Saber仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學中的應用研究

丁新平 馬淋淋

摘要：電氣工程及其自動化專業(yè)的“電力電子技術(shù)”課程由于較強的理論性以及對實踐動手能力的高要求，使學生在學習過程中無從下手。探討了Saber仿真軟件引入到“電力電子技術(shù)”教學中的重要性和實用性。Saber軟件是專門針對電力電子技術(shù)的科研人員和開發(fā)人員進行理論驗證和新拓撲驗證的一種非常實用的工具?！坝布狈抡嫠枷氲囊胧沟肧aber仿真軟件仿真所得結(jié)果和實驗結(jié)果非常接近，其直觀的仿真過程對學生理解和掌握電力電子電路的工作原理和工作模式起到關(guān)鍵作用。以Boost電路和電壓源逆變器電路為例，闡述了Saber仿真軟件在電力電子技術(shù)教學中的可行性和重要性。

關(guān)鍵詞：Saber；電力電子技術(shù)；課堂教學

作者簡介：丁新平（1975-），男，甘肅定西人，青島理工大學自動化工程學院，副教授；馬淋淋（1979-），男，黑龍江黑河人，青島理工大學自動化工程學院，講師。（山東 青島 266520）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）06-0053-02

隨著半導體器件技術(shù)的日益成熟和數(shù)字控制技術(shù)（Digital Signal Control）的飛速發(fā)展。電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)中的地位越來越突出：節(jié)能減排的很大一部分比重都是通過以電力電子技術(shù)為核心的變頻調(diào)速、高效節(jié)能燈具等電力電子節(jié)能產(chǎn)品完成。在國家大力發(fā)展的新能源利用以及分布式發(fā)電等領(lǐng)域，電力電子技術(shù)也是大有用武之地，作用越來越明顯。同時，電力電子技術(shù)人才供不應求，國家需要大量電力電子技術(shù)的應用型人才。

本科教學中，對電力電子技術(shù)的要求越來越高。而電力電子技術(shù)教學中存在的主要問題是該門功課屬于理論和實踐結(jié)合性非常強的課程，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響到學習效果。高校中電力電子技術(shù)課堂教學主要以理論講解為主，在教學過程中配以部分典型電路的實驗驗證等實踐教學。而實驗項目的完全封閉性（考慮到學生安全性等原因）造成了學生在學習過程中的盲目性和迷茫感。學生很難把課堂所學理論知識和實際應用項目聯(lián)系起來。筆者調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，學生由于缺乏對理論知識相對應實踐環(huán)節(jié)的感性認識，學習的主動性和積極性不高。學生最主要的迷茫感是——學習的電力電子電路能用到什么地方？怎么去用？成天講的電力電子器件在實際中到底如何控制？這些問題在傳統(tǒng)課堂教學中得不到有效解決，久而久之，學生就喪失了學習的積極性。單純?yōu)榱朔謹?shù)的學習使得教師教得費勁，學生學得沒勁。

Saber仿真軟件是一款專門針對電力電子學而開發(fā)的仿真軟件，其主要應用于科研人員對新型拓撲電路的驗證上，為實驗驗證提供相關(guān)參數(shù)和對新電路的有效性進行驗證。[1，2]先有很多仿真軟件都是把物理特性用數(shù)學模型表示出來，然后在數(shù)學模型的基礎(chǔ)上進行仿真。這些仿真電路和實際硬件電路相差較多，更不能給人帶來更直觀的硬件電路設(shè)計指導作用。Saber仿真軟件最大的優(yōu)點是“硬件化”仿真思想的植入，其在仿真時能夠完整還原真實系統(tǒng)，而不是用數(shù)學模型來代替系統(tǒng)特性進行設(shè)計研究。Saber仿真軟件應用在電力電子技術(shù)課堂教學中將解決目前在學習過程中困擾學生的主要難題。

第一，增加學生的成就感，進而培養(yǎng)學生的學習興趣。很多時候，學生在接觸到一門新課的時候，都會有一個過程：滿懷信心和好奇地去了解和學習→感性認識和理論入門→主動（或被動）學習→考試。在一門課程學習過程中，起關(guān)鍵作用的是感性認識和理論入門階段，如果此時能有真實的應用電路來入門，其必然的結(jié)果將是學生主動和有興趣去學習，效果將不言而喻。Saber軟件的“硬件化設(shè)計”給人以電力電子電路的真實感，解決了學生學習過程中由于理論公式推導而造成的“實際電路和理論分析對不上號”的困境，能夠起到“感性認識→電路仿真出結(jié)果→學習成就感→學習興趣”的良性循環(huán)。

