堆导通情况。该软件可加深学生对倍压电路充电过程的理解，提高学生的学习兴趣。
二 EMTP和C++Builder软件介绍
Electromagnetic Transients Program（EMTP）是目前国际上广泛使用的电磁暂态计算程序。它在1984年由美国能源部邦维尔电管局（BPA）主导开发。经过数十年的使用和演变，EMTP已衍生出多个版本系统，其中ATP（The Alternative Transients Program）-EMTP程序应用最为广泛。与以前EMTP分析一个电磁暂态问题需要输入很多复杂的专业性数据不同，ATP-EMTP提供了很多元器件的封装模块，是一个图形化、鼠标驱动的可视化软件，建模和结果的分析非常方便。ATP-EMTP程序的基本功能就是对电力系统进行仿真计算，分析其在稳态和暂态情况下，各个参量随时间变化的情况。同时，它也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。考虑到ATP-EMTP（简称为EMTP）强大的功能、方便使用以及业界广泛接受性，本文选择它进行仿真分析倍压电路充电过程中各点电位变化情况。
EMTP固然可以计算获得倍压电路各点电位随时间变化的数据，但其本身无法演示各点电位随时间变化的过程，也无法显示硅堆的导通和截止状态，而这些正是可视化编程语言C++Builder的强项。C++Builder 6.0是由Borland公司推出的一款高性能可视化集成开发工具。它具有快速的可视化开发环境：只要简单地把控件拖到窗体、定义一下它的属性、设置一下它的外观，就可以快速地建立应用程序界面。它内置了100多个完全封装了Windows公用特性且具有完全可扩展性的可重用控件，这进一步加快了开发效率。通过这些控件可与用户轻松交互、根据要求载入图像、显示数据及其对应的波形，完全可以满足倍压电路充电过程动态演示的目的。因此，本文选择C++Builder 6.0将EMTP仿真产生的倍压电路各点电位数据进行动态的显示。
三 EMTP和C++Builder在高电压试验技术课程教学中的应用
1.EMTP中的建模
要演示的倍压电路如图1所示。
T：工频试变；D1和D2：整流
元件（硅堆）；C1和C2：滤波电容。
该电路的基本充电过程：（1）当
1点电位小于0时D2导通，电源通
过D2对C1充电。（2）当1点电位大
于2点电位时D1导通，电源对C1
和C2充电。如果变压器二次侧峰值
电压为Um，充电完成后C1和C2上电压分别为Um和2Um。
对应在EMTP中的建模结果为：
相关参数设置如下：电源电压u（t）=Acos（2πf+φ），峰值A为100kV，频率f为50Hz；初始相位φ为270°。电容C1=C2=1μF，Ks值均设置为0；两个二极管（硅堆）门槛电压均设置为0V。
与图1相比，图2增加了一个电阻，其值R=0.05Ω。这是因为对于该电路，如果没有电阻则无法在EMTP中仿真，
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* 华北电力大学校级教改立项项目（重大）的研究成果
而如此小阻值电阻的加入对仿真结果几乎没有影响。仿真得到各点电压波形如图3所示。
图2 倍压整流在EMTP 图3 EMTP仿真得到倍压电路中
中的建模图 各点的电位和电容电压波形
2.C++Builder中的编程
显然，仅根据图3无法清晰快速获得在各个时间段两个硅堆的导通和截止情况，也无法直观演示不同时刻各个电容的充电状态。
为了在C++Builder中编程时可以读入这些数据，将以上得到的电位和电压波形数据通过Pl42mat.exe存储为MATLAB能识别的Mat格式，将这些数据在MATLAB中又存储为单精度的浮点格式文件。 在C++Builder中开发的演示程序执行流程如下：（1）程序启动，同时自动读入各点电位和电压数据。（2）根据用户的选择确定采用手动模式还是自动模式。（3）根据用户输入或自动演示程序确定的时间，显示从0时刻到选定的仿真时刻U30的波形，根据选定的仿真时刻对应的1、2和3点电位自动判断硅堆的导通和截止状态，然后载入导入对应的倍压电路图像。并自动显示各点电位值。（4）用户暂停演示或继续演示充电流程。（5）用户退出程序。
在C++Builder中程序设计界面如图4所示。
图4 C++Builder中的程序设计界面
为了使初学者能比较清晰、形象地观察到各个硅堆及回路的导通和截止状况，本文在程序设计上采用了如下措施：
