計算機仿真技術在“電力電子技術”課程教學中的應用①

肖雯娟，呂慧

[摘 要] 電力電子技術是電力學、電子學和控制理論的交叉學科，具有非常強的理論性、實踐性和應用性。對比分析了幾種常用計算機仿真軟件的適用范圍，同時以課程難點和實際中最常用的應用電路為例，分別采用Simulink、Psim軟件對電路進行了建模與仿真，仿真結果驗證了理論分析的準確性。教學實踐結果表明，將計算機仿真引入電力電子技術課程的課堂教學中，可調動學生學習的積極性，增強學生對變流技術的直觀認識，培養學生應用軟件的能力，有效提高課堂教學質量。

[關 鍵 詞] 電力電子技術；計算機仿真；建模與仿真

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）07-0050-02

電力電子技術是高等院校電氣工程及其自動化專業、自動化專業的必修課程，本課程的教學是在學生學習了電路分析、模擬電子技術、數字電子技術等課程的基礎上完成的[1]，因此在授課過程中，會涉及大量的電路綜合分析，同時要通過波形分析的方法來描述變流器的具體工作情況，最后要通過大量推導計算得到相應的結果。內容豐富的授課過程是對教師自身素質的考驗，知識的綜合也是學生在學習本課程時遇到的最大困難[2]。因此，作為任課教師，如何調動學生學習的積極性，激發學生的學習興趣與清楚地講授課堂理論知識同等重要。隨著計算機仿真技術的發展，針對電力電子技術的計算機仿真軟件也不斷涌現，其中如Matlab、Mutsim、Psim軟件也被廣泛應用于電力電子電路的設計與驗證中。近年來，不斷有教師將該類軟件引入課堂教學過程中，教學實踐證明計算機仿真軟件的引入，不僅加深了學生對抽象理論的理解，對工科學生而言，也培養了他們的實際動手能力，為成為優秀的工程師做準備。

一、常用的電力電子仿真軟件的特點及對比分析

（一）MATLAB/SIMULINK仿真軟件

Matlab軟件應用廣泛，也適用于電力電子技術仿真，其中的Simulink作為一個可視化的仿真工具，為用戶提供了一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境[3]。由于這個環境的存在，使用戶不需要編程，只需要通過簡單的鼠標操作調用元器件，即可對所需的系統進行仿真。Simulink中的SimPowerSystem工具箱是針對電力系統仿真的工具箱，元器件非常全面，如三相橋、三相電源、變壓器等都有完整的模型，但是這些模型均只考慮了自身的主要電磁特性，而忽略了其他因素的影響，因此可看做理想的器件模型，由此可見，Simulink適用于原理性的驗證。例如，電力電子課程中重要的開關器件在不同的變流電路中均需要相應的控制策略，如逆變電路中的PWM控制方法，此時采用Matlab建立控制系統數學模型就顯得更加直觀，而且無需考慮器件級的影響。

（二）PSPICE仿真軟件

PSPICE軟件是公認的電路模擬軟件中最有應用前景的軟件[4]。因為它不僅可以繪制電路圖、對電路進行模擬仿真，還可以完成元器件的符號制作以及圖形圖像的處理。該軟件更適用于器件級的仿真，仿真速度較快，且仿真波形的精確性更高。PSPICE特別適合在講授電力電子器件功能時使用。電力電子器件的特性對學生而言是抽象的，因為我們看不到半導體器件內部的結構，看不到載流子的運動狀況。因此，在講述諸如電力二極管的動態過程、電力MOSFET的開關過程等內容時就顯得枯燥乏味，此時不妨利用Pspice器件模型精確的優勢，采用仿真分析的方法講述該部分內容，器件上電壓電流隨時間變化的狀況可通過仿真波形清晰地得到，幫助學生理解記憶。

