“電力電子技術(shù)”可視化教學(xué)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

孫毅超， 馮樹先， 姜寧秋， 王 琦

(南京師范大學(xué) 南瑞電氣與自動化學(xué)院， 南京 210023)

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動化等本科專業(yè)必修的一門專業(yè)主干課程。該課程在介紹各種功率器件的基礎(chǔ)上，重點分析各種電力電子電路的基本工作原理，從而使學(xué)生理解如何對電能進行變換和控制[1]。由于該課程知識面廣，信息量大，電路類型復(fù)雜，在有限的課時安排下，按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式授課，課程任務(wù)重，教學(xué)效果并不理想[2]。同時由于本課程具有較強的實踐性和綜合性的特點，電路分析過程中需要借助大量波形圖來理解和掌握所學(xué)的理論知識。因此，設(shè)計一個直觀、高效的教學(xué)輔助工具—電力電子電路可視化教學(xué)平臺，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索，從而改善教學(xué)效果，是非常有必要的。

國內(nèi)許多高校采用了多種仿真軟件來補充完善該課程的教學(xué)。華北電力大學(xué)基于Matlab和LabVIEW混合仿真的實驗方法，讓學(xué)生自主搭建仿真模型，編寫LabVIEW控制界面，鍛煉學(xué)生的動手能力，教學(xué)效果顯著[3]。中國石油大學(xué)(華東)采用PSIM軟件實踐教學(xué)，直觀化的波形界面，有助于學(xué)生鞏固所學(xué)知識和提高學(xué)習(xí)興趣[4]。哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用Saber軟件，進行仿真演示，將理論與實踐緊密結(jié)合，加深了學(xué)生對原理概念的形象化認(rèn)識[5]。

Matlab的圖形用戶界面GUI (graphical user interface)提供了按鈕、坐標(biāo)軸、面板、文本框等一系列交互控件，從而能夠設(shè)計包括窗口、圖標(biāo)和文本等圖形對象的用戶界面。而句柄(handle)作為每個圖形對象的唯一標(biāo)識，設(shè)計者通過句柄操作其屬性，完成相應(yīng)的界面功能[6]。

本研究借助Matlab/Simulink和圖形用戶界面(GUI)設(shè)計開發(fā)了電力電子電路可視化教學(xué)平臺。此平臺包括主界面、電路選擇界面和仿真界面，涵蓋了整流、逆變、斬波、調(diào)壓等主要教學(xué)內(nèi)容，可應(yīng)用于課堂演示、自主學(xué)習(xí)等教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)。

1 可視化教學(xué)平臺的設(shè)計流程

Matlab現(xiàn)有兩種方式設(shè)計GUI：一種是用句柄圖形對象編程實現(xiàn)；另一種是使用GUI開發(fā)環(huán)境GUIDE設(shè)計方式[7]，前臺界面使用圖形對象組合設(shè)計，后臺編寫圖形對象的回調(diào)函數(shù)(callback function)，實現(xiàn)程序代碼與事件的交互。

本文采用更加便捷的后者實現(xiàn)電力電子電路仿真平臺的設(shè)計。即基于Matlab的Simulink和GUI環(huán)境，采用自頂向下的人機交互界面設(shè)計和回調(diào)函數(shù)驅(qū)動實現(xiàn)仿真，以此達到預(yù)期的使用功能。

利用Simulink構(gòu)建主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置對應(yīng)參數(shù)；根據(jù)預(yù)期的功能需求使用GUIDE設(shè)計用戶界面GUI，按照事件驅(qū)動原則編寫控件的回調(diào)函數(shù)，通過M函數(shù)文件實現(xiàn)Simulink與GUI的參數(shù)傳遞和繪圖顯示。圖1所示為本平臺GUI設(shè)計流程。

圖1 電力電子電路可視化教學(xué)平臺GUI設(shè)計流程

2 可視化教學(xué)平臺的實現(xiàn)

本文以應(yīng)用較為廣泛的三相橋式全控整流電路為例，闡述基于Matlab GUI的電力電子電路可視化教學(xué)平臺的設(shè)計、界面展示及仿真應(yīng)用。

2.1 Simulink模型建立

本文使用的是Matlab R2018a版本，在Simulink中的Power System中添加所需的元器件至模型中，借助信號線完成電路模型的初步搭建，本模型以雙窄脈沖觸發(fā)的方式控制輸出波形。

在模型Configuration Parameters中設(shè)置仿真參數(shù):電路周期為0.02 s，仿真起始時間為0.1 s，仿真時長為0.1 s，這樣設(shè)置便于獲得穩(wěn)定的輸出波形；仿真算法選用Variable-step(變步長)方式，Solver選擇ode23(Bogacki-Shampine)算法，Scope的Configuration Properties中Save format格式為Structure With Time，以便于GUI 的M函數(shù)調(diào)用波形信息。設(shè)置完畢，基于Simulink的三相橋式全控整流電路的模型便如圖2所示。

圖2 三相橋式全控整流Simulink模型

2.2 仿真界面設(shè)計

1)主界面

本平臺可仿真《電力電子技術(shù)》第5版一書中介紹的4類主要的電力電子電路，主界面提供了整流、逆變、斬波、調(diào)壓四種電路仿真選項，點擊“系統(tǒng)指南”供用戶熟悉本平臺和相關(guān)使用幫助。同時為增加友好界面體驗，使用imread和image函數(shù)將電力電子技術(shù)字樣作為本平臺的背景，主界面如圖3所示。

圖3 主界面窗口

2)電路選擇界面

電路選擇界面窗口包括主界面所提供的4類電路。起過渡作用，現(xiàn)以涵蓋了單相可控整流和三相可控整流的電路選擇界面為例，通過點擊相應(yīng)的電路類型即可進入仿真界面。整流電路選擇窗口如圖4所示。

