Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用

牛天林， 樊 波， 张 强， 赵广胜(空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051)



Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用

牛天林， 樊 波， 张 强， 赵广胜
(空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051)

教学实践证明，Matlab/Simulink仿真技术是增强“电力电子技术”课程教学生动性、直观性和有效性的有力工具。针对传统教学中对以软件仿真理解不够全面的问题，概括了软件的建模仿真流程，给出贯穿教学全过程的应用拓展思路，并结合典型电力电子电路和电力供电线路案例，重点探讨分析了仿真技术在教学过程中动态比较、疑难解答、系统认知、实验拓展等环节的应用，为全面发挥该软件的辅助教学功能提供有益借鉴。

Matlab/Simulink仿真； 电力电子技术； 应用拓展

0 引 言

“电力电子技术”是工科院校电气工程专业的一门专业基础课，它集电力、电子和控制等技术于一体，具有非常强的理论性、实践性和应用性[1]。在课程教学过程中往往涉及许多波形分析、电路解析和计算推导等环节，以往我们主要借助板书、挂图、PPT等形式辅助课堂教学讲解，但暴露出教学效率偏低、直观生动性不强、学生理解不够深刻、应用实践能力偏弱等一系列问题。

近年来，以计算机科学的发展进步为推动，计算机仿真已成为辅助“电力电子技术”教学的热点[2-7]，并涌现出许多各具特色的仿真软件[1-9]，Matlab就是非常优秀的一员，它所提供的Simulink仿真环境具有建模资源丰富、设计过程简单、输出形式多元和感受直观深刻等优点。但过去相关研究更多侧重于对教材已有内容的验证性分析[10-13]，这样除了实现过程能够引起学生的新鲜感、输出结果更加直观外，并未发挥出更多优势。因此，本文重点阐述Matlab/Simulink仿真在“电力电子技术”教学中的应用拓展问题。

1 Simulink环境中电路仿真建模流程

Matlab/Simulink仿真环境适用于动态系统的建模、仿真与分析[14]，它包含了专用于电力系统和电力电子电路建模仿真的Sim-Power systems模块库，具体包括电源(Electrical resources)、元件(Elements)、连接器(Connectors)、电机(Machines)、测量仪表(Measurements)、电力电子器件(Power electronics)等功能模块子集。基于Simulink环境的电力电子电路建模仿真流程如图1所示。

图1 电路建模仿真的基本流程

主要包括以下三个步骤：

(1) 搭建仿真电路模型。用户利用专用的Sim-power systems模块库，根据仿真对象组成结构进行功能模块的选择、拖拽和连接即可完成仿真电路搭建。该过程本身就是对电力电子功能电路组成、结构及特点的再次深入认知。

(2) 设置系统仿真参数。主要包括仿真电路各功能子模块参数和仿真运行参数的设置。需指出的是，系统仿真参数可结合用户需求和实际输出情况进行反复修正，以达到最佳的观察与分析效果。

(3) 运行仿真，输出结果。仿真电路工作波形既可通过示波器Scope进行观察；还可将重要变量导出至Workspace，实现数据的定量化分析；另外，利用电力图形用户界面PowerGUI可对系统变量进行更加深入的解析，了解电路的频域、暂态特征信息等。

2 课程教学中的应用拓展

“应用拓展”的目的是改变以往对Matlab/Simulink仿真应用的认知局限，深层次理解它在教学中到底能够干什么的问题。应始终以教学目标和课程标准为牵引，瞄准教学过程中制约质量提升的问题短板，结合Matlab/Simulink建模仿真技术的优势，通过贯穿教学全过程的设计应用，有力促升课程教学质量。

具体的应用拓展思路如图2所示。首先，课前阶段应认真剖析课堂教学内容，提炼出重、难点问题，精心设计仿真实例，为课堂教学使用做好准备；课堂教学阶段主要突出演示刺激、动态比较、疑难解答、系统认知和实验训练等五方面应用功能，更好地发挥Matlab/Simulink仿真的辅助作用；而课后阶段则应根据实际教学反映情况，进一步改进完善教学设计准备，从而提高仿真辅助教学的针对性和实效性。基于这样一个贯穿课程教学全过程、闭环回馈式思路，最终实现课程教学质量的提高。下面具体结合实践经验，分析五大辅助应用功能：

2.1 演示刺激

这是最基础的应用功能。完成搭建仿真电路、设置参数等工作后，就可以运行仿真并借助示波器观察电力电子电路的工作波形，通过直观生动的波形演示，刺激学生的感官认识，加深对教学内容的学习理解。

2.2 动态比较

由于Matlab/Simulink仿真电路参数设置灵活、方便可调，这就为教学过程中改变仿真电路参数，动态比较电路工作规律提供方便。比如在电阻性负载单相桥式全控整流电路学习中，根据改变晶闸管触发角能够引起整流输出变量变化的原理(即移相比较)，可以改变触发角度数，并将不同角度的整流输出电压波形置于一起比较分析，具体如图3所示。

图3 不同触发角整流输出电压波形比较

显然，随着触发角α的增大，一个工作周期内负载电压与横轴所围面积不断减小，说明整流输出平均电压在减小；而整流输出总是从α时刻开始，π时刻结束，过程一目了然。另外，结合图示和前面的结论，可推理α=180°时所围面积减小为0，无整流电压输出，即可定性得出该整流电路的移相范围是0～180°，再与定量计算结果进行对比验证，整个分析过程合理严密、结论正确，使学生的理解更加深刻。

