牛天林， 樊 波， 張 強， 趙廣勝(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051)

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Matlab/Simulink仿真在電力電子技術(shù)教學中應用

牛天林， 樊 波， 張 強， 趙廣勝
(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051)

教學實踐證明，Matlab/Simulink仿真技術(shù)是增強“電力電子技術(shù)”課程教學生動性、直觀性和有效性的有力工具。針對傳統(tǒng)教學中對以軟件仿真理解不夠全面的問題，概括了軟件的建模仿真流程，給出貫穿教學全過程的應用拓展思路，并結(jié)合典型電力電子電路和電力供電線路案例，重點探討分析了仿真技術(shù)在教學過程中動態(tài)比較、疑難解答、系統(tǒng)認知、實驗拓展等環(huán)節(jié)的應用，為全面發(fā)揮該軟件的輔助教學功能提供有益借鑒。

Matlab/Simulink仿真； 電力電子技術(shù)； 應用拓展

0 引 言

“電力電子技術(shù)”是工科院校電氣工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它集電力、電子和控制等技術(shù)于一體，具有非常強的理論性、實踐性和應用性[1]。在課程教學過程中往往涉及許多波形分析、電路解析和計算推導等環(huán)節(jié)，以往我們主要借助板書、掛圖、PPT等形式輔助課堂教學講解，但暴露出教學效率偏低、直觀生動性不強、學生理解不夠深刻、應用實踐能力偏弱等一系列問題。

近年來，以計算機科學的發(fā)展進步為推動，計算機仿真已成為輔助“電力電子技術(shù)”教學的熱點[2-7]，并涌現(xiàn)出許多各具特色的仿真軟件[1-9]，Matlab就是非常優(yōu)秀的一員，它所提供的Simulink仿真環(huán)境具有建模資源豐富、設(shè)計過程簡單、輸出形式多元和感受直觀深刻等優(yōu)點。但過去相關(guān)研究更多側(cè)重于對教材已有內(nèi)容的驗證性分析[10-13]，這樣除了實現(xiàn)過程能夠引起學生的新鮮感、輸出結(jié)果更加直觀外，并未發(fā)揮出更多優(yōu)勢。因此，本文重點闡述Matlab/Simulink仿真在“電力電子技術(shù)”教學中的應用拓展問題。

1 Simulink環(huán)境中電路仿真建模流程

Matlab/Simulink仿真環(huán)境適用于動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真與分析[14]，它包含了專用于電力系統(tǒng)和電力電子電路建模仿真的Sim-Power systems模塊庫，具體包括電源(Electrical resources)、元件(Elements)、連接器(Connectors)、電機(Machines)、測量儀表(Measurements)、電力電子器件(Power electronics)等功能模塊子集?；赟imulink環(huán)境的電力電子電路建模仿真流程如圖1所示。

圖1 電路建模仿真的基本流程

主要包括以下三個步驟：

(1) 搭建仿真電路模型。用戶利用專用的Sim-power systems模塊庫，根據(jù)仿真對象組成結(jié)構(gòu)進行功能模塊的選擇、拖拽和連接即可完成仿真電路搭建。該過程本身就是對電力電子功能電路組成、結(jié)構(gòu)及特點的再次深入認知。

(2) 設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)。主要包括仿真電路各功能子模塊參數(shù)和仿真運行參數(shù)的設(shè)置。需指出的是，系統(tǒng)仿真參數(shù)可結(jié)合用戶需求和實際輸出情況進行反復修正，以達到最佳的觀察與分析效果。

(3) 運行仿真，輸出結(jié)果。仿真電路工作波形既可通過示波器Scope進行觀察；還可將重要變量導出至Workspace，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定量化分析；另外，利用電力圖形用戶界面PowerGUI可對系統(tǒng)變量進行更加深入的解析，了解電路的頻域、暫態(tài)特征信息等。

