Saber在電力電子技術(shù)教學(xué)改革中的應(yīng)用

陳 萬 丁衛(wèi)紅 周恒瑞

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223001）

使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制形成了一門新的工程學(xué)科——電力電子技術(shù)，該學(xué)科涉及電子學(xué)、電力學(xué)與控制科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[1-2]，在教學(xué)過程中，要求學(xué)生掌握基本的電力電子變換理論和學(xué)會(huì)簡單電力電子變流電路的計(jì)算和設(shè)計(jì)。

多數(shù)本科院校在電力電子技術(shù)教學(xué)中將電力電子變流電路作為教學(xué)重點(diǎn)[3]，一般根據(jù)電路輸出波形討論各類電路的工作原理及相關(guān)特性，通過一些典型電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深學(xué)生對(duì)電路的理解，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、經(jīng)費(fèi)和人員等的限制，電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)所能開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有限，且因?qū)W生只注重記錄波形、數(shù)據(jù)，忽視電路理解，實(shí)驗(yàn)效果不好[4-6]。

近幾十年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到了越來越多的重視，其優(yōu)點(diǎn)在于采用對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算分析代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，它是目前復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的經(jīng)濟(jì)有效的手段[7-9]。在電力電子技術(shù)的課堂教學(xué)中，我們應(yīng)用仿真的優(yōu)點(diǎn)，探索了在理論教學(xué)過程中引入仿真的教學(xué)手段。教學(xué)過程中引入了Saber 軟件對(duì)具體電力電子電路仿真演示，可以吸引學(xué)生主動(dòng)的投入到學(xué)習(xí)中，從而活躍課堂教學(xué)氣氛，提高學(xué)生對(duì)枯燥理論的學(xué)習(xí)興趣，更好地培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

1 Saber 的特點(diǎn)及其應(yīng)用

Saber 是美國Synopsys 公司于1986 年開發(fā)的一款EDA 軟件，在電力電子技術(shù)教學(xué)中可用來分析和設(shè)計(jì)DC/DC、AC/DC、DC/AC、AC/AC 四種基本的電力電子變流電路，和其它仿真軟件相比具有如下特點(diǎn)。

（1）強(qiáng)大的圖形查看功能，在電力電子電路的仿真中，可以觀察電路中任一節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流波形方便了電路的設(shè)計(jì)；

（2）軟件中提供的電力電子元器件模型比較全面，對(duì)電路建模基本上精確到具體器件級(jí)，仿真結(jié)果和實(shí)際電路非常接近；

（3）Saber 內(nèi)部的多種仿真算法可以很好地解決仿真系統(tǒng)收斂性問題，尤其是對(duì)于含有較多非線性環(huán)節(jié)的電力電子變流電路具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 Saber 模型建立方法

圖1 示出了引入Saber 仿真教學(xué)法的基本流程，結(jié)合具體電力電子變流電路，先分析電路組成、各個(gè)部件的作用以及功率器件的導(dǎo)通次序，再利用Saber 虛擬元件連接組成仿真模型，讓學(xué)生自己操作仿真軟件，對(duì)該電路仿真分析，觀察電路的輸出電壓電流等波形，加深對(duì)電路的理解，修改相應(yīng)控制參數(shù)，同步考察輸入輸出波形的變化，使得枯燥的電力電子波形分析法更容易接受；最后將實(shí)際電路的一些非理想因素，諸如線路寄生參數(shù)、線路故障等，引入到仿真模型中分析討論，可以拓展對(duì)電路的認(rèn)識(shí)，為具體電路設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖1 電路仿真分析流程

3 三相橋式全控整流電路的Saber 仿真

3.1 三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路在諸如電解和電鍍等大功率整流場合有著廣泛應(yīng)用，也是相控整流電路教學(xué)中的關(guān)鍵內(nèi)容，要求掌握電路工作原理、基本工作狀態(tài)、輸入輸出參數(shù)的定量關(guān)系以及一些關(guān)鍵輸入輸出波形。與單相、三相半波可控整流電路相比，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作狀態(tài)多，在實(shí)際教學(xué)中，采用PPT 教學(xué)方式給學(xué)生展現(xiàn)不同觸發(fā)角及不同負(fù)載時(shí)輸入輸出波形，學(xué)生在課堂教學(xué)中很難跟上教學(xué)節(jié)奏，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)都會(huì)回到簡單的記憶波形和公式，大大降低了知識(shí)的連貫性，實(shí)際教學(xué)效果不太理想。

3.2 模型建立及仿真分析

圖2 三相橋式全控整流電路Saber 仿真模型

圖2 所示的三相橋式全控整流電路仿真模型由三相電源、三相晶閘管整流橋、6 個(gè)獨(dú)立同步脈沖發(fā)生模塊和負(fù)載模塊組成。觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角可以通過設(shè)置6 個(gè)脈沖模塊的參數(shù)實(shí)現(xiàn)，而調(diào)節(jié)負(fù)載R、L和直流電壓源Edc 的參量可以改變負(fù)載功率大小及負(fù)載性質(zhì)，仿真的直流側(cè)電壓、電流以及輸入的交流電流可以在看圖工具CosmosScope中通過選擇相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)和支路看到。

