电力电子技术虚拟仿真教学实验研究

󰀁󰀁󰀁

基于Matlab和PLECS的电力电子仿真实验教学

王󰀁武(许昌学院电气信息工程学院,河南许昌󰀁461000)

摘󰀁要:提出在电力电子技术课程教学中引入Matlab和系统级电力电子仿真软件PLECS进行辅助教学的新方法,结合SEPIC斩波电路,分析了该实验教学的特点和具体思路。基于Matlab和PLECS的辅助实验教学方法能够加深学生对理论知识的理解,克服传统模拟实验教学实验装置数量不足和创新不足的缺点。关键词:Matlab;PLECS;仿真实验;教学改革;电力电子实验教学中图分类号:TM743;G642󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁文章编号:1002󰀁4956(2011)06󰀁0110󰀁03

ExperimentteachingforpowerelectronicssimulationbasedonMatlabandPLECSWangWu(SchoolofElectro󰀁informationEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000,China)Abstract:ThesimulationsoftwareofMatlabandPLECSisintroducedintopowerelectronicsteachingandappliedintoSEPICchoppercircuit,andteachingpracticeshowsthemethodcanstrengthentheunderstandingofthecourse,andcounteracttheweaknessesofthesimulatedexperimentdeviceshortageandwithlowinnovationpoint.Keywords:Matlab;PLECS;simulation;teachingreform;powerelectronics

第１４卷第４期　２００６年１２月　厦门理工学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉａｍｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．１４　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２００６　

基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ《电力电子技术》虚拟实验的设计　

郑雪钦　

（厦门理工学院电－Ｚ－－￣电气工程系，福建厦门３６１００５）　

［摘要］基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ建立虚拟实验，改进传统实验中只是静止不变的波形，使学生对动态响应　过程有了更深的了解，而不再是抽象的内容．这样不仅能激发学生学习本课程的兴趣，而且提高教学效果．　

［关键词］《电力电子技术》；ＳＩＭＵＬＩＮＫ；传统实验；虚拟实验；设计　［中ｆ！ｌｔ／，－１．类号］ＴＰ　３９１．９　［文献标识码］Ｃ　［文章编号］１００８—３８０４（￣ｏｏ６）０４—０１０６—０３　

０引　言　

《电力电子技术》是电气工程与自动化专业的一门专业必修课，主要研究各种电力电子电路的结　

构、工作原理、计算方法、控制方法等．教学内容以电路为主线，以波形与相位分析方法贯穿始终，　

是一门实践性很强的专业基础课程．教师在课堂教学过程中，常常将大量的时间花费在画电路图及波　

形上，而且波形绘制不是很精确，影响了教学进度和效果．学生也常感到教学内容繁杂，原理抽象，　

教学效果不佳．目前几乎所有学校对该课程的教学，均采用理论与实验相结合的教学模式．而且大部　

分院校都仅利用挂件结构或实验箱来完成实验，几乎所有的电路和系统都是封闭式．这种常规的实验　过程首先是学生预习，其次是在做实验前老师讲解，再者是学生动手做实验．但是这种实验方法常存　

在下列缺点：学生在作实验预习报告时常常是机械地抄写实验指导书中的步骤，无法达到预习的目　

的；学生对电路的结构了解不够，几乎是在老师或实验指导书的指导下机械式连线，机械式读取实验　

数据，再套用公式，分析实验数据和波形；即使不了解电路的工作原理，因只要在连线正确、实验仪　器完好的情况下也能完成实验，同时，只要设备稍有不适或连线稍有问题，学生就不假思索地询问老　

