SIMULINK仿真技術在電力電子技術課程教學中應用

徐小軍

【摘 要】為提高電力電子技術課程教學效果，提出simulink仿真軟件輔助教學方法。以三相半波逆變電路模型為例，介紹了該軟件仿真應用過程。實踐證明，仿真教學方法很好的彌補了課堂教學不足，將抽象、固化的理論教學變為具體的、靈活的形式，有利于學生對課本基礎知識的理解和掌握，提高學生分析問題的能力。

【關鍵詞】電力電子技術；仿真教學；有源逆變

【Abstract】In order to improve the teaching effect of the course of power electronic technology，this paper proposed assistant teaching method by Simulink simulation software. Take the model of three phase half wave controllable rectifying circuit for example ，Introduces application process of simulation software.Practice proves that simulation teaching method turns abstract and curing theory teaching form into specific and flexible form. It would help students to understand and master the basic knowledge of curriculum and improve students ability of problem analysis.

【Key words】Simulation teaching； Power electronic technology； Active inverter

0 引言

電力電子技術是研究電能變換技術的課程，是在電子、電力與控制技術基礎上發展起來的一門新興交叉學科，具有很強的綜合性和實踐性，也是一門實用的課程。一般課堂教學內容圍繞著電能變換拓撲介紹其基本原理進行的，通過電路中不同的開關管導通狀態來實現其基本電能變換基本功能，但開關管的導通和關斷與驅動電路提供的控制信號緊密聯系的，而控制信號是在一定控制策略下由芯片產生的邏輯信號。因此，要掌握好課程的主體內容，學生應具備較強的邏輯分析能力，這種能力主要體現在學生在理解控制策略的基礎上，能否動態的分析出主電路換流狀態和相關波形的產生，讓學生獲得這種能力，教材所起的作用還是有限的。目前大多數教材占用較大篇幅采用描述性語言進行介紹相關內容，但因版面有限只選用具有代表性的波形圖進行說明，因此不利于激發學生的學習興趣和培養學生自學能力，在現有教學課時有限的情況下，學生要很好的掌握書本的理論知識，必須在教學理念和方法上有所改變。

為了達到讓學生有效地掌握基礎理論知識目的，提高學生具體問題分析能力以及培養學生自學能力，教師在授課方法上可以采用輔助的教學手段來加速這一過程的實現。因此本文提出電力電子仿真教學模式，以MATLAB中Simulink仿真軟件為理論實驗平臺，通過軟件提供的基礎模塊來搭建電力電子電路模型，在電路不同工作狀態下運行出仿真結果，將復雜的分析過程通過波形圖形式直觀地展現在學生的面前。

1 Simulink 仿真平臺簡介

Simulink是MATLAB仿真軟件最重要的組件之一，該組件提供了一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，可構造出復雜的仿真系統，具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、效率高、靈活等優點。Simulink中提供的“SimPowerSystems”工具箱是專門針對電氣系統的可視化建模與仿真的工具。工具箱中提供了電路、電力電子、電氣傳動、電機、電力系統等學科中常用基本元件和系統的仿真模型。它包含常用的電源模塊、電力電子器件模塊、電機模塊以及相應的驅動模塊、控制和測量模塊、應用模塊。使用這些模塊進行電力電子電路系統、電力系統、電力傳動等仿真，能夠簡化編程工作，以直觀易用的圖形方式對電氣系統進行模型描述，是進行電力電子系統建模和仿真的先進工具。

在simulink軟件提供仿真實驗平臺下，對電力電子技術課程進行輔助教學，使得原有相對固化、機械的教學模式變成相對動態、靈活的教學形式。學生只有對主電路拓撲結構有很好的掌握，才能正確的搭建仿真電路；另一方面，只有對控制策略過程有著充分的理解，才能正確的對控制參數進行設定，從而獲得所需波形，學生分析問題和解決問題能力在上述過程中得到提高。同樣，學生也可以在原有基礎上改變電路模型和仿真條件，就有可能得到新的發現和結果，這個過程不斷的循序漸進，為學生從事科學研究和工程設計打下良好的基礎。這種教學方法有助于激發學生的學習興趣，將老師的教與學生的學聯系起來，提高了教學質量和教學效果。本文以交-直變換中有源逆變電路仿真為例來介紹課程教學過程。

