Saber在電力電子技術教學改革中的應用

陳 萬 丁衛紅 周恒瑞

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223001）

使用電力電子器件對電能進行變換和控制形成了一門新的工程學科——電力電子技術，該學科涉及電子學、電力學與控制科學等多個領域[1-2]，在教學過程中，要求學生掌握基本的電力電子變換理論和學會簡單電力電子變流電路的計算和設計。

多數本科院校在電力電子技術教學中將電力電子變流電路作為教學重點[3]，一般根據電路輸出波形討論各類電路的工作原理及相關特性，通過一些典型電路的實驗教學加深學生對電路的理解，受實驗設備、經費和人員等的限制，電力電子技術實踐教學所能開出的實驗項目有限，且因學生只注重記錄波形、數據，忽視電路理解，實驗效果不好[4-6]。

近幾十年來，計算機仿真技術得到了越來越多的重視，其優點在于采用對系統數學模型的計算分析代替實際系統進行實驗研究，它是目前復雜系統設計研究的經濟有效的手段[7-9]。在電力電子技術的課堂教學中，我們應用仿真的優點，探索了在理論教學過程中引入仿真的教學手段。教學過程中引入了Saber 軟件對具體電力電子電路仿真演示，可以吸引學生主動的投入到學習中，從而活躍課堂教學氣氛，提高學生對枯燥理論的學習興趣，更好地培養學生分析問題和解決問題的能力。

1 Saber 的特點及其應用

Saber 是美國Synopsys 公司于1986 年開發的一款EDA 軟件，在電力電子技術教學中可用來分析和設計DC/DC、AC/DC、DC/AC、AC/AC 四種基本的電力電子變流電路，和其它仿真軟件相比具有如下特點。

（1）強大的圖形查看功能，在電力電子電路的仿真中，可以觀察電路中任一節點電壓和支路電流波形方便了電路的設計；

（2）軟件中提供的電力電子元器件模型比較全面，對電路建?；旧暇_到具體器件級，仿真結果和實際電路非常接近；

（3）Saber 內部的多種仿真算法可以很好地解決仿真系統收斂性問題，尤其是對于含有較多非線性環節的電力電子變流電路具有顯著優勢。

2 Saber 模型建立方法

圖1 示出了引入Saber 仿真教學法的基本流程，結合具體電力電子變流電路，先分析電路組成、各個部件的作用以及功率器件的導通次序，再利用Saber 虛擬元件連接組成仿真模型，讓學生自己操作仿真軟件，對該電路仿真分析，觀察電路的輸出電壓電流等波形，加深對電路的理解，修改相應控制參數，同步考察輸入輸出波形的變化，使得枯燥的電力電子波形分析法更容易接受；最后將實際電路的一些非理想因素，諸如線路寄生參數、線路故障等，引入到仿真模型中分析討論，可以拓展對電路的認識，為具體電路設計奠定基礎。

圖1 電路仿真分析流程

3 三相橋式全控整流電路的Saber 仿真

3.1 三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路在諸如電解和電鍍等大功率整流場合有著廣泛應用，也是相控整流電路教學中的關鍵內容，要求掌握電路工作原理、基本工作狀態、輸入輸出參數的定量關系以及一些關鍵輸入輸出波形。與單相、三相半波可控整流電路相比，電路結構復雜、工作狀態多，在實際教學中，采用PPT 教學方式給學生展現不同觸發角及不同負載時輸入輸出波形，學生在課堂教學中很難跟上教學節奏，導致學生的學習都會回到簡單的記憶波形和公式，大大降低了知識的連貫性，實際教學效果不太理想。

3.2 模型建立及仿真分析

圖2 三相橋式全控整流電路Saber 仿真模型

圖2 所示的三相橋式全控整流電路仿真模型由三相電源、三相晶閘管整流橋、6 個獨立同步脈沖發生模塊和負載模塊組成。觸發脈沖的觸發角可以通過設置6 個脈沖模塊的參數實現，而調節負載R、L和直流電壓源Edc 的參量可以改變負載功率大小及負載性質，仿真的直流側電壓、電流以及輸入的交流電流可以在看圖工具CosmosScope中通過選擇相應的節點和支路看到。

表1 電路仿真主要參數

在表1 給出的仿真參數條件下，觸發角為0 度時的輸出電壓Udc波形及流過六個晶閘管（VT1～VT6）的電流波形如圖3，根據晶閘管的觸發次序以及圖3 中電壓電流波形可以看出三相橋式整流電流電路一個周期由六個工作狀態，其對應輸出電壓與導通的晶閘管次序如表2 所示。

