仿真技術在電力電子及拖動類課程中的目標定位及應用研究

摘要：電力電子及拖動類課程教學在傳統(tǒng)的教學手段下學生普遍反映抽象并難于理解。以提高電力電子及拖動類課程的教學質(zhì)量為目的，在課程教學中最大限度發(fā)揮仿真技術的優(yōu)勢。通過仿真技術的合理使用，使課堂教學概念講解直觀化、理論分析形象化，豐富教學手段，達到提高課堂教學綜合效果的目的。研究內(nèi)容對推進教學方法、教學內(nèi)容改革具有較好的借鑒作用。

關鍵詞：仿真技術；電力電子及拖動；應用研究；教學改革

隨著多媒體授課形式在高校中的不斷普及，傳統(tǒng)單調(diào)的“填鴨式”幻燈片教學方法越來越不能適應教學改革的步伐。仿真技術是近幾十年來發(fā)展的一門綜合性技術學科，它通過建立起所需系統(tǒng)的模型，用對系統(tǒng)模型的計算、測試來代替實際系統(tǒng)進行實驗研究，為系統(tǒng)設計、研究及決策提供了一個先進有效的手段。

以往的教學中，主要通過教師在黑板上繪圖講解，并結(jié)合一些簡單的相關實驗進行輔助教學。但是，對于一些復雜的實驗來說，由于對硬件實驗條件的限制或基于安全考慮，往往很難實現(xiàn)更深一步的實踐教學，降低了教學效果。將計算機仿真技術引入到電氣工程類各學科的教學中，具有經(jīng)濟、安全、快捷等優(yōu)點，有助于學生從直觀、實踐等各方面更好地掌握相關的知識，收到事半功倍的效果。目前已經(jīng)有一些論文對仿真技術在課程教學中的應用進行了闡述，[1-4]但大多數(shù)都是對于某個孤立的軟件進行分析，缺乏系統(tǒng)性分析指導，對于仿真技術在課程中的定位和應該發(fā)揮作用，仍缺乏系統(tǒng)性的研究分析。

基于上面考慮，本文首先對電力電子及電力傳動類課程所涉及的仿真軟件進行了分類，[5]分析各自的優(yōu)缺點和適用課程，提出指導性的選擇原則。本文針對授課內(nèi)容，研究了仿真技術在實際教學中的應用，最后總結(jié)了仿真技術的目標定位以及教師在教學實踐中應該注意的幾個事項。

一、仿真技術與軟件

目前，國內(nèi)電氣類課程使用較多的仿真軟件主要有如下：

第一類是系統(tǒng)級仿真軟件，其主要在自動控制及數(shù)字信號處理專業(yè)應用最為廣泛，以Matlab為代表。[6]現(xiàn)在，Matlab已經(jīng)成為當今國際上公認的在科技領域方面最為優(yōu)秀的仿真軟件，它以矩陣運算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合到了一個簡單易用的交互式工作環(huán)境中，Matlab憑借其特有的突出優(yōu)勢，已成為世界上應用最廣泛的工程計算軟件。

第二類是電工類軟件，這類軟件在電工及電力電子領域應用最為廣泛，以PSPICE、Saber等為代表。[1，3-4]優(yōu)點是具有較為精確的元件級模型，能夠仿真開關器件瞬態(tài)過程中的細節(jié)。其中，PSPICE是國際上著名的通用電路分析程序，是一個多功能的電路模擬實驗臺，已成為國際上公認的一種工業(yè)標準工具。在國外，PSPICE軟件是工科類學生必會的分析與設計電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設計、實驗到定型過程中不可缺少的設計工具。

二、仿真技術應用研究

提高電力電子及拖動類課程的教學質(zhì)量為目的，研究各類仿真軟件的適用范圍，探索在電氣類課程教學中最大限度發(fā)揮仿真技術的優(yōu)勢，避免不正確使用造成費時費力卻無法達到預期目標。也即通過仿真技術的合理使用，使課堂教學概念講解直觀化、理論分析形象化，豐富教學手段，達到提高課堂教學綜合效益的目的。

下面針對不同類型仿真軟件，結(jié)合實際教學內(nèi)容，以實際案例的形式來具體研究適合的應用場合。

1.系統(tǒng)級仿真技術應用分析

交流調(diào)壓這一知識點，在電氣類知識體系中具有相當重要的地位，[7]例如，交流電機軟起動裝置、燈光控制等。在教學中，不可能將實際裝置帶入課堂中講解，出于安全考慮，同學們接觸現(xiàn)場機也會較少，因此學生無法對該知識點有深入了解，影響后續(xù)內(nèi)容的理解。

