基于Matlab/SimPowerSystems的電力電子研究型實(shí)驗(yàn)

余有靈, 徐志宇, 胡明忠

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804）

基于Matlab/SimPowerSystems的電力電子研究型實(shí)驗(yàn)

余有靈, 徐志宇, 胡明忠

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804）

利用Matlab仿真技術(shù)拓展了電力電子實(shí)驗(yàn)的深度和廣度,為其注入更多的研究性因素。首先搭建Matlab/SimPowerSystems仿真模型加以求解,引導(dǎo)學(xué)生對仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析和定量推導(dǎo),啟發(fā)學(xué)生對非預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行思考和討論,給出定性解釋。通過研究型實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)化訓(xùn)練,激發(fā)學(xué)生探索的精神、自主學(xué)習(xí)的能力、觀察和研究的科研素養(yǎng),教學(xué)質(zhì)量顯著提升。

電力電子； Matlab/SimPowerSystems仿真； 教學(xué)改革； 研究型實(shí)驗(yàn)

電力電子技術(shù)是普通高等院校電氣工程、自動化等專業(yè)的主干課程,既有繁復(fù)的理論推演分析,又有極強(qiáng)的工程實(shí)踐性[1-2]。目前高校廣泛采取課堂講授理論與實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式[3],實(shí)驗(yàn)均選用典型電路,內(nèi)容固化、老化、程式化,顯然已無法滿足新時期卓越人才的素質(zhì)要求,亟待改進(jìn)。

然而,電力電子實(shí)驗(yàn)涉及高電壓、強(qiáng)電流、大功率設(shè)備,器件相對貴重、系統(tǒng)相對脆弱。綜合考慮人員和設(shè)備的安全問題,很多院校尚不具備對全體學(xué)生開設(shè)探索性、研究型實(shí)驗(yàn)的客觀條件。

各種電路仿真軟件的出現(xiàn)為這一矛盾提供了全新的解決方案,已得到高校的高度重視和廣泛應(yīng)用[4-5]。例如文獻(xiàn)[6]應(yīng)用Saber強(qiáng)化對功率器件門極特性分析和驅(qū)動設(shè)計；文獻(xiàn)[7]應(yīng)用PLECS加深學(xué)生對降壓斬波器中控制電路的理解；文獻(xiàn)[8]以三相逆變電路為例,介紹了Simplorer在電力電子仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[9]應(yīng)用Multisim仿真軟件探討了功率因數(shù)校正與提高的問題,文獻(xiàn)[10]應(yīng)用PSCAD/EMTDC開發(fā)了電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。文獻(xiàn)[11]歸納了Matlab仿真工具對輔助教學(xué)的意義。

受以上文獻(xiàn)的啟發(fā),筆者利用Matlab/ SimPowerSystems工具箱,通過PBL（problem based learning）[12]的模式,引導(dǎo)學(xué)生積極開展仿真實(shí)驗(yàn),進(jìn)而與理論分析深入互補(bǔ),為電力電子實(shí)驗(yàn)注入了探索性、研究性元素,有助于實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)。

1 教學(xué)案例——單相半波可控整流仿真實(shí)驗(yàn)

1.1 案例描述與分析

教學(xué)案例為單相半波可控整流電路對電感負(fù)載供電,其中L=20 mH,U2=100 V,求當(dāng)晶閘管的觸發(fā)角α=0和α=π/3時的負(fù)載電流Id,并畫出整流輸出電壓ud與輸出電流id的波形。

該案例為《電力電子技術(shù)》一書的習(xí)題3-1[13],要求分析整流電路在不同觸發(fā)角時的工作過程,繪制輸出電壓、輸出電流的波形,并計算輸出電流的平均值。雖然此題只涉及單相電源和單一晶閘管,形式上是最簡單、最基本的電路,但由于是驅(qū)動電感負(fù)載,與教材上給出的電阻負(fù)載、阻感負(fù)載的性質(zhì)具有本質(zhì)區(qū)別。學(xué)生無法套用現(xiàn)成結(jié)論求解,必須綜合運(yùn)用所學(xué)知識,做到由此及彼、舉一反三。對于這樣一個具有較強(qiáng)的探索性和研究性的習(xí)題,學(xué)生會感到有一定難度。筆者將該題作為典型案例,在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用Matlab/SimPowerSystems仿真工具加以求解,并展開深層次的探究。

1.2 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab環(huán)境中搭建單相半波可控整流電路的仿真模型（見圖1）。各模塊功能及參數(shù)設(shè)置見表1。

圖1 單相半波可控整流電路的Matlab仿真模型

表1 單相半波可控整流電路的元件模型及參數(shù)設(shè)置

運(yùn)行程序,得到當(dāng)α=0和π/3時的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中交流電源電壓us、整流輸出電壓ud、電流id分別用黑色虛線、藍(lán)色柱、紅色柱表示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

《電力電子技術(shù)》教材在“3.1.1 單相半波可控整流電路”一節(jié)中依次給出了帶電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時的電路工作情況。經(jīng)過課堂講解和課后復(fù)習(xí),學(xué)生已建立了定性認(rèn)識:

（1） 若是電阻負(fù)載,當(dāng)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時,輸出電壓跟隨電源電壓；電源電壓過0變負(fù)之后,晶閘管關(guān)斷,輸出電壓保持為0；電流與電壓始終同相位；