墨曼　Ｑ兰：　望　ＣＮ１　１—２０３４／Ｔ　实验技术与管理　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　第３３卷第７期２０１６年７月　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．７　Ｊｕ１．２Ｏｌ　６　ＤＯＩ：１０．１６７９１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｊｇ．２０１６．０７．０３０　基于Ｐｌｅｃｓ的电力电子电路热一电仿真教学研究　唐圣学，李占凯，陈　丽　（河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津３００１３０）　摘　要：提出基于Ｐｌｅｃｓ平台的主电路热一电联合建模仿真的辅助教学新方法，该方法采用热路理论和Ｐｌｅｃｓ　热量收集器概念搭建主电路热一电仿真模型，其中热路模型采用ＲＣ热网络模型，控制模型采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模　型。以降压斩波电路为例，说明基于Ｐｌｅｃｓ平台的仿真教学具有建模简单、灵活、直观的优点。所建模型能同　时获取主电路热一电仿真结果，热一电仿真能快速加深学生热知识理解。　关键词：电力电子电路；热一电仿真模型；教学研究；Ｐｌｅｃｓ　中图分类号：ＴＮ７１０；ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—４９５６（２０１６）７－０１２６－０３　Ｔｈｅｒｍａｌ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅａｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｌｅｃｓ　Ｔａｎｇ　Ｓｈｅｎｇｘｕｅ，Ｌｉ　Ｚｈａｎｋａｉ，Ｃｈｅｎ　Ｌｉ　（Ｐｒｏｖｉｎｃｅ－Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　Ｊｏｉｎｔ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａ１　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，　Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３０，Ｃｈｉｎａ）　１　关于电力电子电路的热仿真　电力电子技术是一门多学科交叉的专业课程，内　容涉及电力技术、电子技术、控制技术、热设计技术等。　在电力电子技术课程教学中，通常对主电路热知识只　做简单介绍，不做深入讲授。然而，在一些本科的创新　和综合性实验和毕业课程设计中，以及研究生课　程——高等电力电子技术课程中［１　］，热知识，尤其是　热设计，是必须掌握、不开回避的知识点，且与工程实　践密切联系［１］。快速、通俗地帮助学生掌握热设计知　识和技术具有重要意义。　目前，在主电路和控制环节的仿真理论教学和虚　拟实验教学方面，已能直观、通俗地完成仿真实验。很　收稿日期：２０１６－０１—１７修改日期：２０１６－０３—０２　基金项目：河北省自然科学基金项目（Ｅ２Ｏ１５２Ｏ２２６３）资助；河北省高教　学会高等教育科研课题（ＧＪＸＨ２０１５—２７６）资助　作者简介：唐圣学（１９７６一），男，湖南蓝山，博士，副教授，研究方向为电　力电子技术及教学、智能电网．　Ｅ－ｍａｉｌ：３５７６２１８７＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　多高校在电力电子技术课程教学中引入系统级电力电　子仿真软件，例如Ｐｌｅｃｓ、Ｓａｂｅｒ、Ｍｕｌｔｉｓｉｍ、Ｐｓｐｉｃｅ、Ｍａｔ－　ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、Ｐｓｉｍ等，都取得了较好的效果＿４　］。然　而，目前仿真教学研究的内容主要针对的是电力电子　技术教学中的主电路和控制环节的建模仿真问题，而　涉及电力电子电路的热仿真问题、热一电联合仿真问题　的教学研究成果较少，且建模复杂、难以理解。例如：　文献［１０］采用宏模型技术建立了一种新型的晶闸管　ＰＳｐｉｃｅ电热模型，包含热模型和电模型，但是需要专　业Ｓｐｉｃｅ理论建模技术，只适应于器件级仿真，不适合　电路级、控制级的热点联合仿真及教学。　考虑到目前许多设备无法有效开展热一电实验，以　及传统电力电子技术教学中偏重主电路、控制技术而　对热一电教学重视不足，笔者提出将Ｐｌｅｃｓ平台应用于　电力电子电路的热一电知识教学中。在教学中，采用　Ｐｌｅｃｓ平台的热收集器ＨｅａｔＳｉｎｋ概念和热路理论搭建　主电路热一电联合仿真模型，使主电路的热一电现象形　象化、直观化；深度结合Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ平台，使调　～～　一～一　一　ｇ∞　一　～　一　．