2 課程教學中的應用拓展

“應用拓展”的目的是改變以往對Matlab/Simulink仿真應用的認知局限，深層次理解它在教學中到底能夠干什么的問題。應始終以教學目標和課程標準為牽引，瞄準教學過程中制約質(zhì)量提升的問題短板，結(jié)合Matlab/Simulink建模仿真技術(shù)的優(yōu)勢，通過貫穿教學全過程的設(shè)計應用，有力促升課程教學質(zhì)量。

具體的應用拓展思路如圖2所示。首先，課前階段應認真剖析課堂教學內(nèi)容，提煉出重、難點問題，精心設(shè)計仿真實例，為課堂教學使用做好準備；課堂教學階段主要突出演示刺激、動態(tài)比較、疑難解答、系統(tǒng)認知和實驗訓練等五方面應用功能，更好地發(fā)揮Matlab/Simulink仿真的輔助作用；而課后階段則應根據(jù)實際教學反映情況，進一步改進完善教學設(shè)計準備，從而提高仿真輔助教學的針對性和實效性?；谶@樣一個貫穿課程教學全過程、閉環(huán)回饋式思路，最終實現(xiàn)課程教學質(zhì)量的提高。下面具體結(jié)合實踐經(jīng)驗，分析五大輔助應用功能：

2.1 演示刺激

這是最基礎(chǔ)的應用功能。完成搭建仿真電路、設(shè)置參數(shù)等工作后，就可以運行仿真并借助示波器觀察電力電子電路的工作波形，通過直觀生動的波形演示，刺激學生的感官認識，加深對教學內(nèi)容的學習理解。

2.2 動態(tài)比較

由于Matlab/Simulink仿真電路參數(shù)設(shè)置靈活、方便可調(diào)，這就為教學過程中改變仿真電路參數(shù)，動態(tài)比較電路工作規(guī)律提供方便。比如在電阻性負載單相橋式全控整流電路學習中，根據(jù)改變晶閘管觸發(fā)角能夠引起整流輸出變量變化的原理(即移相比較)，可以改變觸發(fā)角度數(shù)，并將不同角度的整流輸出電壓波形置于一起比較分析，具體如圖3所示。

圖3 不同觸發(fā)角整流輸出電壓波形比較

顯然，隨著觸發(fā)角α的增大，一個工作周期內(nèi)負載電壓與橫軸所圍面積不斷減小，說明整流輸出平均電壓在減小；而整流輸出總是從α時刻開始，π時刻結(jié)束，過程一目了然。另外，結(jié)合圖示和前面的結(jié)論，可推理α=180°時所圍面積減小為0，無整流電壓輸出，即可定性得出該整流電路的移相范圍是0～180°，再與定量計算結(jié)果進行對比驗證，整個分析過程合理嚴密、結(jié)論正確，使學生的理解更加深刻。

2.3 疑難解答

由于受教材篇幅限制和編寫者知識側(cè)重不同的原因，諸如講到“自然換相點是各相晶閘管能夠觸發(fā)導通的最早時刻”[1]，具體為什么？是人為規(guī)定還是其它原因并未過多闡述。下面借助Matlab/Simulink仿真將晶閘管觸發(fā)角超前設(shè)置來進行分析。

從圖4給出的晶閘管超前觸發(fā)與60°觸發(fā)晶閘管時電路仿真波形可以看出，如果在自然換相點前觸發(fā)晶閘管，將會出現(xiàn)“晶閘管斷相”現(xiàn)象，各相晶閘管兩個周期才滿足條件導通工作一次，這顯然與三相半波可控整流電路各相晶閘管每個周期內(nèi)輪流、有序?qū)ǖ囊蟛幌喾?，因此，?guī)定“自然換相點是各相晶閘管觸發(fā)導通的記零開始”。顯然這樣的解釋深刻有力、便于理解，同時又教給了學生一種分析理解問題的方法。

