計算機(jī)仿真技術(shù)在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用①

肖雯娟，呂慧

[摘 要] 電力電子技術(shù)是電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論的交叉學(xué)科，具有非常強(qiáng)的理論性、實踐性和應(yīng)用性。對比分析了幾種常用計算機(jī)仿真軟件的適用范圍，同時以課程難點和實際中最常用的應(yīng)用電路為例，分別采用Simulink、Psim軟件對電路進(jìn)行了建模與仿真，仿真結(jié)果驗證了理論分析的準(zhǔn)確性。教學(xué)實踐結(jié)果表明，將計算機(jī)仿真引入電力電子技術(shù)課程的課堂教學(xué)中，可調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生對變流技術(shù)的直觀認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用軟件的能力，有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) 鍵 詞] 電力電子技術(shù)；計算機(jī)仿真；建模與仿真

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）07-0050-02

電力電子技術(shù)是高等院校電氣工程及其自動化專業(yè)、自動化專業(yè)的必修課程，本課程的教學(xué)是在學(xué)生學(xué)習(xí)了電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程的基礎(chǔ)上完成的[1]，因此在授課過程中，會涉及大量的電路綜合分析，同時要通過波形分析的方法來描述變流器的具體工作情況，最后要通過大量推導(dǎo)計算得到相應(yīng)的結(jié)果。內(nèi)容豐富的授課過程是對教師自身素質(zhì)的考驗，知識的綜合也是學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時遇到的最大困難[2]。因此，作為任課教師，如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與清楚地講授課堂理論知識同等重要。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，針對電力電子技術(shù)的計算機(jī)仿真軟件也不斷涌現(xiàn)，其中如Matlab、Mutsim、Psim軟件也被廣泛應(yīng)用于電力電子電路的設(shè)計與驗證中。近年來，不斷有教師將該類軟件引入課堂教學(xué)過程中，教學(xué)實踐證明計算機(jī)仿真軟件的引入，不僅加深了學(xué)生對抽象理論的理解，對工科學(xué)生而言，也培養(yǎng)了他們的實際動手能力，為成為優(yōu)秀的工程師做準(zhǔn)備。

一、常用的電力電子仿真軟件的特點及對比分析

（一）MATLAB/SIMULINK仿真軟件

Matlab軟件應(yīng)用廣泛，也適用于電力電子技術(shù)仿真，其中的Simulink作為一個可視化的仿真工具，為用戶提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境[3]。由于這個環(huán)境的存在，使用戶不需要編程，只需要通過簡單的鼠標(biāo)操作調(diào)用元器件，即可對所需的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Simulink中的SimPowerSystem工具箱是針對電力系統(tǒng)仿真的工具箱，元器件非常全面，如三相橋、三相電源、變壓器等都有完整的模型，但是這些模型均只考慮了自身的主要電磁特性，而忽略了其他因素的影響，因此可看做理想的器件模型，由此可見，Simulink適用于原理性的驗證。例如，電力電子課程中重要的開關(guān)器件在不同的變流電路中均需要相應(yīng)的控制策略，如逆變電路中的PWM控制方法，此時采用Matlab建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型就顯得更加直觀，而且無需考慮器件級的影響。

（二）PSPICE仿真軟件

PSPICE軟件是公認(rèn)的電路模擬軟件中最有應(yīng)用前景的軟件[4]。因為它不僅可以繪制電路圖、對電路進(jìn)行模擬仿真，還可以完成元器件的符號制作以及圖形圖像的處理。該軟件更適用于器件級的仿真，仿真速度較快，且仿真波形的精確性更高。PSPICE特別適合在講授電力電子器件功能時使用。電力電子器件的特性對學(xué)生而言是抽象的，因為我們看不到半導(dǎo)體器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，看不到載流子的運(yùn)動狀況。因此，在講述諸如電力二極管的動態(tài)過程、電力MOSFET的開關(guān)過程等內(nèi)容時就顯得枯燥乏味，此時不妨利用Pspice器件模型精確的優(yōu)勢，采用仿真分析的方法講述該部分內(nèi)容，器件上電壓電流隨時間變化的狀況可通過仿真波形清晰地得到，幫助學(xué)生理解記憶。