蓍～一一～　一一～一一詈血出．Ｊｍｍ　幻　一一ｌ一　血　＿骂　．莩　一一　ｏ　ｅ　ｍ一～～　一　～　ｎ－＿．　一　ｍ呲　ｐ∞ｍ　¨．　盯　一：　ｍ　血　－暑　＝董　一　～～～一一一一　唐圣学，等：基于Ｐｌｅｃｓ的电力电子电路热一电仿真教学研究　制控制以及波形处理能力得到提升。仿真模型设计灵　活、操作简单，有利于学生搭建复杂电路模型，实现创　新思维的发挥；“热、电、控”三位一体的联合仿真教学　也有助于增强学生对原理性知识的理解。　２基于Ｐｌｅｃｓ平台的电力电子电路热一电仿真　２．１可用于热一电仿真的软件比较分析　用于电力电子技术电路仿真的软件可分为两类。　一类是电路级的专业软件，如Ｏｒｃａｄ／Ｐｓｐｉｃｅ、Ｍｉ—　ｃｒｏ—Ｃａｐ、Ｐｒｏｔｅｌｌ、Ｍｕｌｔｉｓｉｍ、ＥＭＴＰ、Ｓａｂｅｒ等通用的大　众化软件［１¨，以及ＴＩ公司的ＴＩＮＡ－ｓｐｉｃｅ软件等由公　司自己开发、针对自己产品的个性化软件。这类软件　仿真精度高，但仿真速度慢，应用范围侧重于电子电　路。将它们用于电力电子电路的仿真控制技术时难以　实现，且灵活性差。　另一类是Ｐｓｉｍ、Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ等系统级仿真　软件［１　。这类软件主要用于电路和控制系统的行为　仿真，特点是灵活、速度较快，但精度低。　这两类软件在工程实践中均得到了广泛应用，也　被广泛应用于电力电子电路仿真教学中，但是应用于　热一电联合仿真时存在概念不明确、建模复杂等问题。　此外，采用有限元技术的三维热一电联合仿真软件，如　Ｐ　（ａ）Ｃａｕｅｒ网络　ＡＮＳＹＳ，建模比较复杂且只能进行器件级仿真。　Ｐｌｅｃｓ是一个可应用于多领域的系统级仿真软件，　其嵌入版实现了与Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ完全无缝嵌入，　具有系统设计灵活、仿真速度快、稳定性好［４］、非常适　合热一电联合仿真的特点。在热一电联合仿真中，Ｐｌｅｃｓ　引入了独特的热收集器ＨｅａｔＳｉｎｋ概念，以及采用类似　于电路的热路理论的建模方法，使电力电子技术的热一　电原理与概念形象化，使原理性内容更直观地展示出　来，使热一电联合建模更容易理解。　２．２　Ｐｌｅｃｓ平台的热路仿真原理　电力电子主电路的热路模型常采用ＲＣ热网络模　型，分为Ｃａｕｅｒ网络和Ｆｏｓｔｅｒ网络，如图１所示。在　图１所示ＲＣ热网络模型中，＿Ｐ为热源，类似于电路中　的电流源；温度Ｔ类似于电位，温差△Ｔ类似于电压。　同理，热阻Ｒ如类似于电阻，热容Ｃ如类似于电容。　为　功率器件结温，Ｔａ为环境温度（类似于电路中的地电　位）。Ｐｌｅｃｓ引入热收集器ＨｅａｔＳｉｎｋ，用于收集器件损　耗功率，在ＲＣ热网络模型中类似于电路中的电流源，　即热源Ｐ，大小为热收集器所涵盖的所有器件损耗功　率总和，其中器件损耗功率可通过查表法和模型计算　法获取。利用电路理论知识，容易获取各点温度和器　件结温。　Ｐ　瓣：　图１　ＲＣ热网络　为了实现上述热路仿真，Ｐｌｅｃｓ开发了相应的独立　Ｔｈｅｒｍａｌ模块库，其基本元件包括热收集器Ｈｅａｔ—　Ｓｉｎｋ、热阻Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｒｅｓｉｓｔｏｒ、热容Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃａｐａｃｉ—　ｔｏｒ、热链Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃｈａｉｎ、热流仪表和热流常数等模　块，这些模块与图１中热阻热容对应。利用这些热元　件和电路理论知识，学生很容易搭建各种热路模型。　３基于软件Ｐｌｅｃｓ的仿真教学实例　３．１降压斩波电路　以降压斩波（Ｂｕｃｋ）电路为例，说明Ｐｌｅｃｓ平台在　热一电联合仿真教学中的应用。Ｂｕｃｋ电路是ＤＣ—ＤＣ　变换器中的典型电路，也是教学重点。Ｂｕｃｋ电路如图　２所示，在电感电流连续情况下，电压　。为　一　！！　ＥＵｏ　－ｗ，　＝ａＥ一　一　式中，　为开通时间，‰为关断时间，ａ为占空比。开　关管（功率管Ｖ和二极管Ｄ）在导通期间和开关过程　中产生损耗，损耗大小跟开关频率、负载等有关。负　（ｂ）Ｆｏｓｔｅｒ网络　Ｒｔｈ，　一＿＿ｒ－｛＝］１　ｌ　ｃ　Ｉ　一　。上　Ｖ　Ｌ　图２　Ｂｕｃｋ电路　载越大、开关频率越高，开关管损耗越多，即发热量　越大。热能通过热路向外传递，导致温度变化。为　了保证电路能正常工作，需要保证器件结温在安全　工作范围内。　３．２　Ｂｕｃｋ电路Ｐｌｅｃｓ热－电联合模型　图３给出了Ｂｕｃｋ电路热一电系统仿真模型，模型　可分成两部分：一部分是调制脉冲波生成、数据波形输　出处理以及仿真条件设置等，这部分采用Ｍａｔｌａｂ／　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模，可充分利用Ｍａｔｌａｂ在控制和信号处　理技术的优势；另一部分为主电路及热路部分，这部分　采用Ｐｌｅｃｓ完成，可充分利用Ｐｌｅｃｓ在仿真速度、热一电　联合建模方面的优势。　