第一，对处于不同（导通或截止）状态的回路用不同颜色、粗细和风格的线条进行显示，也就是说对处于导通状态的回路其颜色为红色、线条为实线且较粗；而对处于截止状态的回路其颜色为灰色、线条为虚线且较细。而且导通回路的各条支路均标出了电流方向，而处于截止状态的回路则没有。这样处理后，对各个回路的导通或截止状态，初学者可一目了然观察到，非常直观和形象，增加了初学者的学习信心。
第二，标出各点电位及C1上的电压，随充电的进行动态地显示这些变量的当前值。这样用户可以根据电位和电压数据验证图像中显示的硅堆和回路导通情况的正确性，同时根据导通情况分析各点电位及电容上电压值变化的正确性。这使初学者能更容易地投入到倍压电路的充电过程分析中，加深其对倍压回路充电过程的理解。
第三，动态显示了电源电压U30从0时刻到选定仿真时刻的波形，结合该波形方便初学者对电路充电过程的分析。
同时为了方便用户使用，增加系统的易用性和适合于各种不同熟悉程度的用户，针对演示流程，系统设置了两种模式供用户自由选择，即手动模式和自动模式。选择手动模式时由用户手动确定TrackBar上的当前时刻，系统根据用户确定的当前时刻画出从0时刻到当前时刻的电源电压波形，然后调入各点电位数据判断两个硅堆的导通和截止状态，进而确定各回路的导通和截止情况并载入合适的图像，同时在各点显示电位和电压数据。如果用户继续选择别的时间，则系统根据用户选择的仿真时间点重复执行以上操作。
选择自动模式时用户还可以根据自己的熟悉程度和要求选择演示速度，可以为“非常快”“很快”“快”“中”“慢”“很慢”和“非常慢”。一旦点击“启动”按钮则系统会自动演示倍压电路的状态从0时刻到0.06s范围内的充电过程，用户可以很清晰地观察到在这3个工频周期内各点电位变化、电容电压变化、硅堆及各回路的导通和截止情况。在仿真过程中用户可随时点击右侧按钮，充电状态将会被固化到这一时刻，同时该按钮显示为“启动”状态。此后用户也可点击该按钮进行演示充电过程，时该按钮显示为“停止”状态。
C++Builder编译链接生成可执行文件后可以脱离C++Builder在Windows平台中运行，方便了程序的移植和应用。
3.程序演示结果的分析
倍压整流电路硅堆的导通和截止情况有3种状态，即D1导通D2截止（电源通过D1对C1和C2充电），D2导通D1截止（电源通过D2对C1充电）及D1和D2都截止时对应的演示结果，如图5所示。
（a）D1导通D2截止 （b）D2导通D1截止
（c）D1和D2都截止
图5 程序的演示
由图5（a）可知，3点电位处于逐渐增加的时期，对原来并没有电荷的C1和C2，1点电位必然高于2点电位，D1导通（当然D1导通后不考虑压降1点与2点电位相等）。由于1点电位为43.79 kV，高于0点电位，故D2截止。以上分析与程序中显示的结果，即D1为红色实线处于导通状态，D2为灰色虚线处于截止状态吻合。C1和C2上电压分别为-43.84 kV和43.79 kV，两者幅值近似相等。这与电源对两个电容值相等的串联电容（电阻R=0.05Ω近似可忽略）充电的结果一致。
由图5（b）可知，1点电位为-0.08kV高于零电位，故D2导通（实际上D2导通后不考虑压降1点与0点电位基本相等）。而1点的电位-0.08kV明显低于2点的电位49.98kV，故D1截止。由以上分析可知，此时电源通过D2对C1充电。这与程序中显示的结果，即D2为红色实线处于导通状态，D1为灰色虚线处于截止状态吻合。C1充电得到电压为-24.95kV与电源电压24.87kV幅值相近。这与真实的电源经过一个很小电阻对电容进行充电的情况吻合。
由图5（c）可知，1点电位为42.95kV低于2点电位49.98kV，故D1截止。同时，1点电位为42.95kV高于0点电位，故D2也截止。这与程序中显示的结果，即D1与D2均为灰色虚线处于截止状态吻合。
显然，根据程序中给出图像使用者可以一目了然地察到硅堆的导通和截止情况，而且结合给出的各点电位数据，使用者可以方便判断硅堆导通和截止情况的正确性，同时根据充电过程也可以大致判断各点电位的正确性。这样可以大大加深使用者对倍压电路充电过程的理解。
四 结束语
采用EMTP进行仿真建模，C++Builder动态显示各点电位和硅堆导通情况，然后处于导通和截止状态的回路区分显示的方式可以将倍压电路复杂的充电过程形象化和具体化，这样使倍压电路充电过程的理解更容易，有利于培养初学者对高电压试验技术课程的学习兴趣，提高教学质量。这种教学方式对其他相关课程的教学也具有参考价值，可推广到更多的专业课教学中。