第二，培養(yǎng)學生的主動思考能力。一改傳統(tǒng)教學中課堂上教師枯燥地講和學生被動聽的教學模式，變被動聽課為主動參與設(shè)計電路，通過在仿真軟件上自己搭建電路及設(shè)計閉環(huán)控制器，培養(yǎng)了學生主動思考問題的能力。

第三，在課堂教學中，引入硬件仿真電路的現(xiàn)場演示，增加電路的直觀和感性認識。通過仿真電路對電力電子電路工作原理和工作模式的驗證和演示，現(xiàn)場用“硬件電路”驗證了理論分析的結(jié)果，加深了學生對所學電力電子電路知識的認識和掌握。

第四，實驗前認識電路工作原理，驗證各部分實驗波形，為知識點的更好掌握和實驗的順利進行做前期準備工作。有些論文介紹計算機仿真軟件能夠部分或者全部代替實驗教學，[3]筆者持否定觀點。仿真軟件無外乎是理論知識的驗證，其根本代替不了實驗對學生實踐動手能力的鍛煉。筆者認為要學好學通“電力電子技術(shù)”這門課程，不但要保留電力電子實驗，還應該增加相關(guān)課程創(chuàng)新項目等實踐活動來增加學生在實際設(shè)計中對理論知識的加強和融會貫通。

一、典型電力電子電路工作原理介紹

幾乎所有的電力電子電路都可以用Saber軟件實現(xiàn)仿真，其中包括各種電能轉(zhuǎn)換電路：AC-DC，DC-DC，DC-AC，以及AC-AC電路。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)里面頗具代表性的幾種典型電路有：應用于開關(guān)電源中的DC-DC斬波電路之Boost /Buck/Buck-boost電路；廣泛應用于節(jié)能減排中，作為變頻調(diào)速系統(tǒng)主要能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的電壓源全橋逆變電路（VSI）；大功率場合應用較廣的可控整流電路。限于篇幅限制，本文主要以Boost電路和電壓源逆變器為例進行闡述。

作為應用較廣的電路之一，Boost電路能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入電壓的任意升壓功能，通過控制開關(guān)管的占空比能夠控制輸出電壓的大小。在閉環(huán)控制器的作用下，該電路能夠抑制輸入電壓擾動和負載擾動對系統(tǒng)的影響，保持恒定的輸出電壓。Boost電路除了應用于開關(guān)電源DC-DC中外，主要應用在PFC電路實現(xiàn)功率因數(shù)的校正。同時，在新能源能量轉(zhuǎn)換電路中，其可以作為前級電路以實現(xiàn)MPPT（Maximum Power Point Tracking）調(diào)整功能，在實現(xiàn)光伏模塊和燃料電池等新型能源的最大功率輸出的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對輸入電壓的升壓功能。圖1所示為Boost電路在光伏電池發(fā)電中實現(xiàn)MPPT和升壓功能的原理圖。圖2為實現(xiàn)PFC功能的Boost電路，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率因數(shù)，減少了開關(guān)電源對電網(wǎng)的影響，并得到相對穩(wěn)定的直流電壓。

圖3為應用廣泛的變頻器主電路圖，電網(wǎng)輸入，經(jīng)過二極管不控整流得到6脈波波動的直流電，再通過電壓源逆變器實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，得到所需的可控交流電（CVCF或者VVVF），實現(xiàn)電機的變頻調(diào)速功能。全橋電壓源逆變器控制可以采用比較簡單的SPWM控制或者SVPWM方法實現(xiàn)。

