徐小軍

【摘 要】為提高電力電子技術(shù)課程教學(xué)效果，提出simulink仿真軟件輔助教學(xué)方法。以三相半波逆變電路模型為例，介紹了該軟件仿真應(yīng)用過(guò)程。實(shí)踐證明，仿真教學(xué)方法很好的彌補(bǔ)了課堂教學(xué)不足，將抽象、固化的理論教學(xué)變?yōu)榫唧w的、靈活的形式，有利于學(xué)生對(duì)課本基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握，提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；仿真教學(xué)；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(shù)是研究電能變換技術(shù)的課程，是在電子、電力與控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興交叉學(xué)科，具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性，也是一門(mén)實(shí)用的課程。一般課堂教學(xué)內(nèi)容圍繞著電能變換拓?fù)浣榻B其基本原理進(jìn)行的，通過(guò)電路中不同的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)其基本電能變換基本功能，但開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷與驅(qū)動(dòng)電路提供的控制信號(hào)緊密聯(lián)系的，而控制信號(hào)是在一定控制策略下由芯片產(chǎn)生的邏輯信號(hào)。因此，要掌握好課程的主體內(nèi)容，學(xué)生應(yīng)具備較強(qiáng)的邏輯分析能力，這種能力主要體現(xiàn)在學(xué)生在理解控制策略的基礎(chǔ)上，能否動(dòng)態(tài)的分析出主電路換流狀態(tài)和相關(guān)波形的產(chǎn)生，讓學(xué)生獲得這種能力，教材所起的作用還是有限的。目前大多數(shù)教材占用較大篇幅采用描述性語(yǔ)言進(jìn)行介紹相關(guān)內(nèi)容，但因版面有限只選用具有代表性的波形圖進(jìn)行說(shuō)明，因此不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，在現(xiàn)有教學(xué)課時(shí)有限的情況下，學(xué)生要很好的掌握書(shū)本的理論知識(shí)，必須在教學(xué)理念和方法上有所改變。

為了達(dá)到讓學(xué)生有效地掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)目的，提高學(xué)生具體問(wèn)題分析能力以及培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，教師在授課方法上可以采用輔助的教學(xué)手段來(lái)加速這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。因此本文提出電力電子仿真教學(xué)模式，以MATLAB中Simulink仿真軟件為理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)軟件提供的基礎(chǔ)模塊來(lái)搭建電力電子電路模型，在電路不同工作狀態(tài)下運(yùn)行出仿真結(jié)果，將復(fù)雜的分析過(guò)程通過(guò)波形圖形式直觀(guān)地展現(xiàn)在學(xué)生的面前。

1 Simulink 仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

Simulink是MATLAB仿真軟件最重要的組件之一，該組件提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)。Simulink中提供的“SimPowerSystems”工具箱是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電氣系統(tǒng)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(dòng)、電機(jī)、電力系統(tǒng)等學(xué)科中常用基本元件和系統(tǒng)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(jī)模塊以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊、控制和測(cè)量模塊、應(yīng)用模塊。使用這些模塊進(jìn)行電力電子電路系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電力傳動(dòng)等仿真，能夠簡(jiǎn)化編程工作，以直觀(guān)易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模型描述，是進(jìn)行電力電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。

在simulink軟件提供仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，對(duì)電力電子技術(shù)課程進(jìn)行輔助教學(xué)，使得原有相對(duì)固化、機(jī)械的教學(xué)模式變成相對(duì)動(dòng)態(tài)、靈活的教學(xué)形式。學(xué)生只有對(duì)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很好的掌握，才能正確的搭建仿真電路；另一方面，只有對(duì)控制策略過(guò)程有著充分的理解，才能正確的對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而獲得所需波形，學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力在上述過(guò)程中得到提高。同樣，學(xué)生也可以在原有基礎(chǔ)上改變電路模型和仿真條件，就有可能得到新的發(fā)現(xiàn)和結(jié)果，這個(gè)過(guò)程不斷的循序漸進(jìn)，為學(xué)生從事科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。這種教學(xué)方法有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將老師的教與學(xué)生的學(xué)聯(lián)系起來(lái)，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。本文以交-直變換中有源逆變電路仿真為例來(lái)介紹課程教學(xué)過(guò)程。

