文小琴，毕淑娥，游林儒

(华南理工大学1.自动化科学与工程学院2.电信学院，广东 广州510641)

“电力电子技术”是现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课程，在培养本专业人才中占有重要地位[1]。该课程内容多，知识面广，信息量大，在有限的学时内用传统的教学方法去授课，教学效果不是很理想。如何能做到最大限度地提高单位学时的信息量，培养学生的学习兴趣和能力，提高教学质量，是该课程实验教学所面临的挑战[2]。为了使学生能更直观、高效地理解和掌握所学知识，本文引入了电力电子虚拟实验，在建模仿真的过程中将抽象的理论知识变成直观的感性认识，取得了较好的教学效果。

1 软件介绍

Matlab是以矩阵为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。

Simulink是Matlab软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与用户的交互接口是基于Windows模型化图形输入。

Simulink中的电力工具箱 SimPowerSystems是专为电力电子和电气传动系统仿真设计的。它包含有开关装置和部分电力电子转换器等[3]。转换器的开关器件是基于由V-R-L支路组成的微模型结构，为使开关器件正常工作，一般在开关器件两端并接R-C吸收电路。

Matlab的图形用户界面GUI(Graphical User Interfaces)是一种包含多种图形对象的界面，是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过鼠标或键盘选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，实现计算、绘图等。

2 电力电子技术仿真平台的设计

本文基于Matlab的Simulink库构建了电力电子技术仿真实验平台，实验软件中包括典型电力电子电路(如整流电路、触发电路、有源逆变电路、交流变换电路、直流斩波电路以及无源逆变电路等)的数学模型、Simulink仿真模型与Matlab仿真程序，可供学生学习和实验使用。该实验系统可简洁地、直观地让学习者独立地完成电力电子变流电路的仿真实验，使理工科学生尽快掌握电力电子方面的专业知识[4]。

电力电子仿真平台总体设计如图1所示。我们利用Simulink建立电路模型，并对其参数进行整定，完成其电路仿真，而后利用Guide设计用户操作界面GUI，并利用其M函数文件调用各个模型的分M函数文件，再由这些M函数文件调用Simulink模型进行仿真，通过将仿真结果数据输出到工作空间进行绘图并显示在用户界面中。该设计可使计算机辅助教学CAI结构完整，并可使用户能够自由使用。

图1 电力电子仿真开发平台总体设计

3 典型电路的仿真实验系统设计

本文将以三相桥式全控整流电阻性负载电路为例来阐述平台的构建并按如下步骤进行运行。

1)Simulink模型建立

三相桥式全控整流电路在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均需有触发脉冲，一般采用双窄脉冲触发。而后将所需元器件拖到模型中，并通过鼠标完成信号线的连接并检查，即完成模型的初步编辑，如图2所示。

图2 三相桥式全控整流SIMULINK模型

2)参数设计

依次点击Simulation-Configuration Parameters，打开仿真参数设置对话窗口，进行参数设计。考虑到电路周期为0.02秒，将仿真时长设为0.1秒，即可满足波形的稳定和便于进行分析;仿真步长模式选择为Variable-step(变步长)方式，可以在仿真过程中改变步长，提供误差控制和过零检测选择;Solver选用ode23tb(stiff/TR-BDF2)算法，这里的TR-BDF2是具有两个阶段的隐式龙格-库塔公式;其他选项保持不变即可。参数设置完成后，点击仿真按钮即可开始仿真，得到仿真波形。

3)用GUI对系统进行界面设计

单击菜单编辑器可进入菜单的编辑，并通过单击“view”来查看回调函数，进行回调函数的编辑。如图3所示。

图3 电力电子仿真平台的GUI的菜单编辑器

设计好界面后，在控制面板上点击三相桥式全控电路，即可回调对应函数，进行三相桥式全控整流电路在纯电阻负载情况下的仿真，其界面布局如图3所示。从该图即可直观地看到电路图，也可以设置控制角，点击开始按钮，就可以进行仿真，可以查看每个开关器件及负载两端的电压波形及流过每个器件的电流波形。图4的右侧为在控制角a=0°时，三相全控桥在纯电阻性负载情况下，负载及晶闸管承受的电压和电流波形图。

图4 电力电子仿真平台的GUI界面布局

4 结语

本文介绍的电力电子技术仿真平台可方便地把单一的实验内容和类型扩展为内容丰富、层次分明的实验训练。整个实验教学更充实完善，不但深化了对理论的理解，而且引导学生步步提高，通过软硬结合、相互补充的方式强化了对学生工程实践能力的培养，加强了实验力度。

变流电路在不同控制角下，负载电压、电波波形以及晶闸管两端的电压等波形均会有相应的变化。而在传统的教学和实验方式中，由于设备昂贵需要投入大量资金且占有很大场地，实验结果有时出现手工绘图也不够准确.也不能同一时间内画出多个波形，且一旦改变控制角，各个波形均要重做，费时费力。将计算机辅助分析软件引入到电力电子教学中，可使学生在仿真平台上对电路进行分析计算，提高了学习效率。

[1]赵涛等;PSpice在电力电子技术教学改革实践中的应用[J]，天津，电力系统及其自动化学报，2009年12期。

[2]胡晓倩，李山，张连;基于平台创新的电力电子技术实验教学体系改革[C]，2012创新教育会议，上海。

[3]李兴宁，陈震，王书杰;电力电子技术实践教学的改革[J]，上海，实验室研究与探索，2008年1期。

[4]李久胜等;研究型大学中“电力电子技术基础”课程改革[J]，南京:电气电子教学学报，2010年2期。