黑河学院学报 ２０１４年第１期（２０１４年２月） Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＨＥＩＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳｎ 自然科学研究 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—９４９９．２０１４．Ｏ１．０３２ 计算机仿真在电力电子课程教学中的应用 焦俊生 （铜陵学院电气工程学院，安徽铜陵２４４０６１） 摘要：电力电子技术是自动化、电气工程专业重要的专业基础课程。这门课程内容多，理论教学内容抽象难懂，学 生学习过程中普遍感觉理解困难。办了提高电力电子的学习效果，利用仿真教学，以单相全控桥式整流电路为例，对电 阻电感负载做仿真分析。在学习过程中，可任意改变控制角、电阻和电感值，增加直观感性的教学效果。 关键词：电力电子；仿真；整流 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—９４９９（２０１４）０１～０１２１—０３ 电力电子技术是自动化、电气工程及其自动 ＭＡＴＬＡＢ仿真软件仿真技术，增强学生对理论问 题的理解，并提高学习兴趣，取得了较为满意的 效果。 化、电力电子与电力传动等专业的重要专业基础 课，也是实用性、工程性和综合性很强的课程。 作为电气工程专业的学生，学好这门课程将为后 ＭＡＴＬＡＢ是由美国Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司发布的主 续专业课的学习和今后的工作打下良好的基础。 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是 用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术， 通常是对交流变直流、直流变直流、直流变交流、 交流变交流四类变换技术…。近年来，由于科技 要面对科学计算、可视化，以及交互式程序设计 的高科技计算环境，为科学研究、工程设计以及 必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了 一种全面的解决方案。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是ＭＡＴＬＡＢ最重 要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真 和综合分析的集成环境，被广泛应用于线性系 统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建 模和仿真中 Ｊ。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ提供了一个建立模型方 块图的图形用户接口（ＧＵＩ），这个创建过程只需 快速发展，电气工程专业新增许多新的课程，如 信息与网络控制技术、计算机编程技术和微型机 电技术等。很多专业课程的学时被压缩，电力电 子技术课程的特点是内容多，课时少，而在工程 实践中，随着电力电子技术的高速发展，新型电 力电子器件和新的电路结构不断出现，如何在非 常少的学时内获得最好的教学效果，是电力电子 课程教学必须探讨的问题。 单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更 快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到 系统的仿真结果。 １教学过程 １．１理论教学过程 借助计算机仿真技术，可以弥补实验器材缺 乏的不足，减少过多的实验耗材，学生能够对比 较难以理解的抽象内容有一个直观的认识 ］，根 据目前电力电子教学情况，由于新的电力电子拓 扑及控制电路的产生，不可能在实验室完成所有 单相全控整流电路作为教学示例，工作原理如 图１所示，当负载是电阻性负载时（电感值为０）， 。和 组成一对桥臂，在ｕ 正半周承受电压 的电力电子实验教学，利用计算机仿真技术完成 现有实验设备难以实现的复杂实验，缩短实验时 ：，得到触发脉冲即导通，当 过零时，关断 。 和Ｔｈ ；Ｔｈ：和 ，组成另一对桥臂，在 负半周 间，更加完整地分析实验对象的系统性能指标， 优化电路设计。笔者在课堂讲授理论时，利用 承受电压一“：，得到触发脉冲即导通，当 过零 时，关断 和 。 收稿日期：２０１３—０９一ｏ７ 基金项目：铜陵学院教学研究项目《应用型人才培养定位下的理论课程教学研究》（ＪＹ１２０２７） 作者简介：焦俊生（１９６８一），男，安徽无为人，副教授，硕士，主要从事电力电子教学与研究。 在教学过程中，大多数学生都能理解电阻性 负载。如果负载是电阻电感负载，电感对电流变 化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突 变， 过零变负时，由于电感的作用晶闸管 。 和 中仍流过电流ｉ ，电流不等于零，并不关 断，至ｔＯｔ＝７ｒ＋Ｏ／时刻，给 ２和 ３加触发脉冲， 因 ：和 ，本已承受正电压，故两管导通，而 频率设置为５０Ｈｚ，一次电压大小为２２０Ｖ，变压器 二次侧电压设为ｌＯＯＶ，晶闸管的阴极通过Ｔ型或 Ｌ型连接线连接在一起，再接人负载支路中。每 只晶闸管送入触发脉冲信号，需要在门极控制端 口Ｋ处接人一个脉冲发生器，以此来控制晶闸管 的通断。最后，将晶闸管的脉冲信号、交流电压 源以及负载电压 的波形通过信号合成器组合 在一张图中，便于在示波器中对比观察。 设置每个元件的仿真参数，最为关键的是控 制角 的调节是通过脉冲发生器的相位延迟来 实现的，由于单位是秒，而控制角的大小是通过 度来衡量的，所以要进行单位转化，即把角度转 化为秒。