2 有源逆變電路仿真實例

2.1 有源逆變產生條件

有源逆變表現為整流電能變換的逆過程，一般是由于感性負載處于發電狀態，需將負載側產生的多余電能轉換成交流電后，將其返送回電網。這里的“源”指的就是電網。有源逆變電路本質上仍為相控整流電路，只是電路滿足一定條件下就可以產生有源逆變過程。因此可以將有源逆變作為整流電路的一種工作狀態來分析，產生有源逆變的兩個條件為：

（1）負載側要有直流電動勢，其極性和晶閘管導通方向一致，其絕對值大于整流側直流側平均電壓Ud；

（2）為防止出現順向串聯現象，晶閘管的觸發角α>π/2，使得Ud為負值。

上述條件缺一不可，一般教材在敘述該內容時，因為篇幅原因，在給出條件的基礎上只是給出逆變狀態下某一角度逆變波形，但未給出不滿足條件下波形圖，缺少兩者比較過程，不利于學生對內容的理解和掌握。本文以三相半波有源逆變電路模型為例圍繞上述兩個條件進行仿真分析，基本操作為以下步驟為：

（1）在新建的模型編輯框窗口，根據三相半波有源逆變電路模型新建一個仿真電路模型，設置以下參數。其中：三相電源交流峰值電壓為100V，頻率25Hz。負載參數設置R=3Ω，L=0.07H，負載側直流電動勢E=120V。脈沖發生器模塊根據移相角度變換設定。

（2）在仿真/參數窗內選擇ode23tb算法，誤差設置為1e-3，開始仿真時間為0，停止時間為0.1。

實驗按照有源逆變條件仿真了四種情況：

情形1：α=60°且E=120V，這種情況滿足條件（1），但不滿足條件（2），使得負載側平均電壓Ud波形正面積大于負面積（圖2（a）），實際還是整流情況，電能傳遞由電源側向負載側傳遞。

情形2：α=90°且E=120V，這種情況屬于整流和逆變臨界情況，負載側電壓Ud波形正面積與負面積近似相等圖2（b），從整個周期來看，負載側電壓Ud約等于0，負載側吸收與釋放能量相互抵消。

情形3：α=120°且E=120V，這種情況滿足條件（1）和（2），負載側電壓Ud波形正面積小于負面積（圖2（c）），從整個周期來看，電能傳遞由負載側向電網側傳遞，將電能回饋電網。

情形4：α=120°且E=30V，這種情況滿足條件（2）但不滿足（1），負載側電壓Ud波形正面積大于負面積（圖2（d）），從整個周期來看，電能傳遞由電網側向負載側傳遞，屬于整流情形。

上述仿真結果很好與教材中分析過程有較好的吻合。但采用simulink仿真教學要比純理論教學形式上顯得靈活，通過不斷改變電路模型參數來獲得有源逆變電路不同部分波形，有利于提高學生對該知識點掌握，更好理解教材基礎理論。

3 結論

本文以三相半波有源逆變的仿真過程為例，說明了仿真教學方法在電力電子技術教學過程中所起的作用。通過這種教學方法，將抽象、固化的理論教學變為具體、靈活的形式，便于學生多角度分析書本知識。學生可以在電力電子電路建模的基礎上，選擇教材中的基本電路拓撲來進行仿真分析，通過現象去挖掘和探索教材理論內容更本質的東西，以此進一步引導學生進行復雜電路的分析，有利于學生的創新能力的培養。

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[責任編輯：湯靜]