表1 電路仿真主要參數(shù)

在表1 給出的仿真參數(shù)條件下，觸發(fā)角為0 度時(shí)的輸出電壓Udc波形及流過六個(gè)晶閘管（VT1～VT6）的電流波形如圖3，根據(jù)晶閘管的觸發(fā)次序以及圖3 中電壓電流波形可以看出三相橋式整流電流電路一個(gè)周期由六個(gè)工作狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)輸出電壓與導(dǎo)通的晶閘管次序如表2 所示。

圖3 三相橋式全控整流電路阻性負(fù)載時(shí)，不同觸發(fā)角時(shí)輸出電壓波形

表2 三相橋式全控整流的6 個(gè)工作狀態(tài)

從仿真輸出波形看出三相橋式全控整流電路一個(gè)周期中輸出6個(gè)完全對(duì)稱的脈波，所以也稱為6 脈波整流，圖4 給出了觸發(fā)角分別為30°、45°和60°的輸出電壓波形，由圖看出在觸發(fā)角α≤60°范圍內(nèi)輸出電壓連續(xù)，并且由圖中的平均電壓看出，輸出電壓隨著α 增大而減小。

圖4 不同觸發(fā)角的輸出電壓波形

3.3 電路原理的討論

回到對(duì)輸出波形的分析，輸出直流電壓由6 個(gè)線電壓uab，uac，ubc，uba，uca，ucb，包絡(luò)組成，并且代表了該電路的6 個(gè)工作狀態(tài)，由輸出波形定量計(jì)算輸出電壓平均值和觸發(fā)角α 之間的關(guān)系，輸出電壓連續(xù)如表達(dá)式（1），斷續(xù)為表達(dá)式（2）。

除了輸出電壓波形，交流側(cè)電流和晶閘管的電壓電流波形也可以由圖2 所示模型設(shè)置相關(guān)參數(shù)仿真得到，由此得出三相橋式全控整流電路6 個(gè)晶閘管的觸發(fā)時(shí)序，并且分析其工作模態(tài)。設(shè)置負(fù)載RL 的參數(shù)，可以考察該電路在阻感負(fù)載以及反電勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作特征，為實(shí)際電路的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3.4 三相橋式全控整流電路的拓展分析

圖5 VT6 觸發(fā)信號(hào)丟失輸出電壓

三相橋式全控整流電路在實(shí)際應(yīng)用常會(huì)有一些非理想的工作狀態(tài)，比如晶閘管或觸發(fā)電路故障、線路中寄生阻抗的影響、非理想條件下輸出電壓電流的控制，這些工作狀態(tài)都可以通過Saber 仿真模型設(shè)置相關(guān)參數(shù)仿真模擬，從而可以更全面的理解該電路的工作原理，以及為設(shè)計(jì)電路奠定基礎(chǔ)，下面以晶閘管故障為例，討論其輸出波形特征。圖5 示出α=0°阻性負(fù)載時(shí)，VT6 故障或其觸發(fā)信號(hào)丟失的輸出波形，由圖看出輸出電壓只有4 個(gè)脈波，在Uca 和Ucb交點(diǎn)為VT4 到VT6 的換相時(shí)刻，而由于故障VT6 不能導(dǎo)通，直流側(cè)繼續(xù)輸出Uca 直到VT4、VT5 電流過零而關(guān)斷，再過60 度VT1 和VT2導(dǎo)通，進(jìn)入正常換相區(qū)間，輸出線電壓Uac，Ubc、Uba、Uca，如此形成一個(gè)完整周期。

4 結(jié)束語

本文討論了在電力電子技術(shù)的課堂教學(xué)中，引入了Saber 仿真的教學(xué)改革方案，以三相橋式全控整流電路為例，創(chuàng)建了Saber 仿真模型，設(shè)置不同的仿真參數(shù)，分析得出的仿真波形可以更有效地促進(jìn)學(xué)生對(duì)電力電子電路的理解，通過教學(xué)試點(diǎn)取得了良好的效果，總結(jié)該教學(xué)法具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）有效地避免了傳統(tǒng)的灌輸教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和研究的積極性，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維有積極意義；

2）改變了學(xué)生電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)備因素的制約，并且Saber仿真對(duì)電路分析的靈活性和精確性也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以比擬的；

3）Saber 仿真是對(duì)傳統(tǒng)的枯燥理論教學(xué)形成有益補(bǔ)充，讓電力電子電路的復(fù)雜的波形變得形象生動(dòng)，易于接受和理解。另外通過教師演示和學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試，進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)，改善課堂教學(xué)氣氛同時(shí)還能很好地提高學(xué)生主動(dòng)思考問題、總結(jié)問題和解決問題的能力。

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