王正創(chuàng)

（巢湖學(xué)院電子工程學(xué)院 安徽省巢湖市 238000）

隨著科技的不斷發(fā)展以及新型材料的誕生，電力電子器件的應(yīng)用也比較廣泛，同時由這些器件構(gòu)成的電力電子電路也發(fā)展迅速，目前廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)、計算機(jī)通信系統(tǒng)等。電力電子技術(shù)發(fā)展十分迅速，是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，主要教學(xué)內(nèi)容是電力電子器件以及由這些電力電子器件構(gòu)成的變換電路。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，通常以分析波形、解析電路以及相關(guān)的公式計算推導(dǎo)為主，再借助板書、PPT 等形式輔助課堂教學(xué)，但是從中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，理解不夠深刻，教學(xué)效率低，并且實(shí)驗(yàn)基本都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生基本上是根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連線，通過示波器觀察波形，記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，碰到連線錯誤或者相關(guān)的問題，學(xué)生迫不及待地等老師來解答，而并非自己動腦思考，動手解決問題，從而導(dǎo)致學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力較低，不能有效地提高學(xué)生的專業(yè)能力和動手能力，不利于應(yīng)用型高校下的學(xué)生教育發(fā)展。

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)仿真成為輔助電力電子技術(shù)教學(xué)的熱點(diǎn)，通過相關(guān)的仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電路工作情況，目前大部分使用的是MATLAB 仿真軟件，能通過Simulink環(huán)境進(jìn)行建模、仿真、分析，但是MATLAB仿真軟件太單一，不能和硬件結(jié)合起來，得不出實(shí)際的波形和數(shù)據(jù)。本文在教學(xué)中運(yùn)用PSIM 仿真軟件，并通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對電路的實(shí)際測試驗(yàn)證。實(shí)踐表明，相關(guān)電路的分析與講解變得更加容易，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率也相應(yīng)提高，教學(xué)效果也明顯得到了提高。

1 PSIM特點(diǎn)

PSIM 主要是應(yīng)用在電力電子技術(shù)領(lǐng)域和電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真軟件，具有用戶界面友好、仿真效率高速、波形解析等特點(diǎn)。對于一個基本的電路在PSIM 軟件里包括四個部分：主回路、控制電路、傳感器和開關(guān)控制電路。其中有主回路元件庫：包括電力半導(dǎo)體模塊、電動機(jī)模塊、R、L、C 元件等；控制回路單元庫：包括各種傳遞函數(shù)、邏輯電路單元、線性運(yùn)算單元、非線性運(yùn)算單元、離散數(shù)字信號處理功能單元等；傳感器和開關(guān)控制電路：包括電壓、電流傳感器，晶閘管相控觸發(fā)單元、開關(guān)控制驅(qū)動器等。

2 電力電子電路仿真實(shí)例

本文是以降壓斬波電路為例，圖1 為降壓斬波電路的原理圖，器件V 是全控型器件。其工作原理教材中有詳細(xì)的介紹。

圖1：降壓斬波電路原理圖

圖2：降壓斬波電路模擬電路模型

圖3：降壓斬波電路輸出電壓的仿真波形

2.1 設(shè)計參數(shù)

降壓斬波電路參數(shù)設(shè)計如下：Vd=50V，Vtri=5Vpp/40kHz，L=365μH，C=300μF，R=24*24/10Ω。

2.2 建立模型

在PSIM 軟件中選擇相應(yīng)的模塊，并修改相應(yīng)的參數(shù)，同時依次將各個模塊之間連接起來，形成了相應(yīng)的仿真模型如圖2所示。

圖4：降壓斬波電路輸出電流的仿真波形

圖5：實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)測得的輸出電壓波形

圖6：實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)測得的輸出電流波形

2.3 仿真結(jié)果

本文的仿真時間為0.1s，設(shè)置好基本參數(shù)后，點(diǎn)擊“Run Simulation”按鈕，就可以得到圖3 和4 的仿真結(jié)果。

從圖3 中可以看出，輸出電壓有紋波波動，但是紋波的值很小，同時從電感電流中可以看出，電流是連續(xù)的。

2.4 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)驗(yàn)證

首先將模擬控制電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制電路，然后使用PSIM 的SimCoder 工具將控制電路一鍵生成CCode，再利用TICodeComposer 搭配PTS-1000 下載工具將CCode 下載到DSP 芯片中，接著通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，進(jìn)行電路的實(shí)際測試驗(yàn)證。圖5 和圖6為通過示波器得出的輸出電壓和輸出電流的波形。

通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的電路測試可以看出，輸出電壓具有波動，但是波動的幅值很小，由于負(fù)載中串聯(lián)的電感值較大，所以負(fù)載電流連續(xù)。同時對比通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)測得的波形和PSIM 軟件仿真的波形，可以清晰地看到每個輸出量波形之間的差別，有助于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件結(jié)合的動手能力。另外在做修改的時候，不需要重畫構(gòu)圖，不需要重新建模，只需要將相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修改即可，這樣能充分調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)散學(xué)生的思維，讓學(xué)生自己去嘗試設(shè)計，并在非常安全的環(huán)境下去獲得相應(yīng)的結(jié)果，避免了器件損壞以及危害人身安全的相關(guān)因素。

3 結(jié)論

通過在電力電子技術(shù)教學(xué)中，引入PSIM 仿真軟件，并通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行電路的測試和驗(yàn)證。采取這種軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，不但可以提高學(xué)生的分析能力和動手設(shè)計能力，還可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短缺、損壞等，進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)的危險程度，同時學(xué)生可以從實(shí)際電路測得的波形中、數(shù)據(jù)中直觀地看出實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果。這樣的動態(tài)過程會激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的興趣，降低了學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的難度，提高了教學(xué)效果，讓學(xué)生更好地掌握電力電子技術(shù)的內(nèi)容，更深一步地理解電力電子技術(shù)相關(guān)的電路原理。