（2） 若是阻感負(fù)載,當(dāng)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時,輸出電壓跟隨電源電壓；電源電壓過0變負(fù)之后,晶閘管不能立即關(guān)斷,輸出電壓繼續(xù)跟隨電源電壓變負(fù),直到電感電流降為0；電流總體上滯后于電壓。

然而,如果學(xué)生對整流電路的理解僅僅停留在以上的定性階段,就很難正確判斷負(fù)載為電感時電路的工作情況,即使借助Matlab仿真直接得到如圖2所示波形,也無法對其進(jìn)行合理解釋和說明。因此,筆者在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行定量分析。

若將晶閘管視為理想器件,則整個電路在其導(dǎo)通、關(guān)斷期間分別對應(yīng)不同的線性系統(tǒng),滿足不同的微分方程。因此問題求解的關(guān)鍵在于確定2個微分方程各自成立的時間區(qū)間。設(shè)晶閘管的觸發(fā)角為α,導(dǎo)通角為θ,則在一個周期[0,2π）內(nèi)有

（1）

由于負(fù)載為電感,因此穩(wěn)態(tài)時晶閘管在每個周期的起始和終止電流均為0,則由（1）解得

圖2 單相半波可控整流輸出電壓、電流波形的仿真結(jié)果

（2）

故cosα=cos（α+θ）,即

α+θ=2π-α

（3）

（1） 當(dāng)α=0時,θ=2π,

輸出電壓為

ω t, 0≤ω t<2π

（4）

輸出電流為

ω t）,0≤ω t<2π

（5）

（6）

（2） 當(dāng)α=π/3時,θ=4π/3

輸出電壓為

（7）

輸出電流為

（8）

（9）

式（4）、式（7）分別與圖2（a）、圖2（b）中的電壓波形相吻合；式（5）、式（8）與圖2（a）、圖2（b）中的電流波形相吻合；仿真所得電流平均值分別為22.45 A和13.67 A。式（6）、式（9）給出的結(jié)果為22.51 A和13.71 A,理論計算與仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

3 非預(yù)期現(xiàn)象闡釋

在自由仿真實(shí)驗(yàn)的過程中,如果細(xì)心觀察,可以發(fā)現(xiàn)有非預(yù)期的電流、電壓波形。

例如:給晶閘管設(shè)置不同的緩沖參數(shù)（Rs,Cs）,可能會導(dǎo)致其關(guān)斷時刻電流、電壓波形出現(xiàn)非單調(diào)的振蕩過程。圖3給出電源電壓和Rs、Cs取不同數(shù)值時的整流輸出電壓波形。

圖3 緩沖參數(shù)Rs、Cs對輸出電壓影響的對比研究

又例如:給晶閘管設(shè)置不同的正向?qū)▔航担╒f）,會使電壓、電流波形產(chǎn)生不同程度的下移,縮短導(dǎo)通時間,減小平均輸出。圖4給出了電源電壓和Vf取不同數(shù)值時的整流輸出電壓波形。

對此,教師應(yīng)鼓勵學(xué)生做更加深入的思考分析和對比研究,使學(xué)生更加深刻地認(rèn)識到理論分析時對器件所做的種種“理想化假定”與實(shí)際電路的差異,以及

圖4 管壓降Vf對輸出電壓影響的對比研究

實(shí)際器件在非理想狀態(tài)下對系統(tǒng)性能的影響，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動思考的積極性,也培養(yǎng)了學(xué)生觀察、分析、歸納、假說、驗(yàn)證等初步的研究能力。

4 結(jié)束語

本文以一道課后習(xí)題的求解為例,應(yīng)用Matlab/SimPowerSystems仿真工具,設(shè)計帶有研究性質(zhì)的電力電子實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力、觀察與歸納能力、思辨分析能力、乃至條理化表述能力,引導(dǎo)學(xué)生主動參與、積極思考,獲得生動的體驗(yàn),變機(jī)械式的驗(yàn)證為開放式的探索,學(xué)深用活電力電子知識。該實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好效果。

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Research-oriented experiments of power electronics based on Matlab/SimPowerSystems

Yu Youling, Xu Zhiyu, Hu Mingzhong

（School of Electronics & Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China）

By introducing more factors of research, the Matlab simulation can dramatically enrich the experiments of power electronics. As far as the difficult problems in the teaching practice are concerned, the Matlab/SimPowerSystems simulation model is built to derive the solution. The students are motivated to provide theoretical analyses and quantitative inference on the simulation results. Furthermore, the students are encouraged to make discussions and to qualitatively interpret various unexpected experimental phenomena. The research-oriented experiments inspire the students’ inquisitiveness and realize the active learning and active thinking. The research capabilities of students are greatly enhanced, such as observation, discussion, expression, etc. The teaching quality is upgraded obviously.

power electronics; Matlab/SimPowerSystems simulation; teaching reform; research-oriented experiment

2015- 04- 29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71401125）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20130072110045）；上海市重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目

余有靈（1973—）,男,重慶,博士,副教授,同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心主任,主要從事電力電子應(yīng)用研究.

TM461.5,TP391.9

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1002-4956（2015）11- 0118- 03