2 有源逆變電路仿真實(shí)例

2.1 有源逆變產(chǎn)生條件

有源逆變表現(xiàn)為整流電能變換的逆過(guò)程，一般是由于感性負(fù)載處于發(fā)電狀態(tài)，需將負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的多余電能轉(zhuǎn)換成交流電后，將其返送回電網(wǎng)。這里的“源”指的就是電網(wǎng)。有源逆變電路本質(zhì)上仍為相控整流電路，只是電路滿(mǎn)足一定條件下就可以產(chǎn)生有源逆變過(guò)程。因此可以將有源逆變作為整流電路的一種工作狀態(tài)來(lái)分析，產(chǎn)生有源逆變的兩個(gè)條件為：

（1）負(fù)載側(cè)要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通方向一致，其絕對(duì)值大于整流側(cè)直流側(cè)平均電壓Ud；

（2）為防止出現(xiàn)順向串聯(lián)現(xiàn)象，晶閘管的觸發(fā)角α>π/2，使得Ud為負(fù)值。

上述條件缺一不可，一般教材在敘述該內(nèi)容時(shí)，因?yàn)槠?，在給出條件的基礎(chǔ)上只是給出逆變狀態(tài)下某一角度逆變波形，但未給出不滿(mǎn)足條件下波形圖，缺少兩者比較過(guò)程，不利于學(xué)生對(duì)內(nèi)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(gè)條件進(jìn)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(jù)三相半波有源逆變電路模型新建一個(gè)仿真電路模型，設(shè)置以下參數(shù)。其中：三相電源交流峰值電壓為100V，頻率25Hz。負(fù)載參數(shù)設(shè)置R=3Ω，L=0.07H，負(fù)載側(cè)直流電動(dòng)勢(shì)E=120V。脈沖發(fā)生器模塊根據(jù)移相角度變換設(shè)定。

（2）在仿真/參數(shù)窗內(nèi)選擇ode23tb算法，誤差設(shè)置為1e-3，開(kāi)始仿真時(shí)間為0，停止時(shí)間為0.1。

實(shí)驗(yàn)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(mǎn)足條件（1），但不滿(mǎn)足條件（2），使得負(fù)載側(cè)平均電壓Ud波形正面積大于負(fù)面積（圖2（a）），實(shí)際還是整流情況，電能傳遞由電源側(cè)向負(fù)載側(cè)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(fù)載側(cè)電壓Ud波形正面積與負(fù)面積近似相等圖2（b），從整個(gè)周期來(lái)看，負(fù)載側(cè)電壓Ud約等于0，負(fù)載側(cè)吸收與釋放能量相互抵消。

情形3：α=120°且E=120V，這種情況滿(mǎn)足條件（1）和（2），負(fù)載側(cè)電壓Ud波形正面積小于負(fù)面積（圖2（c）），從整個(gè)周期來(lái)看，電能傳遞由負(fù)載側(cè)向電網(wǎng)側(cè)傳遞，將電能回饋電網(wǎng)。

情形4：α=120°且E=30V，這種情況滿(mǎn)足條件（2）但不滿(mǎn)足（1），負(fù)載側(cè)電壓Ud波形正面積大于負(fù)面積（圖2（d）），從整個(gè)周期來(lái)看，電能傳遞由電網(wǎng)側(cè)向負(fù)載側(cè)傳遞，屬于整流情形。

上述仿真結(jié)果很好與教材中分析過(guò)程有較好的吻合。但采用simulink仿真教學(xué)要比純理論教學(xué)形式上顯得靈活，通過(guò)不斷改變電路模型參數(shù)來(lái)獲得有源逆變電路不同部分波形，有利于提高學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)掌握，更好理解教材基礎(chǔ)理論。

3 結(jié)論

本文以三相半波有源逆變的仿真過(guò)程為例，說(shuō)明了仿真教學(xué)方法在電力電子技術(shù)教學(xué)過(guò)程中所起的作用。通過(guò)這種教學(xué)方法，將抽象、固化的理論教學(xué)變?yōu)榫唧w、靈活的形式，便于學(xué)生多角度分析書(shū)本知識(shí)。學(xué)生可以在電力電子電路建模的基礎(chǔ)上，選擇教材中的基本電路拓?fù)鋪?lái)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)現(xiàn)象去挖掘和探索教材理論內(nèi)容更本質(zhì)的東西，以此進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜電路的分析，有利于學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

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[責(zé)任編輯：湯靜]