結(jié)合前面的分析，可以看出此知識點可以充分利用系統(tǒng)級通用仿真軟件的強大優(yōu)勢，在不用投入設備的前提下，利用其內(nèi)部提供的豐富器件，幫助同學們驗證、分析交流調(diào)速的知識內(nèi)容。圖1是單相交流調(diào)壓的Matlab仿真電路圖，采用其提供的晶閘管元件實現(xiàn)雙向開關，控制信號由脈沖發(fā)生器（Pulse Generator）產(chǎn)生，并添加相應的觀察點，得到如圖2所示的仿真波形。教師就可以結(jié)合仿真波形很好地解決理論研究和工程實際之間的結(jié)合點。

結(jié)合仿真，同學們可以清晰地看到開關動作的過程以及負載電壓、電流的動態(tài)變化波形，不再僅限于教科書上有限的圖形和內(nèi)容，增加了教學環(huán)節(jié)的形象和趣味性，同時也調(diào)動了學生學習的積極性。

此外，利用仿真進行研究可以隨時調(diào)整電路中元件參數(shù)，不需要改變?nèi)魏坞娐方Y(jié)構，從而可以分析參數(shù)變化對電路工作情況的影響，在不需要花費任何實際調(diào)整電路費用的條件下，就可以同時將不同情況展示出來，這是實際實驗電路所難以實現(xiàn)的。

2.元件級仿真技術應用

隨著電力電子技術的發(fā)展，交流調(diào)速在電氣控制領域中占有越來越重要的地位，特別是其中的脈寬調(diào)制（PWM）控制技術，以其良好的性能在變頻調(diào)速領域獲得廣泛應用。然而，其中一個重要的內(nèi)容就是要保證上下橋臂IGBT具有足夠長的關斷時間，避免上下管直通現(xiàn)象。然而，出于安全考慮，這一點是很難在實驗過程中進行驗證的。針對此問題，可以充分利用PSPICE等元件級仿真軟件呈現(xiàn)開關器件暫態(tài)過程的優(yōu)勢，在不用投入或少投入設備的前提下，利用其內(nèi)部提供的豐富器件，幫助同學們驗證、分析交流調(diào)速的知識內(nèi)容。下面以產(chǎn)生兩電平PWM控制為例，以說明如何將PSPICE分析應用在變頻調(diào)速領域。

如圖3所示，為產(chǎn)生兩電平式PWM的一相主電路拓撲結(jié)構：直流側(cè)電壓為+Ud，兩個電容的中點為零電位點，當上開關管導通時A點電位為+1/2Ud；反之，當下開關管導通時A點電位為-1/2Ud。根據(jù)此結(jié)構在PSPICE環(huán)境下調(diào)出相應的元件，即可搭出主電路原理圖。

從圖4中可以看出此模型很好地展現(xiàn)了IGBT的動態(tài)過程。對于IGBT在開通過程中的米勒平臺效應、電壓過沖以及關斷過程中的載流子復合所引起的長時間拖尾過程都較好地呈現(xiàn)出來。

經(jīng)過將課堂講課與仿真相結(jié)合以后，同學們可以很清楚地看到正負電平的波形跳變過程，并且可以通過簡單的改變調(diào)制波頻率和幅值等參數(shù)的設置使學生切實看到輸出PWM波頻率的改變，加深了學生對該內(nèi)容的理解。

三、結(jié)束語

因此，在實際教學實踐中，仿真技術應該更深入地與課堂教學內(nèi)容相結(jié)合。并做到以下幾個方面：切實解決課堂中的實際問題，針對不同仿真軟件的應用場合進行合理選擇，切勿盲目使用，過多占用有限的時間；仿真技術應該作為輔助課堂教學和延伸知識點的工具，引導學生在課外時間主動分析，加深對課堂內(nèi)容的認識；積極提供仿真實驗條件，加強與實驗課程的結(jié)合力度，鼓勵學生帶著問題去做驗證實驗，培養(yǎng)學生科研分析問題的能力。

本文正是對這方面進行的一些嘗試和探索，對電氣工程的其他學科也具有借鑒意義。只有將各種仿真軟件取長補短，合理地應用到教學實踐中，才能使課堂教學概念講解更加直觀化、理論結(jié)果可視化，發(fā)揮出仿真技術應該具有的最大優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]丘東元，眭永明，王學梅.基于Saber的“電力電子技術”仿真教學研究[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：81-83.

[2]張敬南.“電力拖動自動控制系統(tǒng)”中的仿真教學[J].電氣電子教學學報，2010，32（4）：110-112.

[3]高春俠，張磊.PSPICE軟件在電力電子教學過程中的應用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2007，19（3）：125-128.

[4]楊風，郝騫.計算機仿真軟件在“電工學”教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2009，31（3）：93-94.

[5]張加勝，張磊.電力電子技術[M].東營：中國石油大學出版社，2004.

[6]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[7]孫鶴旭，遲巖，電力電子系統(tǒng)計算機仿真和輔助分析[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1994.

（責任編輯：宋秀麗）