SIMULINK仿真技术在电力电子技术课程教学中应用

徐小军

【摘 要】为提高电力电子技术课程教学效果，提出simulink仿真软件辅助教学方法。以三相半波逆变电路模型为例，介绍了该软件仿真应用过程。实践证明，仿真教学方法很好的弥补了课堂教学不足，将抽象、固化的理论教学变为具体的、灵活的形式，有利于学生对课本基础知识的理解和掌握，提高学生分析问题的能力。

【关键词】电力电子技术；仿真教学；有源逆变

【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

电力电子技术是研究电能变换技术的课程，是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，具有很强的综合性和实践性，也是一门实用的课程。一般课堂教学内容围绕着电能变换拓扑介绍其基本原理进行的，通过电路中不同的开关管导通状态来实现其基本电能变换基本功能，但开关管的导通和关断与驱动电路提供的控制信号紧密联系的，而控制信号是在一定控制策略下由芯片产生的逻辑信号。因此，要掌握好课程的主体内容，学生应具备较强的逻辑分析能力，这种能力主要体现在学生在理解控制策略的基础上，能否动态的分析出主电路换流状态和相关波形的产生，让学生获得这种能力，教材所起的作用还是有限的。目前大多数教材占用较大篇幅采用描述性语言进行介绍相关内容，但因版面有限只选用具有代表性的波形图进行说明，因此不利于激发学生的学习兴趣和培养学生自学能力，在现有教学课时有限的情况下，学生要很好的掌握书本的理论知识，必须在教学理念和方法上有所改变。

为了达到让学生有效地掌握基础理论知识目的，提高学生具体问题分析能力以及培养学生自学能力，教师在授课方法上可以采用辅助的教学手段来加速这一过程的实现。因此本文提出电力电子仿真教学模式，以MATLAB中Simulink仿真软件为理论实验平台，通过软件提供的基础模块来搭建电力电子电路模型，在电路不同工作状态下运行出仿真结果，将复杂的分析过程通过波形图形式直观地展现在学生的面前。

1 Simulink 仿真平台简介

Simulink是MATLAB仿真软件最重要的组件之一，该组件提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，可构造出复杂的仿真系统，具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、效率高、灵活等优点。Simulink中提供的“SimPowerSystems”工具箱是专门针对电气系统的可视化建模与仿真的工具。工具箱中提供了电路、电力电子、电气传动、电机、电力系统等学科中常用基本元件和系统的仿真模型。它包含常用的电源模块、电力电子器件模块、电机模块以及相应的驱动模块、控制和测量模块、应用模块。使用这些模块进行电力电子电路系统、电力系统、电力传动等仿真，能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述，是进行电力电子系统建模和仿真的先进工具。

在simulink软件提供仿真实验平台下，对电力电子技术课程进行辅助教学，使得原有相对固化、机械的教学模式变成相对动态、灵活的教学形式。学生只有对主电路拓扑结构有很好的掌握，才能正确的搭建仿真电路；另一方面，只有对控制策略过程有着充分的理解，才能正确的对控制参数进行设定，从而获得所需波形，学生分析问题和解决问题能力在上述过程中得到提高。同样，学生也可以在原有基础上改变电路模型和仿真条件，就有可能得到新的发现和结果，这个过程不断的循序渐进，为学生从事科学研究和工程设计打下良好的基础。这种教学方法有助于激发学生的学习兴趣，将老师的教与学生的学联系起来，提高了教学质量和教学效果。本文以交-直变换中有源逆变电路仿真为例来介绍课程教学过程。

2 有源逆变电路仿真实例

2.1 有源逆变产生条件

有源逆变表现为整流电能变换的逆过程，一般是由于感性负载处于发电状态，需将负载侧产生的多余电能转换成交流电后，将其返送回电网。这里的“源”指的就是电网。有源逆变电路本质上仍为相控整流电路，只是电路满足一定条件下就可以产生有源逆变过程。因此可以将有源逆变作为整流电路的一种工作状态来分析，产生有源逆变的两个条件为：

（1）负载侧要有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其绝对值大于整流侧直流侧平均电压Ud；

（2）为防止出现顺向串联现象，晶闸管的触发角α>π/2，使得Ud为负值。

上述条件缺一不可，一般教材在叙述该内容时，因为篇幅原因，在给出条件的基础上只是给出逆变状态下某一角度逆变波形，但未给出不满足条件下波形图，缺少两者比较过程，不利于学生对内容的理解和掌握。本文以三相半波有源逆变电路模型为例围绕上述两个条件进行仿真分析，基本操作为以下步骤为：

（1）在新建的模型编辑框窗口，根据三相半波有源逆变电路模型新建一个仿真电路模型，设置以下参数。其中：三相电源交流峰值电压为100V，频率25Hz。负载参数设置R=3Ω，L=0.07H，负载侧直流电动势E=120V。脉冲发生器模块根据移相角度变换设定。

（2）在仿真/参数窗内选择ode23tb算法，误差设置为1e-3，开始仿真时间为0，停止时间为0.1。

实验按照有源逆变条件仿真了四种情况：

情形1：α=60°且E=120V，这种情况满足条件（1），但不满足条件（2），使得负载侧平均电压Ud波形正面积大于负面积（图2（a）），实际还是整流情况，电能传递由电源侧向负载侧传递。

情形2：α=90°且E=120V，这种情况属于整流和逆变临界情况，负载侧电压Ud波形正面积与负面积近似相等图2（b），从整个周期来看，负载侧电压Ud约等于0，负载侧吸收与释放能量相互抵消。

情形3：α=120°且E=120V，这种情况满足条件（1）和（2），负载侧电压Ud波形正面积小于负面积（图2（c）），从整个周期来看，电能传递由负载侧向电网侧传递，将电能回馈电网。

情形4：α=120°且E=30V，这种情况满足条件（2）但不满足（1），负载侧电压Ud波形正面积大于负面积（图2（d）），从整个周期来看，电能传递由电网侧向负载侧传递，属于整流情形。

上述仿真结果很好与教材中分析过程有较好的吻合。但采用simulink仿真教学要比纯理论教学形式上显得灵活，通过不断改变电路模型参数来获得有源逆变电路不同部分波形，有利于提高学生对该知识点掌握，更好理解教材基础理论。

3 结论

本文以三相半波有源逆变的仿真过程为例，说明了仿真教学方法在电力电子技术教学过程中所起的作用。通过这种教学方法，将抽象、固化的理论教学变为具体、灵活的形式，便于学生多角度分析书本知识。学生可以在电力电子电路建模的基础上，选择教材中的基本电路拓扑来进行仿真分析，通过现象去挖掘和探索教材理论内容更本质的东西，以此进一步引导学生进行复杂电路的分析，有利于学生的创新能力的培养。

【参考文献】

[1]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京：电子工业出版社，2006.

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[4]王鹏，王武，张元敏.基于MATLAB的风能转换系统控制平台开发[J].实验室研究与探索，2012，31（5）：73-75.

[责任编辑：汤静]