基于Matlab/SimPowerSystems的电力电子研究型实验

余有灵, 徐志宇, 胡明忠

（同济大学 电子与信息工程学院, 上海 201804）

基于Matlab/SimPowerSystems的电力电子研究型实验

余有灵, 徐志宇, 胡明忠

（同济大学 电子与信息工程学院, 上海 201804）

利用Matlab仿真技术拓展了电力电子实验的深度和广度,为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,引导学生对仿真结果进行理论分析和定量推导,启发学生对非预期的实验现象进行思考和讨论,给出定性解释。通过研究型实验的系统化训练,激发学生探索的精神、自主学习的能力、观察和研究的科研素养,教学质量显著提升。

电力电子； Matlab/SimPowerSystems仿真； 教学改革； 研究型实验

电力电子技术是普通高等院校电气工程、自动化等专业的主干课程,既有繁复的理论推演分析,又有极强的工程实践性[1-2]。目前高校广泛采取课堂讲授理论与实验室操作实验相结合的教学模式[3],实验均选用典型电路,内容固化、老化、程式化,显然已无法满足新时期卓越人才的素质要求,亟待改进。

然而,电力电子实验涉及高电压、强电流、大功率设备,器件相对贵重、系统相对脆弱。综合考虑人员和设备的安全问题,很多院校尚不具备对全体学生开设探索性、研究型实验的客观条件。

各种电路仿真软件的出现为这一矛盾提供了全新的解决方案,已得到高校的高度重视和广泛应用[4-5]。例如文献[6]应用Saber强化对功率器件门极特性分析和驱动设计；文献[7]应用PLECS加深学生对降压斩波器中控制电路的理解；文献[8]以三相逆变电路为例,介绍了Simplorer在电力电子仿真实验中的应用；文献[9]应用Multisim仿真软件探讨了功率因数校正与提高的问题,文献[10]应用PSCAD/EMTDC开发了电力电子仿真实验教学平台。文献[11]归纳了Matlab仿真工具对辅助教学的意义。

受以上文献的启发,笔者利用Matlab/ SimPowerSystems工具箱,通过PBL（problem based learning）[12]的模式,引导学生积极开展仿真实验,进而与理论分析深入互补,为电力电子实验注入了探索性、研究性元素,有助于实现以学生为中心的自主学习。

1 教学案例——单相半波可控整流仿真实验

1.1 案例描述与分析

教学案例为单相半波可控整流电路对电感负载供电,其中L=20 mH,U2=100 V,求当晶闸管的触发角α=0和α=π/3时的负载电流Id,并画出整流输出电压ud与输出电流id的波形。

该案例为《电力电子技术》一书的习题3-1[13],要求分析整流电路在不同触发角时的工作过程,绘制输出电压、输出电流的波形,并计算输出电流的平均值。虽然此题只涉及单相电源和单一晶闸管,形式上是最简单、最基本的电路,但由于是驱动电感负载,与教材上给出的电阻负载、阻感负载的性质具有本质区别。学生无法套用现成结论求解,必须综合运用所学知识,做到由此及彼、举一反三。对于这样一个具有较强的探索性和研究性的习题,学生会感到有一定难度。笔者将该题作为典型案例,在教学实践中应用Matlab/SimPowerSystems仿真工具加以求解,并展开深层次的探究。

1.2 仿真实验

在Matlab环境中搭建单相半波可控整流电路的仿真模型（见图1）。各模块功能及参数设置见表1。

图1 单相半波可控整流电路的Matlab仿真模型

表1 单相半波可控整流电路的元件模型及参数设置

运行程序,得到当α=0和π/3时的仿真实验结果如图2所示。其中交流电源电压us、整流输出电压ud、电流id分别用黑色虚线、蓝色柱、红色柱表示。

2 实验结果分析

《电力电子技术》教材在“3.1.1 单相半波可控整流电路”一节中依次给出了带电阻负载和阻感负载时的电路工作情况。经过课堂讲解和课后复习,学生已建立了定性认识:

（1） 若是电阻负载,当晶闸管触发导通时,输出电压跟随电源电压；电源电压过0变负之后,晶闸管关断,输出电压保持为0；电流与电压始终同相位；

（2） 若是阻感负载,当晶闸管触发导通时,输出电压跟随电源电压；电源电压过0变负之后,晶闸管不能立即关断,输出电压继续跟随电源电压变负,直到电感电流降为0；电流总体上滞后于电压。

然而,如果学生对整流电路的理解仅仅停留在以上的定性阶段,就很难正确判断负载为电感时电路的工作情况,即使借助Matlab仿真直接得到如图2所示波形,也无法对其进行合理解释和说明。因此,笔者在教学中引导学生运用所学知识进行定量分析。