二、Saber軟件在電力電子典型電路中的應用

1.課堂授課中的應用

Saber軟件應用到課堂教學中，可以增加上課時學生的參與性和理論知識驗證的直觀性。為枯燥的課堂教學帶來生機，具體例子為：在講授DC-DC斬波電路時，必須要講明白兩個前提（概念）：一是穩(wěn)態(tài)的概念，二是電感的伏秒平衡（電容的安秒平衡）法則。在此基礎(chǔ)上，所有的變換電路都可以解釋并推導出來。在講到這兩個概念的時候，學生很難理解透徹，大多數(shù)情況下學生都是一知半解的狀態(tài)，這時能夠利用Saber軟件進行說明則會起到事半功倍的效果。在電路啟動階段，此時電感電流從零開始上升，然后振蕩幾個周期，最后進入穩(wěn)態(tài)階段，具體如圖4所示。穩(wěn)態(tài)狀態(tài)最關(guān)鍵的現(xiàn)象是：每個開關(guān)周期，電感電流的上升變化量和下降變化量保持相等，通過電感公式VL=Ldi/dt可以推導出電感的伏秒平衡法則。用該法則可以推導出幾乎所有DC-DC斬波電路輸出-輸入電壓關(guān)系。用該仿真軟件直觀驗證和理論推導相結(jié)合教學效果非常好。

在講不同DC-DC電路輸出-輸入電壓關(guān)系時，推導的公式可以直接用Saber仿真軟件驗證，具體如圖5所示，Vout=（1/（1-D）Vg=12/0.6=20V。圖5直觀顯示出兩個關(guān)鍵現(xiàn)象：一是讓學生知道了開關(guān)管是如何驅(qū)動的；二是輸出-輸入電壓增益的驗證。DC-DC斬波電路另一個比較關(guān)鍵的概念是電路的連續(xù)工作模式（CCM）和斷續(xù)工作模式（DCM）。通過仿真軟件能夠非常直觀地呈現(xiàn)給學生，當電感電流較大的時候，電路工作在連續(xù)工作模式（CCM）下；當電感電流變小到在一個開關(guān)周期里面有部分時段電感電流等于零，此即進入了斷續(xù)工作模式（DCM）。具體仿真演示結(jié)果如圖6所示。

在講到其他電力電子電路時，Saber仿真軟件在講課中的直觀性優(yōu)勢也非常明顯，譬如以電壓源逆變器為例，其交流輸出電壓頻率和幅值受調(diào)制波的控制而變化。最直觀的講解如圖7仿真所示，圖7上半部分為調(diào)制因子M的波形，可以控制交流輸出電壓的大小，也就是說輸出交流電的頻率和調(diào)制信號頻率相同，而幅值和調(diào)制信號幅值成正比。通過上下兩部分仿真圖的比較，非常直觀地看出逆變器輸出電壓和調(diào)制信號之間的關(guān)系。

2.課后設(shè)計電路時的應用

Saber仿真軟件還可以作為課后設(shè)計電路參數(shù)和閉環(huán)控制器的主要依據(jù)。工業(yè)應用中，絕大部分產(chǎn)品都是工作在閉環(huán)控制方式下，以達到抑制輸入擾動和負載擾動、最后輸出穩(wěn)定的直流電壓。在主電路參數(shù)（L，C）選型和閉環(huán)控制器設(shè)計上，Sabrer軟件起到指導和驗證的作用。在控制器參數(shù)設(shè)計完畢后，可以通過Saber仿真軟件進行初期驗證，對參數(shù)進行優(yōu)化和微調(diào)以得到最優(yōu)的控制參數(shù)。圖8所示是Boost變換器在閉環(huán)控制器的作用下進行的負載擾動和輸入擾動仿真驗證，由圖可以看到在PI閉環(huán)控制器的作用下，系統(tǒng)具有抑制負載擾動和輸入電壓擾動的能力，輸出電壓Vout很少受兩種擾動的影響。

三、結(jié)論

本文研究了Saber仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學中的應用。在教學中通過引入Saber軟件使得課堂教學生動直觀，一改傳統(tǒng)教學中的死板和枯燥。以“電力電子技術(shù)”課程里的幾種典型電路為例，詳細地說明了如何有效地應用Saber軟件輔助傳統(tǒng)課堂教學以收到直觀生動和事半功倍的效果。

參考文獻：

[1]李艷林，宋海良，陳凱，等.基于saber的電壓源仿真設(shè)計[J].科技信息，2012，（33）：30-31.

[2]閆群民，馬永祥，朱娟娟.基于saber的飛機動力系統(tǒng)仿真[J].計算機工程與設(shè)計，2012，（1）：312-316.

[3]榮軍，丁躍澆，張敏，等.計算機仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學中的應用[J].中國電力教育，2011，（12）：173-174.

（責任編輯：王意琴）