Matlab/Simulink仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用

牛天林， 樊 波， 張 強(qiáng)， 趙廣勝(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051)

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Matlab/Simulink仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用

牛天林， 樊 波， 張 強(qiáng)， 趙廣勝
(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051)

教學(xué)實(shí)踐證明，Matlab/Simulink仿真技術(shù)是增強(qiáng)“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)生動(dòng)性、直觀性和有效性的有力工具。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中對(duì)以軟件仿真理解不夠全面的問(wèn)題，概括了軟件的建模仿真流程，給出貫穿教學(xué)全過(guò)程的應(yīng)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(diǎn)探討分析了仿真技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中動(dòng)態(tài)比較、疑難解答、系統(tǒng)認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)拓展等環(huán)節(jié)的應(yīng)用，為全面發(fā)揮該軟件的輔助教學(xué)功能提供有益借鑒。

Matlab/Simulink仿真； 電力電子技術(shù)； 應(yīng)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(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性[1]。在課程教學(xué)過(guò)程中往往涉及許多波形分析、電路解析和計(jì)算推導(dǎo)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(xué)講解，但暴露出教學(xué)效率偏低、直觀生動(dòng)性不強(qiáng)、學(xué)生理解不夠深刻、應(yīng)用實(shí)踐能力偏弱等一系列問(wèn)題。

近年來(lái)，以計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步為推動(dòng)，計(jì)算機(jī)仿真已成為輔助“電力電子技術(shù)”教學(xué)的熱點(diǎn)[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(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單、輸出形式多元和感受直觀深刻等優(yōu)點(diǎn)。但過(guò)去相關(guān)研究更多側(cè)重于對(duì)教材已有內(nèi)容的驗(yàn)證性分析[10-13]，這樣除了實(shí)現(xiàn)過(guò)程能夠引起學(xué)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(shì)。因此，本文重點(diǎn)闡述Matlab/Simulink仿真在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用拓展問(wèn)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(dòng)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(kù)，具體包括電源(Electrical resources)、元件(Elements)、連接器(Connectors)、電機(jī)(Machines)、測(cè)量?jī)x表(Measurements)、電力電子器件(Power electronics)等功能模塊子集。基于Simulink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(gè)步驟：

(1) 搭建仿真電路模型。用戶利用專用的Sim-power systems模塊庫(kù)，根據(jù)仿真對(duì)象組成結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)程本身就是對(duì)電力電子功能電路組成、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)的再次深入認(rèn)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(yùn)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(shí)際輸出情況進(jìn)行反復(fù)修正，以達(dá)到最佳的觀察與分析效果。

(3) 運(yùn)行仿真，輸出結(jié)果。仿真電路工作波形既可通過(guò)示波器Scope進(jìn)行觀察；還可將重要變量導(dǎo)出至Workspace，實(shí)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(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)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(xué)中的應(yīng)用拓展

“應(yīng)用拓展”的目的是改變以往對(duì)Matlab/Simulink仿真應(yīng)用的認(rèn)知局限，深層次理解它在教學(xué)中到底能夠干什么的問(wèn)題。應(yīng)始終以教學(xué)目標(biāo)和課程標(biāo)準(zhǔn)為牽引，瞄準(zhǔn)教學(xué)過(guò)程中制約質(zhì)量提升的問(wèn)題短板，結(jié)合Matlab/Simulink建模仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)貫穿教學(xué)全過(guò)程的設(shè)計(jì)應(yīng)用，有力促升課程教學(xué)質(zhì)量。

具體的應(yīng)用拓展思路如圖2所示。首先，課前階段應(yīng)認(rèn)真剖析課堂教學(xué)內(nèi)容，提煉出重、難點(diǎn)問(wèn)題，精心設(shè)計(jì)仿真實(shí)例，為課堂教學(xué)使用做好準(zhǔn)備；課堂教學(xué)階段主要突出演示刺激、動(dòng)態(tài)比較、疑難解答、系統(tǒng)認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等五方面應(yīng)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(yīng)根據(jù)實(shí)際教學(xué)反映情況，進(jìn)一步改進(jìn)完善教學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，從而提高仿真輔助教學(xué)的針對(duì)性和實(shí)效性?；谶@樣一個(gè)貫穿課程教學(xué)全過(guò)程、閉環(huán)回饋式思路，最終實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。下面具體結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析五大輔助應(yīng)用功能：