（三）Saber仿真軟件

Saber軟件是一款電子系統(tǒng)仿真軟件，技術(shù)相對來說比較成熟，這款軟件為復(fù)雜的混合信號設(shè)計與驗證提供了一個功能強(qiáng)大的混合信號仿真器，可用于電源變換器的設(shè)計、伺服系統(tǒng)的設(shè)計、電路仿真、供配電設(shè)計、總線仿真[5]。將其應(yīng)用于電力電子技術(shù)仿真時，可以完成電路的直流分析、交流分析、參數(shù)分析以及瞬態(tài)分析，其包含的器件模型與實際模型較為接近。而且，很多芯片廠商都為Saber提供了一一對應(yīng)的器件仿真模型。該仿真軟件的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果非常接近，不過初學(xué)者需要儲備較多的電力電子課程的基礎(chǔ)知識才能較好地掌握軟件的使用。

（四）Psim仿真軟件

Psim是一款專門針對功率系統(tǒng)的仿真軟件，該軟件與Matlab相似，元件模型均為理想化模型，因此也多用于算法及原理性的應(yīng)用[6]。但是該軟件操作和設(shè)置十分簡便，初學(xué)者使用較容易。

二、仿真實例

（一）Matlab/simulink仿真三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路是整流電路當(dāng)中最重要的電路結(jié)構(gòu)。通過學(xué)習(xí)，要掌握整流電路的基本工作原理，晶閘管的控制方式，整流后負(fù)載承受的電壓、電流波形，諧波分析的方法等知識點。為了幫助學(xué)生理解、掌握，在學(xué)習(xí)三相整流橋電路時都會有相關(guān)的驗證性實驗，但是實驗過程中集成晶閘管觸發(fā)信號不穩(wěn)定，波形觀測誤差較大，這給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了較多干擾，也給教師授課增加了難度。因此，可以嘗試?yán)肕ATLAB仿真，建立PWM控制模塊，驗證理論知識，加深直觀理解。

完整的三相橋式全控整流電路由整流變壓器、6個橋式連接的晶閘管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成。在采用Matlab仿真時，可根據(jù)實際需要，在Simulink的SimPowersystems中選取元器件，搭建如圖1所示的三相橋式整流電路仿真模型。

設(shè)定α=60°，阻感負(fù)載下整流器的輸出波形如圖2所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，阻感性負(fù)載時，整流器輸出電壓波形在α=60°時臨界連續(xù)，得到的電壓電流波形以及晶閘管承受電壓波形均與理論分析一致。

通過以上整流電路仿真可以看到，Matlab/Simulink的模型庫提供了大量的器件、儀器和控制模塊，模型比較完備，模型可以反映器件的各項參數(shù)和工作情況，因此仿真的結(jié)果與電路的實際運(yùn)行情況基本一致，在不討論原件具體特性時，仿真可以代替實際系統(tǒng)的實驗室試驗，將其引入課堂當(dāng)中，可以幫助學(xué)生理解抽象的理論知識。

（二）PSIM仿真間接直流變流電路

間接直流變流電路可理解為逆變電路和整流電路的組合形式。對學(xué)生來說需掌握的知識點較多，容易與有源逆變及整流電路混淆，為加深學(xué)生理解，可先使用仿真軟件進(jìn)行仿真。相較于Matlab，Psim是一款小巧的專門針對功率系統(tǒng)仿真的軟件，元器件豐富，且該款軟件操作和設(shè)置十分簡單，學(xué)生較為容易掌握。圖3為DC-AC-DC變流電路在PSIM中的仿真模型。

通過搭建仿真模型進(jìn)行仿真，可以直接驗證理論結(jié)果，同時鍛煉學(xué)生的實踐動手能力。

三、結(jié)論與展望

應(yīng)用于電力電子技術(shù)的計算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，不僅方便了學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥抽象的理論知識，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，是對傳統(tǒng)理論教學(xué)的很好補(bǔ)充，學(xué)生在有了豐富的直覺認(rèn)識后，理論學(xué)習(xí)變得輕松，整個課程變得簡明易學(xué)，而且可以不受場地、設(shè)備的限制和人身安全因素的影響，在教學(xué)中起到了事半功倍的效果，大量的仿真案例無形之中引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用的方向和目的來學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)，為學(xué)生今后走向研發(fā)工作崗位提供了解決實際工程問題的一條實用途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]林海斌.關(guān)于高校學(xué)生科研能力培養(yǎng)的思考[J].教書育人，2005（3）：36-37.

[3]李傳奇.電力電子技術(shù)計算機(jī)仿真實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]李維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]王云亮.電力電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6]榮軍，丁躍澆，張敏，等.計算機(jī)仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2011（12）：173-174.