(a) 超前觸發(fā)波形

(b) 60°觸發(fā)波形

2.4 系統(tǒng)認知

為了使理論學習與實踐應用緊密結(jié)合，許多教材都包含有開關(guān)電源、UPS 電源、電機調(diào)速、電力傳輸系統(tǒng)等案例，它們通常是一個由電源、電力電子裝置、負載、控制電路等組成的閉環(huán)系統(tǒng)，涉及知識更加寬泛，理解難度增大。為了便于學生的學習掌握，這里借助Matlab/Simulink以一個60 Hz、10 MVA電壓源向50 Hz、50 kW三相負載供電電路為例[15]進行建模仿真。如圖5所示，仿真模型清晰展示了系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和組成原理。

圖5 系統(tǒng)級Matlab/Simulink仿真模型

(1) 三相交流電經(jīng)降壓變壓器將電源電壓降至600 V；

(2) 600 V交流電經(jīng)封裝好的三相橋式全控整流電路輸出直流電，并進行濾波處理；

(3) 直流電經(jīng)由續(xù)流二極管和IGBT組成的三相橋式PWM逆變器處理，產(chǎn)生50 Hz三相交流電濾波后向三相負載供電。其中6個IGBT的觸發(fā)信號由載波為2 000 Hz的離散PWM信號發(fā)生器提供；

(4) 運行仿真后，可通過示波器觀察整流輸出電壓Vdc、逆變輸出線電壓Vab_inv、負載線電壓Vab_load等重要變量波形，從而深入理解分析該供電系統(tǒng)的工作機理。

通過上面這個實例分析，顯然更好的解答了之前所學知識的關(guān)聯(lián)，使學生的認知層次由電路級拓展至系統(tǒng)級，增強了其實踐中驗證設(shè)計和開發(fā)應用電力電子系統(tǒng)的能力。

2.5 實驗拓展

配套的實驗內(nèi)容是電力電子技術(shù)課程教學必要的補充、促進手段。計算機仿真“軟實驗”能夠彌補傳統(tǒng)教學實驗元器件、掛件短缺和功能參數(shù)設(shè)置限制，并且自身具有成本低、無風險、可重復使用的特點，便于拓展實驗內(nèi)容。因此，可根據(jù)實際教學需求及時調(diào)整、增設(shè)仿真實驗內(nèi)容，積極創(chuàng)造有利于學生動手訓練、開闊思維的學習環(huán)境。另外，在實際應用中，要突出軟硬結(jié)合、層次推進的訓練思路，讓學生先進行軟實驗，在熟練掌握電路組成結(jié)構(gòu)、參數(shù)風險范圍、主要關(guān)注變量的前提下開展硬件實驗訓練，從而取得學習效果和規(guī)避風險的雙贏。

3 結(jié) 語

將Matlab/Simulimk仿真引入電力電子技術(shù)課程教學，不僅有利于刺激學生學習感官、加深學習理解，且可以擴展至動態(tài)比較、疑難解答、系統(tǒng)認知和實驗訓練等環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了貫穿教學全過程的有益輔助作用。另外，借助軟件仿真還可以傳授學生理解、分析、研究問題的方法，更好地培養(yǎng)了學生綜合創(chuàng)新能力。

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Matlab/Simulink Simulation Application in Power Electronic Teaching

NIUTian-lin,FANBo,ZHANGQiang,ZHAOGuang-sheng
(Air and Missile Defense College， Air Force Engineering University， Xi’an 710051， China)

Many practices prove that Matlab/Simulink software is a powerful tool in power-electronic teaching. The application of the software can provide vivid, intuitive and effectiven course-teaching. But the softwares application in traditional teaching is not widespread, hence we summarize the basic flow of Matlab/Simulink firstly. Then we put forward a new application expansion and deeply analyze the important sections of dynamical comparison, question answers, system knowing and experiment expansion. This research will provide beneficial enlightenment in assistant teachings with Matlab/Simulink software.

Matlab/Simulink simulation; power electronic technology; application expansion

2014-06-17

牛天林(1982-)，男，甘肅天水人，博士，講師，主要從事電站系統(tǒng)健康管理技術(shù)研究。

Tel.:18089215182；E-mail：ntl2368@163.com

TP 391

A

1006-7167(2015)02-0084-04