圖3 三相橋式全控整流電路阻性負載時，不同觸發角時輸出電壓波形

表2 三相橋式全控整流的6 個工作狀態

從仿真輸出波形看出三相橋式全控整流電路一個周期中輸出6個完全對稱的脈波，所以也稱為6 脈波整流，圖4 給出了觸發角分別為30°、45°和60°的輸出電壓波形，由圖看出在觸發角α≤60°范圍內輸出電壓連續，并且由圖中的平均電壓看出，輸出電壓隨著α 增大而減小。

圖4 不同觸發角的輸出電壓波形

3.3 電路原理的討論

回到對輸出波形的分析，輸出直流電壓由6 個線電壓uab，uac，ubc，uba，uca，ucb，包絡組成，并且代表了該電路的6 個工作狀態，由輸出波形定量計算輸出電壓平均值和觸發角α 之間的關系，輸出電壓連續如表達式（1），斷續為表達式（2）。

除了輸出電壓波形，交流側電流和晶閘管的電壓電流波形也可以由圖2 所示模型設置相關參數仿真得到，由此得出三相橋式全控整流電路6 個晶閘管的觸發時序，并且分析其工作模態。設置負載RL 的參數，可以考察該電路在阻感負載以及反電勢負載時的工作特征，為實際電路的分析和設計奠定基礎。

3.4 三相橋式全控整流電路的拓展分析

圖5 VT6 觸發信號丟失輸出電壓

三相橋式全控整流電路在實際應用常會有一些非理想的工作狀態，比如晶閘管或觸發電路故障、線路中寄生阻抗的影響、非理想條件下輸出電壓電流的控制，這些工作狀態都可以通過Saber 仿真模型設置相關參數仿真模擬，從而可以更全面的理解該電路的工作原理，以及為設計電路奠定基礎，下面以晶閘管故障為例，討論其輸出波形特征。圖5 示出α=0°阻性負載時，VT6 故障或其觸發信號丟失的輸出波形，由圖看出輸出電壓只有4 個脈波，在Uca 和Ucb交點為VT4 到VT6 的換相時刻，而由于故障VT6 不能導通，直流側繼續輸出Uca 直到VT4、VT5 電流過零而關斷，再過60 度VT1 和VT2導通，進入正常換相區間，輸出線電壓Uac，Ubc、Uba、Uca，如此形成一個完整周期。

4 結束語

本文討論了在電力電子技術的課堂教學中，引入了Saber 仿真的教學改革方案，以三相橋式全控整流電路為例，創建了Saber 仿真模型，設置不同的仿真參數，分析得出的仿真波形可以更有效地促進學生對電力電子電路的理解，通過教學試點取得了良好的效果，總結該教學法具有如下優勢：

1）有效地避免了傳統的灌輸教學模式，調動學生主動學習和研究的積極性，對于培養學生創造性思維有積極意義；

2）改變了學生電力電子實驗教學中設備因素的制約，并且Saber仿真對電路分析的靈活性和精確性也是傳統實驗教學難以比擬的；

3）Saber 仿真是對傳統的枯燥理論教學形成有益補充，讓電力電子電路的復雜的波形變得形象生動，易于接受和理解。另外通過教師演示和學生動手設計、調試，進行互動教學，改善課堂教學氣氛同時還能很好地提高學生主動思考問題、總結問題和解決問題的能力。

［1］王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2008.

［2］丁道宏.電力電子技術[M].北京:航空工業出版社，1992.

［3］關曉菡，張衛平，張東彥.國內外高校電力電子技術教育現狀綜述[J].電氣電子教學學報，2006，28(2):4-8.

［4］林群，馬皓，朱善安.基于網絡的電力電子實驗改革[C]//2003 年全國電力電子與電力傳動學科教學研討會論文集.2003:75-79.

［5］付保紅，王曉東，劉斌.電力電子技術課程教學改革的探索[J].大慶師范學院學報，2009，29(6):146-149.

［6］Dehong Xu，Hao Ma，Yasuyuki Nishida.Education on Power Electronics in China[C]//The 2005 International Power Electronics Conference(CDRO M).Japan，2005:521-525.

［7］趙濤，等.PSpice 在電力電子技術教學改革實踐中的應用[J].電力系統及其自動化學報，2009，21(6):123-127.

［8］王國強，孫紅艷.Multisim 在電力電子技術教學改革實踐中的應用[J].實驗科學與技術，2011，9(5):50-52.

［9］洪乃剛，等.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB 仿真[M].北京:機械工業出版社，2006.