晶闸管的控制角ａ以脉冲的延迟时间ｔ 来表示，取ａ等于３０度对应的时间为ｔ＝００２× ３０／３６０＝００２／１２ｓ，串联ＲＬＣ支路为纯电阻电路， 和 这时承受反向电压关断。在理论课程 教学中，学生对电感作用理解不深，所以用了仿 真教学方法。 一 Ｃ ＼ Ｌ ．． Ｊ［．． ／ ａ ｚ，ｄ 其中Ｒ＝２ｆｔ，Ｌ＝１０００ｍＨ，Ｃ＝ｉｎｆ。设置仿真结束 ｂ ３ ’ 时间为０．１ｓ。最后点击模型编辑器上的黑色三 ７ 厶 一 Ｔｈ４ 角形按钮，开始仿真。 ２仿真结果分析 图１单相桥式全控整流电路 １．２仿真教学分析 仿真结束后双击示波器模块，得到负载电压 ｕ 、电流， 波形，仅＝３０度时仿真波形如图３所 示，仅＝１５０度时仿真波形如图４所示。图３、图４ 为加深学生对感性负载电路工作过程的理 解，使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ电力系ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ仿真模 块，选取适当的电力电子器件模型搭建主电路、 中的波形依次为负载电压、 。、 脉冲信号、负 载电流。从图３可以看出，当仅＝３０度时，电压 过零时，由于电感的存在，豫。、 继续导通，电 流为正值，负载电压没有出现断续；图４中，当 ０【＝１５０度时电感不是很大，所以出现了负载电压 和电流断续情况。教学过程中，可任意调整电感 选取适当的通用仿真模型搭建控制和驱动部分 电路、给定初始化参数、启动仿真过程、仿真后端 数据处理和图形化等。根据单相全控桥式电路 的特点，建立仿真模型，包括主电路的仿真模型 和控制信号的脉冲发生模型两部分，单相全控桥 式的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ产生图的仿真模型如图２所示。 量的大小，也可调整控制角的大小，仿真各点波 形，直观明了，学生反映对电感负载加深了理解。 ☆忡】 ｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌｌ Ｉ ｌ ｒ一 … 一 …＿ｒ… 一… ～ … … … Ｉ ｌｌ Ｉ；ｌ ；Ｉ ； Ｉ ； 图２单相桥式全控整流仿真模型图” 仿真参数进行如下设置。交流电压源Ｖ。的 图３俚：３０度时仿真波形图 ・１２２・ 压进行ＦＦＴ分析，如图５所示，在触发角等于３Ｏ 度时，总谐波失真率ＴＨＤ＝１０３．７９％ 嘶ｌ忡’ ３结论 ｒ～■… …一Ｉｒ…；…“ …一 —Ｉｌ『…。 …一Ｉ『…一 ｌ ； Ｉ； Ｈ 』； Ｉ； 与课堂老师讲解方式相比，通过在电力电子 课程的教学实践中使用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真 环境，通过案例讲解，只要对模块的参数作相应 的修改，不需再重新构建仿真模型，便可得到各 输出量对应不同条件下的波形，使学生可以观测 到动态的电压、电流波形，可使学生了解到整个 图４ ｏＬ＝１５０度时仿真波形图 电路的工作过程，通过实际应用，能够充分调动 学生的思考积极性，提高电力电子教学质量，为 今后课程学习打下良好的基础，收到了事半功倍 的效果。 参考文献： ［１］王兆安，刘进军．电力电子技术（第５版）［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００９． ［２］林飞，杜欣．电力电子应用技术的ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２００９． ［３］张志涌，徐彦．Ｍａｔｌａｂ教程（７．０版本）［Ｍ］．北京：北京航空 图５ ＝３０度时输出电压谐波分析图 航天大学出版社，２００５． 仿真后，双击“ｐｏｗｅｒｇｕｉ”可对输出的交流电 Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｊｉａｏ Ｊｕｎｓｈｅｎｇ （Ｔｏｎｇｌｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｏｎｇｌｉｎｇ ２４４０６ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｃ ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄ ｃｏｕｒｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｈａｒｄ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ，ＳＯ ｉｎ ｔｈｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｑｕｉｔｅ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｌｅａｒｎ ｂｅｔｔｅｒ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｔａｋ— ｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｌｏａｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅ． Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｇｌｅ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｖａｌｕｅ ｃａｎ ｂｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎ ａ ｆｒｅｅ ｗａｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ［责任编辑：李慧慧］