（三）Saber仿真軟件

Saber軟件是一款電子系統仿真軟件，技術相對來說比較成熟，這款軟件為復雜的混合信號設計與驗證提供了一個功能強大的混合信號仿真器，可用于電源變換器的設計、伺服系統的設計、電路仿真、供配電設計、總線仿真[5]。將其應用于電力電子技術仿真時，可以完成電路的直流分析、交流分析、參數分析以及瞬態分析，其包含的器件模型與實際模型較為接近。而且，很多芯片廠商都為Saber提供了一一對應的器件仿真模型。該仿真軟件的仿真結果與實驗結果非常接近，不過初學者需要儲備較多的電力電子課程的基礎知識才能較好地掌握軟件的使用。

（四）Psim仿真軟件

Psim是一款專門針對功率系統的仿真軟件，該軟件與Matlab相似，元件模型均為理想化模型，因此也多用于算法及原理性的應用[6]。但是該軟件操作和設置十分簡便，初學者使用較容易。

二、仿真實例

（一）Matlab/simulink仿真三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路是整流電路當中最重要的電路結構。通過學習，要掌握整流電路的基本工作原理，晶閘管的控制方式，整流后負載承受的電壓、電流波形，諧波分析的方法等知識點。為了幫助學生理解、掌握，在學習三相整流橋電路時都會有相關的驗證性實驗，但是實驗過程中集成晶閘管觸發信號不穩定，波形觀測誤差較大，這給學生學習帶來了較多干擾，也給教師授課增加了難度。因此，可以嘗試利用MATLAB仿真，建立PWM控制模塊，驗證理論知識，加深直觀理解。

完整的三相橋式全控整流電路由整流變壓器、6個橋式連接的晶閘管、負載、觸發器和同步環節組成。在采用Matlab仿真時，可根據實際需要，在Simulink的SimPowersystems中選取元器件，搭建如圖1所示的三相橋式整流電路仿真模型。

設定α=60°，阻感負載下整流器的輸出波形如圖2所示。

通過對比發現，阻感性負載時，整流器輸出電壓波形在α=60°時臨界連續，得到的電壓電流波形以及晶閘管承受電壓波形均與理論分析一致。

通過以上整流電路仿真可以看到，Matlab/Simulink的模型庫提供了大量的器件、儀器和控制模塊，模型比較完備，模型可以反映器件的各項參數和工作情況，因此仿真的結果與電路的實際運行情況基本一致，在不討論原件具體特性時，仿真可以代替實際系統的實驗室試驗，將其引入課堂當中，可以幫助學生理解抽象的理論知識。

（二）PSIM仿真間接直流變流電路

間接直流變流電路可理解為逆變電路和整流電路的組合形式。對學生來說需掌握的知識點較多，容易與有源逆變及整流電路混淆，為加深學生理解，可先使用仿真軟件進行仿真。相較于Matlab，Psim是一款小巧的專門針對功率系統仿真的軟件，元器件豐富，且該款軟件操作和設置十分簡單，學生較為容易掌握。圖3為DC-AC-DC變流電路在PSIM中的仿真模型。

通過搭建仿真模型進行仿真，可以直接驗證理論結果，同時鍛煉學生的實踐動手能力。

三、結論與展望

應用于電力電子技術的計算機仿真軟件的出現，不僅方便了學生學習枯燥抽象的理論知識，而且提高了學生學習的積極性，是對傳統理論教學的很好補充，學生在有了豐富的直覺認識后，理論學習變得輕松，整個課程變得簡明易學，而且可以不受場地、設備的限制和人身安全因素的影響，在教學中起到了事半功倍的效果，大量的仿真案例無形之中引導學生以應用的方向和目的來學習電力電子技術，為學生今后走向研發工作崗位提供了解決實際工程問題的一條實用途徑。

參考文獻：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]林海斌.關于高校學生科研能力培養的思考[J].教書育人，2005（3）：36-37.

[3]李傳奇.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京：電子工業出版社，2006.

[4]李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]王云亮.電力電子技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[6]榮軍，丁躍澆，張敏，等.計算機仿真軟件在“電力電子技術”教學中的應用[J].中國電力教育，2011（12）：173-174.