仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用

　　摘要：教学实践证明，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。针对传统实践教学中对仿真技术理解不够全面的问题，研究了仿真技术在各个实践教学环节中的作用，理清了如何利用仿真技术提高电力电子技术实践教学效果的思路，探讨了仿真技术在教学过程中辅助教学、系统认知、工程实践等环节的作用，为培养具有创新能力的工程应用型人才提供了帮助。

　　关键词：仿真技术；实践教学；工程应用；辅助教学

　　一、仿真技术在实践教学过程的应用

　　电力电子技术是电气工程与自动化专业不可缺少的一门核心课程，该课程综合了弱电和强电两个大的领域，应用广泛。随着电力电子器件的快速发展，电力系统中电力电子的使用越来越广泛，比如发电單元侧的光伏、风电等新能源并网发电；输电网中的柔性交流输电、远距离大容量高压直流输电；负荷侧的电动汽车充放电、电动机的变频调速等。小功率的电力电子系统应用也很广泛，比如日常家用电器中的开关电源等。电力电子技术的综合性、应用性和实践性很强，不仅要求学生掌握电力电子拓扑电路的基本原理和计算方法，更重要的是培养学生具备工程应用的电力电子系统的综合分析、设计和创新能力。因此，实践教学是现代电力电子技术教学过程中的一个十分重要的环节。

　　传统的电力电子技术实践教学受限于硬件实验装置和更新速度，已不能较好地满足教学要求，仿真技术恰好是弥补硬件实验条件不足的一种有效工具。在电力电子教学过程中引入仿真技术不仅能够提高教学效果，而且也有利于培养学生的实践动手能力。不仅能加强基于电力电子器件的基本变换电路的理解和分析，还能够模拟各种被控制对象和控制原型，以满足相关应用领域的开发设计和测试需求，加深学生从装置级和系统级等多角度对电力电子电路进行理解和认知。目前，教学中常用的电力电子仿真软件选择较多，结合本校学生实际情况，在实践教学中主要采用资源开放的MATLAB仿真软件，同时，也鼓励同学接触其他软件平台，比如PSCAD、中国电力科学研究院的综合程序PSASP等。

　　二、课程实验环节

　　课程实验教学首要目的是帮助学生深刻理解理论课堂所讲的知识，课程实验学时一般安排的有8个学时。电力电子学课程主要是讲4种基本变换电路，其中，整流、逆变和直流斩波电路是重点，另外，变化电路的控制环节也是重点，晶闸管的触发延迟角及常规的脉冲宽度调制（PWM）控制技术是学生必须掌握的基本知识。安排的实验学时较少，不能很好地完成实验教学环节任务。本校很早就建立了专业的电力电子与电力拖动实验室，硬件实验效果较好，但随着时间的推移，设备的更新与维护换代比较慢，且硬件实验项目较难扩展，综合性、设计性实验项目较少，学生对硬件试验台内部电路和接线缺乏感性认识，导致理论难以联系实践，对出现的问题不能进行正确分析和解决。因此，结合理论课堂讲授情况，需要积极调动学生学习积极性。

　　三、常用的电力电子仿真软件的特点及对比分析

　　Matlab软件应用广泛，也适用于电力电子技术仿真，其中的Simulink作为一个可视化的仿真工具，为用户提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境[3]。由于这个环境的存在，使用户不需要编程，只需要通过简单的鼠标操作调用元器件，即可对所需的系统进行仿真。Simulink中的SimPowerSystem工具箱是针对电力系统仿真的工具箱，元器件非常全面，如三相桥、三相电源、变压器等都有完整的模型，但是这些模型均只考虑了自身的主要电磁特性，而忽略了其他因素的影响，因此可看做理想的器件模型，由此可见，Simulink适用于原理性的验证。例如，电力电子课程中重要的开关器件在不同的变流电路中均需要相应的控制策略，如逆变电路中的PWM控制方法，此时采用Matlab建立控制系统数学模型就显得更加直观，而且无需考虑器件级的影响。PSPICE软件是公认的电路模拟软件中最有应用前景的软件[4]。因为它不仅可以绘制电路图、对电路进行模拟仿真，还可以完成元器件的符号制作以及图形图像的处理。该软件更适用于器件级的仿真，仿真速度较快，且仿真波形的精确性更高。PSPICE特别适合在讲授电力电子器件功能时使用。电力电子器件的特性对学生而言是抽象的，因为我们看不到半导体器件内部的结构，看不到载流子的运动状况。因此，在讲述诸如电力二极管的动态过程、电力MOSFET的开关过程等内容时就显得枯燥乏味，此时不妨利用Pspice器件模型精确的优势，采用仿真分析的方法讲述该部分内容，器件上电压电流随时间变化的状况可通过仿真波形清晰地得到，帮助学生理解记忆。

　　四、Saber仿真软件

　　Saber软件是一款电子系统仿真软件，技术相对来说比较成熟，这款软件为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，可用于电源变换器的设计、伺服系统的设计、电路仿真、供配电设计、总线仿真[5]。将其应用于电力电子技术仿真时，可以完成电路的直流分析、交流分析、参数分析以及瞬态分析，其包含的器件模型与实际模型较为接近。而且，很多芯片厂商都为Saber提供了一一对应的器件仿真模型。该仿真软件的仿真结果与实验结果非常接近，不过初学者需要储备较多的电力电子课程的基础知识才能较好地掌握软件的使用。

　　三、结论与展望

　　应用于电力电子技术的计算机仿真软件的出现，不仅方便了学生学习枯燥抽象的理论知识，而且提高了学生学习的积极性，是对传统理论教学的很好补充，学生在有了丰富的直觉认识后，理论学习变得轻松，整个课程变得简明易学，而且可以不受场地、设备的限制和人身安全因素的影响，在教学中起到了事半功倍的效果，大量的仿真案例无形之中引导学生以应用的方向和目的来学习电力电子技术，为学生今后走向研发工作岗位提供了解决实际工程问题的一条实用途径。