2.1 演示刺激

這是最基礎(chǔ)的應(yīng)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(yùn)行仿真并借助示波器觀察電力電子電路的工作波形，通過(guò)直觀生動(dòng)的波形演示，刺激學(xué)生的感官認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)理解。

2.2 動(dòng)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(xué)過(guò)程中改變仿真電路參數(shù)，動(dòng)態(tài)比較電路工作規(guī)律提供方便。比如在電阻性負(fù)載單相橋式全控整流電路學(xué)習(xí)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(gè)工作周期內(nèi)負(fù)載電壓與橫軸所圍面積不斷減小，說(shuō)明整流輸出平均電壓在減??；而整流輸出總是從α?xí)r刻開始，π時(shí)刻結(jié)束，過(guò)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(shí)所圍面積減小為0，無(wú)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，整個(gè)分析過(guò)程合理嚴(yán)密、結(jié)論正確，使學(xué)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(shí)側(cè)重不同的原因，諸如講到“自然換相點(diǎn)是各相晶閘管能夠觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻”[1]，具體為什么？是人為規(guī)定還是其它原因并未過(guò)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(lái)進(jìn)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(shí)電路仿真波形可以看出，如果在自然換相點(diǎn)前觸發(fā)晶閘管，將會(huì)出現(xiàn)“晶閘管斷相”現(xiàn)象，各相晶閘管兩個(gè)周期才滿足條件導(dǎo)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(gè)周期內(nèi)輪流、有序?qū)ǖ囊蟛幌喾?，因此，?guī)定“自然換相點(diǎn)是各相晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的記零開始”。顯然這樣的解釋深刻有力、便于理解，同時(shí)又教給了學(xué)生一種分析理解問(wèn)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(rèn)知

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

圖5 系統(tǒng)級(jí)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(jìn)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(fù)載供電。其中6個(gè)IGBT的觸發(fā)信號(hào)由載波為2 000 Hz的離散PWM信號(hào)發(fā)生器提供；

(4) 運(yùn)行仿真后，可通過(guò)示波器觀察整流輸出電壓Vdc、逆變輸出線電壓Vab_inv、負(fù)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(jī)理。

通過(guò)上面這個(gè)實(shí)例分析，顯然更好的解答了之前所學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)，使學(xué)生的認(rèn)知層次由電路級(jí)拓展至系統(tǒng)級(jí)，增強(qiáng)了其實(shí)踐中驗(yàn)證設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用電力電子系統(tǒng)的能力。

2.5 實(shí)驗(yàn)拓展

配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是電力電子技術(shù)課程教學(xué)必要的補(bǔ)充、促進(jìn)手段。計(jì)算機(jī)仿真“軟實(shí)驗(yàn)”能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(wú)風(fēng)險(xiǎn)、可重復(fù)使用的特點(diǎn)，便于拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。因此，可根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求及時(shí)調(diào)整、增設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，積極創(chuàng)造有利于學(xué)生動(dòng)手訓(xùn)練、開闊思維的學(xué)習(xí)環(huán)境。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，要突出軟硬結(jié)合、層次推進(jìn)的訓(xùn)練思路，讓學(xué)生先進(jìn)行軟實(shí)驗(yàn)，在熟練掌握電路組成結(jié)構(gòu)、參數(shù)風(fēng)險(xiǎn)范圍、主要關(guān)注變量的前提下開展硬件實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，從而取得學(xué)習(xí)效果和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的雙贏。

3 結(jié) 語(yǔ)

將Matlab/Simulimk仿真引入電力電子技術(shù)課程教學(xué)，不僅有利于刺激學(xué)生學(xué)習(xí)感官、加深學(xué)習(xí)理解，且可以擴(kuò)展至動(dòng)態(tài)比較、疑難解答、系統(tǒng)認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了貫穿教學(xué)全過(guò)程的有益輔助作用。另外，借助軟件仿真還可以傳授學(xué)生理解、分析、研究問(wèn)題的方法，更好地培養(yǎng)了學(xué)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