计算机仿真技术在“电力电子技术”课程教学中的应用①

    肖雯娟，吕慧

    

    

    

    [摘 要] 电力电子技术是电力学、电子学和控制理论的交叉学科，具有非常强的理论性、实践性和应用性。对比分析了几种常用计算机仿真软件的适用范围，同时以课程难点和实际中最常用的应用电路为例，分别采用Simulink、Psim软件对电路进行了建模与仿真，仿真结果验证了理论分析的准确性。教学实践结果表明，将计算机仿真引入电力电子技术课程的课堂教学中，可调动学生学习的积极性，增强学生对变流技术的直观认识，培养学生应用软件的能力，有效提高课堂教学质量。

    [关 键 词] 电力电子技术；计算机仿真；建模与仿真

    [中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）07-0050-02

    电力电子技术是高等院校电气工程及其自动化专业、自动化专业的必修课程，本课程的教学是在学生学习了电路分析、模拟电子技术、数字电子技术等课程的基础上完成的[1]，因此在授课过程中，会涉及大量的电路综合分析，同时要通过波形分析的方法来描述变流器的具体工作情况，最后要通过大量推导计算得到相应的结果。内容丰富的授课过程是对教师自身素质的考验，知识的综合也是学生在学习本课程时遇到的最大困难[2]。因此，作为任课教师，如何调动学生学习的积极性，激发学生的学习兴趣与清楚地讲授课堂理论知识同等重要。随着计算机仿真技术的发展，针对电力电子技术的计算机仿真软件也不断涌现，其中如Matlab、Mutsim、Psim软件也被广泛应用于电力电子电路的设计与验证中。近年来，不断有教师将该类软件引入课堂教学过程中，教学实践证明计算机仿真软件的引入，不仅加深了学生对抽象理论的理解，对工科学生而言，也培养了他们的实际动手能力，为成为优秀的工程师做准备。

    一、常用的电力电子仿真软件的特点及对比分析

    （一）MATLAB/SIMULINK仿真软件

    Matlab软件应用广泛，也适用于电力电子技术仿真，其中的Simulink作为一个可视化的仿真工具，为用户提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境[3]。由于这个环境的存在，使用户不需要编程，只需要通过简单的鼠标操作调用元器件，即可对所需的系统进行仿真。Simulink中的SimPowerSystem工具箱是针对电力系统仿真的工具箱，元器件非常全面，如三相桥、三相电源、变压器等都有完整的模型，但是这些模型均只考虑了自身的主要电磁特性，而忽略了其他因素的影响，因此可看做理想的器件模型，由此可见，Simulink适用于原理性的验证。例如，电力电子课程中重要的开关器件在不同的变流电路中均需要相应的控制策略，如逆变电路中的PWM控制方法，此时采用Matlab建立控制系统数学模型就显得更加直观，而且无需考虑器件级的影响。

    （二）PSPICE仿真软件

    PSPICE软件是公认的电路模拟软件中最有应用前景的软件[4]。因为它不仅可以绘制电路图、对电路进行模拟仿真，还可以完成元器件的符号制作以及图形图像的处理。该软件更适用于器件级的仿真，仿真速度较快，且仿真波形的精确性更高。PSPICE特别适合在讲授电力电子器件功能时使用。电力电子器件的特性对学生而言是抽象的，因为我们看不到半导体器件内部的结构，看不到载流子的运动状况。因此，在讲述诸如电力二极管的动态过程、电力MOSFET的开关过程等内容时就显得枯燥乏味，此时不妨利用Pspice器件模型精确的优势，采用仿真分析的方法讲述该部分内容，器件上电压电流随时间变化的状况可通过仿真波形清晰地得到，帮助学生理解记忆。

    （三）Saber仿真软件

    Saber软件是一款电子系统仿真软件，技术相对来说比较成熟，这款软件为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，可用于电源变换器的设计、伺服系统的设计、电路仿真、供配电设计、总线仿真[5]。将其应用于电力电子技术仿真时，可以完成电路的直流分析、交流分析、参数分析以及瞬态分析，其包含的器件模型与实际模型较为接近。而且，很多芯片厂商都为Saber提供了一一对应的器件仿真模型。该仿真软件的仿真结果与实验结果非常接近，不过初学者需要储备较多的电力电子课程的基础知识才能较好地掌握软件的使用。

    （四）Psim仿真软件

    Psim是一款专门针对功率系统的仿真软件，该软件与Matlab相似，元件模型均为理想化模型，因此也多用于算法及原理性的应用[6]。但是该软件操作和设置十分简便，初学者使用较容易。

    二、仿真实例

    （一）Matlab/simulink仿真三相桥式全控整流电路

    三相桥式全控整流电路是整流电路当中最重要的电路结构。通过学习，要掌握整流电路的基本工作原理，晶闸管的控制方式，整流后负载承受的电压、电流波形，谐波分析的方法等知识点。为了帮助学生理解、掌握，在学习三相整流桥电路时都会有相关的验证性实验，但是实验过程中集成晶闸管触发信号不稳定，波形观测误差较大，这给学生学习带来了较多干扰，也给教师授课增加了难度。因此，可以尝试利用MATLAB仿真，建立PWM控制模块，验证理论知识，加深直观理解。

    完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器、6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成。在采用Matlab仿真时，可根据实际需要，在Simulink的SimPowersystems中选取元器件，搭建如图1所示的三相桥式整流电路仿真模型。

    设定α=60°，阻感负载下整流器的输出波形如图2所示。

    通过对比发现，阻感性负载时，整流器输出电压波形在α=60°时临界连续，得到的电压电流波形以及晶闸管承受电压波形均与理论分析一致。

    通过以上整流电路仿真可以看到，Matlab/Simulink的模型库提供了大量的器件、仪器和控制模块，模型比较完备，模型可以反映器件的各项参数和工作情况，因此仿真的结果与电路的实际运行情况基本一致，在不讨论原件具体特性时，仿真可以代替实际系统的实验室试验，将其引入课堂当中，可以帮助学生理解抽象的理论知识。

    （二）PSIM仿真间接直流变流电路

    间接直流变流电路可理解为逆变电路和整流电路的组合形式。对学生来说需掌握的知识点较多，容易与有源逆变及整流电路混淆，为加深学生理解，可先使用仿真软件进行仿真。相较于Matlab，Psim是一款小巧的专门针对功率系统仿真的软件，元器件豐富，且该款软件操作和设置十分简单，学生较为容易掌握。图3为DC-AC-DC变流电路在PSIM中的仿真模型。

    通过搭建仿真模型进行仿真，可以直接验证理论结果，同时锻炼学生的实践动手能力。

    三、结论与展望

    应用于电力电子技术的计算机仿真软件的出现，不仅方便了学生学习枯燥抽象的理论知识，而且提高了学生学习的积极性，是对传统理论教学的很好补充，学生在有了丰富的直觉认识后，理论学习变得轻松，整个课程变得简明易学，而且可以不受场地、设备的限制和人身安全因素的影响，在教学中起到了事半功倍的效果，大量的仿真案例无形之中引导学生以应用的方向和目的来学习电力电子技术，为学生今后走向研发工作岗位提供了解决实际工程问题的一条实用途径。

    参考文献：

    [1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

    [2]林海斌.关于高校学生科研能力培养的思考[J].教书育人，2005（3）：36-37.

    [3]李传奇.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2006.

    [4]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

    [5]王云亮.电力电子技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

    [6]荣军，丁跃浇，张敏，等.计算机仿真软件在“电力电子技术”教学中的应用[J].中国电力教育，2011（12）：173-174.