第２３卷，第３期　２００７年６月　天津理工大学学报　ＪｏＵＲＮＡＬ　ｏＦ　ＴＩＡＮＪＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ｏＦ　ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ　Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　

文章编号：１６７３—０９５Ｘ（２００７）０３．００４１．０４　

电力电子电路机理仿真实验系统的初步研究　

潘　晖，刘　浩，魏克新　（天津理工大学自动化学院，天津３００１９１）　

摘要：把建立电路方程的一般方法一表矩阵法，应用于带开关器件的电力电子电路，通过把电路中的开关元件视　为理想开关，并将其作为一个电路元件包含在电路中，建立起统一的电路方程，采用向后欧拉法对其进行数值求解．　电路的表矩阵方程的系数矩阵通常是稀疏矩阵，需要采用稀疏矩阵技术进行计算机仿真．最后用一个实例，单象限　降压型电路（Ｂｕｃｋ电路）的仿真，说明了这种方法在实际应用中的可行性和有效性．　关键词：仿真方法；电力电子电路；表矩阵法；理想开关　中图分类号：ＴＰ３９１，９　文献标识码：Ａ　

Ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｔｕｄｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　

ＰＡＮ　Ｈｕｉ，ＬＩＵ　Ｈａｏ，ＷＥＩ　Ｋｅ—ｘｉｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１９１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｔａｂｌｅ　ｍａｔｒｉｘ　ｍｅｔｈｏｄ，ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｗｉｔｈ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｉｔ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ｕｎｉｆｉｅｄ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｕｃｈ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｂｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｓ　ｉｄｅａｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｔｈｅｎ　ｓｏｌｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｗａｒｄ　Ｅｕｌｅｒ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｍａｔｒｉｘ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔａｂｌｅ　ｍａｔｒｉｘ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｉｓ　ａ　ｓｐａｒｓｅ　ｍａｔｒｉｘ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｐａｒｓｅ　ｍａｔｒｉｘ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｕｃｋ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｔｏ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ；ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ；ｔａｂｌｅ　ｍａｔｒｉｘ　ｍｅｔｈｏｄｓ；ｉｄｅａｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