圖4 整流電路界面

2.3 三相橋式全控整流電路仿真界面

三相橋式全控整流電路適用于整流負(fù)載容量較大，電壓脈動較小的場合，是工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的一種整流電路[8]。本文通過三相橋式全控整流仿真界面，介紹電路仿真界面的功能模塊和操作步驟。點擊圖4整流電路模塊中的三相橋式全控整流按鈕，進入到如圖5所示的仿真界面。此仿真界面設(shè)計采用了面板、坐標(biāo)軸、文本框、按鈕等控件設(shè)計前臺界面，在M函數(shù)中編寫控件的回調(diào)函數(shù)，從而實現(xiàn)界面仿真功能。

圖5 基于GUI的三相橋式全控整流仿真界面

仿真界面包括7個模塊，分別為電路原理圖、電路介紹、仿真分析、參數(shù)設(shè)置、仿真波形、功能區(qū)以及選擇區(qū)。

“電路原理圖”采用Axes和面板控件，通過run函數(shù)調(diào)用原理圖，顯示用戶在上一級選擇的電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

“電路介紹”和“仿真分析”使用面板和可編輯文本框分別介紹電路的相關(guān)結(jié)構(gòu)及原理，仿真波形及計算。

“參數(shù)設(shè)置”通過可編輯文本框和靜態(tài)文本框?qū)崿F(xiàn)電路參數(shù)的設(shè)置和傳遞。本文通過改變Simulink模型的運行空間實現(xiàn)參數(shù)在GUI和Simulink模型間傳遞并調(diào)用。部分程序如下：

>>P1=str2num(get(handles.edit1,'string');

>>spbc=simset('SrcWorkspace','current');

>>sim('sy_threephase',[ ],spbc);

“仿真波形”將Simulink中的仿真波形顯示在Axes控件中。在GUI中通過subplot函數(shù)繪制輸出波形。

“功能區(qū)”和“選擇區(qū)”中提供了6個按鈕，通過點擊“功能區(qū)”相應(yīng)按鈕實現(xiàn)仿真，借助open_system函數(shù)實現(xiàn)Simulink模型在線顯示，通過點擊“選擇區(qū)”按鈕從而實現(xiàn)界面的選擇與切換。

2.4 三相橋式全控整流電路仿真波形

按2.3節(jié)三相橋式全控整流電路仿真電路進入仿真平臺，設(shè)置參數(shù)區(qū)參數(shù)值，點擊仿真按鈕即可在仿真波形模塊中觀測到輸出波形，如圖5所示，即控制角α=30°，負(fù)載為電阻負(fù)載時的仿真波形。

該平臺還提供了其它常見的電力電子電路仿真模塊。利用這一仿真平臺可以快速、準(zhǔn)確地輸出工作波形，既是對傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的完善，也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鍛煉學(xué)生的實踐能力。

3 典型電力電子電路的對比分析

在基于晶閘管的三相整流電路中，對電阻性負(fù)載下電流連續(xù)與斷續(xù)的理解與波形分析是學(xué)生學(xué)習(xí)中非常重要的知識點。另一方面，在阻感負(fù)載下由于流過電感的電流不能發(fā)生突變的特點，可使得電流連續(xù)。因此，對電阻性和阻感性兩種負(fù)載情況下進行波形對比也是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。在課堂教學(xué)中，通過本平臺演示電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界波形，可增強學(xué)生對該內(nèi)容的理解。如圖6、7所示，分別為α=15°和α=90°時，電阻負(fù)載和阻感負(fù)載的仿真波形。同時學(xué)生可以利用該平臺對教材中的范例波形進行驗證。學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)時，可以在平臺中輸出在某個觸發(fā)角、不同負(fù)載情況下的仿真波形，將仿真波形與理論繪制的波形進行對比，檢驗自己的學(xué)習(xí)效果。

圖6 α=15°，負(fù)載為電阻負(fù)載(左)和阻感負(fù)載(右)的仿真波形

圖7 α=90°，負(fù)載為電阻負(fù)載(左)和阻感負(fù)載(右)的仿真波形

4 電力電子電路的故障仿真分析

在教學(xué)中對故障電路的分析及理論波形繪制是本課程的重難點之一。學(xué)生使用該平臺進行電路故障仿真分析，一方面有助于增強對電路原理的理解和認(rèn)識，另一方面可以培養(yǎng)分析電力電子電路故障的能力。

常見的電路故障有觸發(fā)脈沖丟失、三相電壓缺相、晶閘管損壞等。示例控制角α=30°，負(fù)載為阻感特性，三相電Ua缺相和VT1觸發(fā)脈沖丟失的輸出波形如圖8所示。學(xué)生可以將平臺得到的電路故障仿真波形與自己繪制的圖形進行比較，驗證自己分析分結(jié)果是否正確，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，進一步增強學(xué)生分析電路故障的能力。

圖8 α=30°，負(fù)載為阻感負(fù)載，Ua缺相(左)和VT1觸發(fā)脈沖丟失(右)的仿真波形

5 結(jié)語

本文利用Matlab GUI的開發(fā)環(huán)境GUIDE設(shè)計了一套具有簡易人機交互功能的電力電子電路可視化教學(xué)平臺，集電路原理圖、參數(shù)設(shè)置、仿真波形、電路分析于一體。該平臺借助計算機仿真軟件，達到節(jié)省教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量的效果，是對傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)的一個補充和完善；同時為學(xué)生提供了一個自主實踐的平臺，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于加深學(xué)生對課程知識的理解，提高學(xué)生的實踐操作能力。