若将晶闸管视为理想器件,则整个电路在其导通、关断期间分别对应不同的线性系统,满足不同的微分方程。因此问题求解的关键在于确定2个微分方程各自成立的时间区间。设晶闸管的触发角为α,导通角为θ,则在一个周期[0,2π）内有

（1）

由于负载为电感,因此稳态时晶闸管在每个周期的起始和终止电流均为0,则由（1）解得

图2 单相半波可控整流输出电压、电流波形的仿真结果

（2）

故cosα=cos（α+θ）,即

α+θ=2π-α

（3）

（1） 当α=0时,θ=2π,

输出电压为

ω t, 0≤ω t<2π

（4）

输出电流为

ω t）,0≤ω t<2π

（5）

（6）

（2） 当α=π/3时,θ=4π/3

输出电压为

（7）

输出电流为

（8）

（9）

式（4）、式（7）分别与图2（a）、图2（b）中的电压波形相吻合；式（5）、式（8）与图2（a）、图2（b）中的电流波形相吻合；仿真所得电流平均值分别为22.45 A和13.67 A。式（6）、式（9）给出的结果为22.51 A和13.71 A,理论计算与仿真实验的结果基本一致。

3 非预期现象阐释

在自由仿真实验的过程中,如果细心观察,可以发现有非预期的电流、电压波形。

例如:给晶闸管设置不同的缓冲参数（Rs,Cs）,可能会导致其关断时刻电流、电压波形出现非单调的振荡过程。图3给出电源电压和Rs、Cs取不同数值时的整流输出电压波形。

图3 缓冲参数Rs、Cs对输出电压影响的对比研究

又例如:给晶闸管设置不同的正向导通压降（Vf）,会使电压、电流波形产生不同程度的下移,缩短导通时间,减小平均输出。图4给出了电源电压和Vf取不同数值时的整流输出电压波形。

对此,教师应鼓励学生做更加深入的思考分析和对比研究,使学生更加深刻地认识到理论分析时对器件所做的种种“理想化假定”与实际电路的差异,以及

图4 管压降Vf对输出电压影响的对比研究

实际器件在非理想状态下对系统性能的影响，从而激发学生的学习兴趣和主动思考的积极性,也培养了学生观察、分析、归纳、假说、验证等初步的研究能力。

4 结束语

本文以一道课后习题的求解为例,应用Matlab/SimPowerSystems仿真工具,设计带有研究性质的电力电子实验,培养学生的计算机应用能力、观察与归纳能力、思辨分析能力、乃至条理化表述能力,引导学生主动参与、积极思考,获得生动的体验,变机械式的验证为开放式的探索,学深用活电力电子知识。该实验在教学实践中取得了良好效果。

（

）

[1] 陈万,丁卫红,邬青海.“电力电子技术”课程理论和实践同步教学法[J].电气电子教学学报,2014,36（6）:93-96.

[2] 艾青,李时东.基于MATLAB的电气工程专业实验教学改革研究[J].中国电力教育,2014（35）:152-153.

[3] 陈新河,杨汉生,周波.《电力电子技术》全方位实践教学[J].自动化与仪器仪表,2015（3）:186-189.

[4] 曹勇,吴峰.电力电子技术复合型教学探索与实践[J].辽宁工业大学学报:社会科学版,2015,17（2）:129-132.

[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] 周凯,那日沙,王旭东.Saber在电力电子技术仿真中的应用[J].实验技术与管理,2015,32（3）:126-129.

[7] 王武,葛瑜.基于PLECS软件的电力电子仿真教学分析[J].实验技术与管理,2011,28（12）:109-111.

[8] 李文娟,程静思,黄怀翀.Simplorer在电力电子电路仿真实验中的应用[J].实验技术与管理,2014,31（11）:111-114.

[9] 谢晓霞,张权.功率因数提高的Multisim仿真和实验分析[J].现代电子技术,2015,38（1）:150-153.

[10] 李军徽,严干贵,任先文,等.突出电气工程专业特色的电力电子仿真系统[J].东北电力大学学报,2013,33（1）:172-175.

[11] 牛天林,樊波,张强,等.Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索,2015,34（2）:84-87.

[12] 卢怡,霍城宇.PBL模式在电子电路实验教学改革中的应用[J].常熟理工学院学报,2014,28（6）:115-117.

[13] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2014.

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

国家自然科学基金项目（71401125）；教育部博士点基金项目（20130072110045）；上海市重点课程建设项目；同济大学精品实验项目；同济大学实验教改项目

余有灵（1973—）,男,重庆,博士,副教授,同济大学电信学院实验中心主任,主要从事电力电子应用研究.

TM461.5,TP391.9

A

1002-4956（2015）11- 0118- 03