Saber在电力电子技术教学改革中的应用

陈 万 丁卫红 周恒瑞

（淮阴工学院，江苏 淮安 223001）

使用电力电子器件对电能进行变换和控制形成了一门新的工程学科——电力电子技术，该学科涉及电子学、电力学与控制科学等多个领域[1-2]，在教学过程中，要求学生掌握基本的电力电子变换理论和学会简单电力电子变流电路的计算和设计。

多数本科院校在电力电子技术教学中将电力电子变流电路作为教学重点[3]，一般根据电路输出波形讨论各类电路的工作原理及相关特性，通过一些典型电路的实验教学加深学生对电路的理解，受实验设备、经费和人员等的限制，电力电子技术实践教学所能开出的实验项目有限，且因学生只注重记录波形、数据，忽视电路理解，实验效果不好[4-6]。

近几十年来，计算机仿真技术得到了越来越多的重视，其优点在于采用对系统数学模型的计算分析代替实际系统进行实验研究，它是目前复杂系统设计研究的经济有效的手段[7-9]。在电力电子技术的课堂教学中，我们应用仿真的优点，探索了在理论教学过程中引入仿真的教学手段。教学过程中引入了Saber 软件对具体电力电子电路仿真演示，可以吸引学生主动的投入到学习中，从而活跃课堂教学气氛，提高学生对枯燥理论的学习兴趣，更好地培养学生分析问题和解决问题的能力。

1 Saber 的特点及其应用

Saber 是美国Synopsys 公司于1986 年开发的一款EDA 软件，在电力电子技术教学中可用来分析和设计DC/DC、AC/DC、DC/AC、AC/AC 四种基本的电力电子变流电路，和其它仿真软件相比具有如下特点。

（1）强大的图形查看功能，在电力电子电路的仿真中，可以观察电路中任一节点电压和支路电流波形方便了电路的设计；

（2）软件中提供的电力电子元器件模型比较全面，对电路建模基本上精确到具体器件级，仿真结果和实际电路非常接近；

（3）Saber 内部的多种仿真算法可以很好地解决仿真系统收敛性问题，尤其是对于含有较多非线性环节的电力电子变流电路具有显著优势。

2 Saber 模型建立方法

图1 示出了引入Saber 仿真教学法的基本流程，结合具体电力电子变流电路，先分析电路组成、各个部件的作用以及功率器件的导通次序，再利用Saber 虚拟元件连接组成仿真模型，让学生自己操作仿真软件，对该电路仿真分析，观察电路的输出电压电流等波形，加深对电路的理解，修改相应控制参数，同步考察输入输出波形的变化，使得枯燥的电力电子波形分析法更容易接受；最后将实际电路的一些非理想因素，诸如线路寄生参数、线路故障等，引入到仿真模型中分析讨论，可以拓展对电路的认识，为具体电路设计奠定基础。

图1 电路仿真分析流程

3 三相桥式全控整流电路的Saber 仿真

3.1 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路在诸如电解和电镀等大功率整流场合有着广泛应用，也是相控整流电路教学中的关键内容，要求掌握电路工作原理、基本工作状态、输入输出参数的定量关系以及一些关键输入输出波形。与单相、三相半波可控整流电路相比，电路结构复杂、工作状态多，在实际教学中，采用PPT 教学方式给学生展现不同触发角及不同负载时输入输出波形，学生在课堂教学中很难跟上教学节奏，导致学生的学习都会回到简单的记忆波形和公式，大大降低了知识的连贯性，实际教学效果不太理想。

3.2 模型建立及仿真分析

图2 三相桥式全控整流电路Saber 仿真模型

图2 所示的三相桥式全控整流电路仿真模型由三相电源、三相晶闸管整流桥、6 个独立同步脉冲发生模块和负载模块组成。触发脉冲的触发角可以通过设置6 个脉冲模块的参数实现，而调节负载R、L和直流电压源Edc 的参量可以改变负载功率大小及负载性质，仿真的直流侧电压、电流以及输入的交流电流可以在看图工具CosmosScope中通过选择相应的节点和支路看到。

表1 电路仿真主要参数

在表1 给出的仿真参数条件下，触发角为0 度时的输出电压Udc波形及流过六个晶闸管（VT1～VT6）的电流波形如图3，根据晶闸管的触发次序以及图3 中电压电流波形可以看出三相桥式整流电流电路一个周期由六个工作状态，其对应输出电压与导通的晶闸管次序如表2 所示。

图3 三相桥式全控整流电路阻性负载时，不同触发角时输出电压波形

表2 三相桥式全控整流的6 个工作状态

从仿真输出波形看出三相桥式全控整流电路一个周期中输出6个完全对称的脉波，所以也称为6 脉波整流，图4 给出了触发角分别为30°、45°和60°的输出电压波形，由图看出在触发角α≤60°范围内输出电压连续，并且由图中的平均电压看出，输出电压随着α 增大而减小。

图4 不同触发角的输出电压波形

3.3 电路原理的讨论

回到对输出波形的分析，输出直流电压由6 个线电压uab，uac，ubc，uba，uca，ucb，包络组成，并且代表了该电路的6 个工作状态，由输出波形定量计算输出电压平均值和触发角α 之间的关系，输出电压连续如表达式（1），断续为表达式（2）。

除了输出电压波形，交流侧电流和晶闸管的电压电流波形也可以由图2 所示模型设置相关参数仿真得到，由此得出三相桥式全控整流电路6 个晶闸管的触发时序，并且分析其工作模态。设置负载RL 的参数，可以考察该电路在阻感负载以及反电势负载时的工作特征，为实际电路的分析和设计奠定基础。

3.4 三相桥式全控整流电路的拓展分析

图5 VT6 触发信号丢失输出电压

三相桥式全控整流电路在实际应用常会有一些非理想的工作状态，比如晶闸管或触发电路故障、线路中寄生阻抗的影响、非理想条件下输出电压电流的控制，这些工作状态都可以通过Saber 仿真模型设置相关参数仿真模拟，从而可以更全面的理解该电路的工作原理，以及为设计电路奠定基础，下面以晶闸管故障为例，讨论其输出波形特征。图5 示出α=0°阻性负载时，VT6 故障或其触发信号丢失的输出波形，由图看出输出电压只有4 个脉波，在Uca 和Ucb交点为VT4 到VT6 的换相时刻，而由于故障VT6 不能导通，直流侧继续输出Uca 直到VT4、VT5 电流过零而关断，再过60 度VT1 和VT2导通，进入正常换相区间，输出线电压Uac，Ubc、Uba、Uca，如此形成一个完整周期。

4 结束语

本文讨论了在电力电子技术的课堂教学中，引入了Saber 仿真的教学改革方案，以三相桥式全控整流电路为例，创建了Saber 仿真模型，设置不同的仿真参数，分析得出的仿真波形可以更有效地促进学生对电力电子电路的理解，通过教学试点取得了良好的效果，总结该教学法具有如下优势：

1）有效地避免了传统的灌输教学模式，调动学生主动学习和研究的积极性，对于培养学生创造性思维有积极意义；

2）改变了学生电力电子实验教学中设备因素的制约，并且Saber仿真对电路分析的灵活性和精确性也是传统实验教学难以比拟的；

3）Saber 仿真是对传统的枯燥理论教学形成有益补充，让电力电子电路的复杂的波形变得形象生动，易于接受和理解。另外通过教师演示和学生动手设计、调试，进行互动教学，改善课堂教学气氛同时还能很好地提高学生主动思考问题、总结问题和解决问题的能力。

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