2.3 疑难解答

由于受教材篇幅限制和编写者知识侧重不同的原因，诸如讲到“自然换相点是各相晶闸管能够触发导通的最早时刻”[1]，具体为什么？是人为规定还是其它原因并未过多阐述。下面借助Matlab/Simulink仿真将晶闸管触发角超前设置来进行分析。

从图4给出的晶闸管超前触发与60°触发晶闸管时电路仿真波形可以看出，如果在自然换相点前触发晶闸管，将会出现“晶闸管断相”现象，各相晶闸管两个周期才满足条件导通工作一次，这显然与三相半波可控整流电路各相晶闸管每个周期内轮流、有序导通的要求不相符合，因此，规定“自然换相点是各相晶闸管触发导通的记零开始”。显然这样的解释深刻有力、便于理解，同时又教给了学生一种分析理解问题的方法。

(a) 超前触发波形

(b) 60°触发波形

2.4 系统认知

为了使理论学习与实践应用紧密结合，许多教材都包含有开关电源、UPS 电源、电机调速、电力传输系统等案例，它们通常是一个由电源、电力电子装置、负载、控制电路等组成的闭环系统，涉及知识更加宽泛，理解难度增大。为了便于学生的学习掌握，这里借助Matlab/Simulink以一个60 Hz、10 MVA电压源向50 Hz、50 kW三相负载供电电路为例[15]进行建模仿真。如图5所示，仿真模型清晰展示了系统拓扑结构和组成原理。

图5 系统级Matlab/Simulink仿真模型

(1) 三相交流电经降压变压器将电源电压降至600 V；

(2) 600 V交流电经封装好的三相桥式全控整流电路输出直流电，并进行滤波处理；

(3) 直流电经由续流二极管和IGBT组成的三相桥式PWM逆变器处理，产生50 Hz三相交流电滤波后向三相负载供电。其中6个IGBT的触发信号由载波为2 000 Hz的离散PWM信号发生器提供；

(4) 运行仿真后，可通过示波器观察整流输出电压Vdc、逆变输出线电压Vab_inv、负载线电压Vab_load等重要变量波形，从而深入理解分析该供电系统的工作机理。

通过上面这个实例分析，显然更好的解答了之前所学知识的关联，使学生的认知层次由电路级拓展至系统级，增强了其实践中验证设计和开发应用电力电子系统的能力。

2.5 实验拓展

配套的实验内容是电力电子技术课程教学必要的补充、促进手段。计算机仿真“软实验”能够弥补传统教学实验元器件、挂件短缺和功能参数设置限制，并且自身具有成本低、无风险、可重复使用的特点，便于拓展实验内容。因此，可根据实际教学需求及时调整、增设仿真实验内容，积极创造有利于学生动手训练、开阔思维的学习环境。另外，在实际应用中，要突出软硬结合、层次推进的训练思路，让学生先进行软实验，在熟练掌握电路组成结构、参数风险范围、主要关注变量的前提下开展硬件实验训练，从而取得学习效果和规避风险的双赢。

3 结 语

将Matlab/Simulimk仿真引入电力电子技术课程教学，不仅有利于刺激学生学习感官、加深学习理解，且可以扩展至动态比较、疑难解答、系统认知和实验训练等环节，体现了贯穿教学全过程的有益辅助作用。另外，借助软件仿真还可以传授学生理解、分析、研究问题的方法，更好地培养了学生综合创新能力。

[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2] 潘海鹏,雷美珍,夏永明,等.电力电子技术课程实验教学改革与探索[J].合肥工业大学学报(社会科学版),2010,24(1):105-108.

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[4] 李兴宁,陈 震,王书杰.电力电子技术实践教学的改革[J].实验室研究与探索, 2008,27(1):162-165.

[5] 苏良昱,王 武,葛 瑜.电力电子技术仿真实验教学与创新思维拓展[J].实验技术与管理,2013,30(1):170-173.

[6] 汪义旺,索 迹.电力电子技术仿真实验教学探讨[J].实验科学与技术,2011,9(4):53-55.

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[8] 张厚升.电力电子电路仿真软件综述[J].电源世界,2006(9):48-51.

[9] 杨浩东,王 伟.电力电子教学中常用仿真软件对比[J].中国电力教育,2013(3):112-113.

[10] 邓 娜,曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应用[J].装备制造技术,2008(1):124-125.

[11] 吴文进,李彦梅,江善和,等.MATLAB 仿真在《电力电子技术》课程教学中的应用[J].安庆师范学院学报(自然科学版),2013,19(2):124-127.

[12] 王 武.基于Matlab和PLECS的电力电子仿真实验教学[J].实验技术与管理,2011,28(6):110-112.

[13] 马立华,席 惠. MATLAB在电力电子实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2005,24(2):33-36.

[14] 王 晶,翁国庆,张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用(第4版) [M].西安：西安电子科技大学出版社,2013.

[15] MathWorks Inc. Universal Bridge in DC-AC PWM Converter (discrete) [M]. MATLAB SimPowerSystem Users’ Guide,2009.

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，甘肃天水人，博士，讲师，主要从事电站系统健康管理技术研究。

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

TP 391

A

1006-7167(2015)02-0084-04