計算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

計算機(jī)仿真軟件在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

在能源電子課程中，有必要應(yīng)用于功率電子、電路分析、控制理論、磁性組件和無源元件等知識。電力電子技術(shù)是在模擬和數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但其內(nèi)容、分析方法和主要問題與小功率電子技術(shù)存在很大差異。在實踐教育中，當(dāng)學(xué)生們第一次接觸電氣電子時，他們往往會覺得這門課非常抽象，難以理解。因此，有必要引入更有效的教育方法。隨著計算機(jī)軟件仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,目前針對電力電子技術(shù)的仿真軟件不斷出現(xiàn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計當(dāng)中。近年來,電力電子仿真軟件也不斷被引入電力電子教學(xué)當(dāng)中,受到了師生的廣泛好評。文獻(xiàn)中提出在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中引入Pspice軟件來提高教學(xué)效果。文獻(xiàn)中介紹了在講述電力電子中功率二極管的教學(xué)內(nèi)容時,采用Pspice軟件仿真,不僅使得教學(xué)過程更加形象直觀,豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容,而且也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,實踐證明取得了較好的教學(xué)效果。文獻(xiàn)中作者介紹了在電力電子教學(xué)中應(yīng)用Saber仿真軟件的過程,以升壓有源功率因素校正電路為例,詳細(xì)給出了采用Saber軟件仿真的過程,作者指出采用在教學(xué)中引入該軟件后,使得分析過程更加直觀化、理論結(jié)果能夠可視化,達(dá)到了提高教學(xué)效果的目的。文獻(xiàn)中作者介紹了在教學(xué)過程中引入Matlab和Pspice軟件來加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解。在教學(xué)過程中引入計算機(jī)仿真軟件不僅能夠起到提高教學(xué)效果的需要,而且也有利于培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力,對仿真軟件的靈活應(yīng)用是當(dāng)代一個優(yōu)秀工程師必須掌握的技能之一。本文將針對目前常用的幾種電力電子仿真軟件,如Pspice、Saber、Psim、SIMetrix/SIMPLIS、Matlab,介紹其相關(guān)特點,并針對電力電子課程中不同教學(xué)內(nèi)容,提出應(yīng)選用不同的仿真軟件。一、其他常用軟件(1)Matlab軟件下有專門針對功率系統(tǒng)仿真的相應(yīng)工具箱PowerSystem,該工具箱建立了電力電子器件、無源元件、變壓器以及電動機(jī)等各種功率器件的理想模型,特別容易與Matlab下強大的數(shù)學(xué)運算功能接口,在算法和原理驗證方面具有獨特的性能,但對于電力電子器件模型仍為較理想模型,一般只用于原理性驗證。(2)Psim是一款小巧的專門針對功率系統(tǒng)仿真的軟件,包含了豐富的電力電子器件模型和一些常用的算法模塊,但該軟件用到的模型一般都為理想模型,與Matlab類似,一般也只用于算法和原理性的驗證。(3)Pspice和Saber軟件是市場上較為成熟的電子系統(tǒng)仿真軟件,能夠完成電路的直流分析、交流分析、參數(shù)分析以及瞬態(tài)分析,其包含的器件模型與實際模型較為接近,且各大功率器件和芯片廠商都提供了針對這兩個軟件的器件仿真模型,可以直接從廠商網(wǎng)站得到。采用這兩軟件,能夠得到與實驗特別接近的仿真結(jié)果,但這兩款軟件對于初次接觸電力電子課程的學(xué)生較難掌握,需要較多的基礎(chǔ)知識準(zhǔn)備。(4)SIMetrix/SIMPLIS軟件是一款體積較小的可用于電力電子仿真的專業(yè)軟件,其內(nèi)部提供了兩種仿真模式,一種是SIMetrix方式,與Pspice仿真算法基本相同,仿真速度較慢;另一種為SIMPLIS,采用分段線性化的求解方式,仿真速度較快。該軟件內(nèi)部包含了豐富的電力電子器件和控制芯片模型,并且能夠?qū)隤spice的相關(guān)模型,容易擴(kuò)展。該軟件仿真速度快,且能得到與實際較為接近的波形。二、在能源電子教育中應(yīng)用各種模擬軟件的應(yīng)用1.功率電路mosf電力電子器件特性的掌握是電力電子課程中關(guān)鍵的一部分內(nèi)容,該部分內(nèi)容中電子器件的工作原理雖然在模擬電子技術(shù)中有所涉及,但電力電子中關(guān)注的內(nèi)容與弱電電路中的器件不同,如二極管,高頻功率電路中更加關(guān)注二極管的反向恢復(fù)特性等,如功率場效應(yīng)器件(Mosfet),在功率電路中更加關(guān)注其開通關(guān)斷的特性。Mosfet的驅(qū)動電路設(shè)計往往是其能否可靠工作的關(guān)鍵,該部分內(nèi)容在教學(xué)時,可以利用Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等幾個軟件器件模型較為精確的特點,采用仿真分析的方法來講述該部分內(nèi)容,形象直觀,學(xué)生易于理解。如圖1中在研究驅(qū)動Mosfet時,由于門極驅(qū)動走線引起的電感對驅(qū)動波形的影響,圖1中L1為走線電感,R2為門極電阻,圖1中給出了當(dāng)R2為5歐姆和50歐姆時Mosfet管門極上的電壓波形,從圖中可以看出,當(dāng)門極電阻較小時,容易引起驅(qū)動電壓的振鈴現(xiàn)象,當(dāng)R2為50歐姆時,振鈴現(xiàn)象消失,但驅(qū)動速度會相應(yīng)變慢。學(xué)生通過仿真演示或自己動手仿真,能夠?qū)ζ骷南嚓P(guān)特性有更加直觀的理解。2.psim分析軟件電力電子課程中,介紹了大量的拓?fù)潆娐?在分析這些電路時,都需要對電路中各個器件在不同時刻的電壓和電流波形進(jìn)行分析,這時一般都為電路的工作原理講解,不需要對器件的特性進(jìn)行考慮,可以在理想器件模型下進(jìn)行分析。如在相控整流、DC/DC變換這兩部分內(nèi)容,有大量的波形分析,這時可以借助于Psim分析軟件來完成,該款軟件操作和設(shè)置十分簡單,學(xué)生較為容易掌握。如圖2為對Boost升壓電路原理進(jìn)行仿真的電路圖和得到的相關(guān)波形,學(xué)生通過自己動手或老師演示,對電路中一些關(guān)鍵波形進(jìn)行分析,這樣可以使這部分內(nèi)容讓學(xué)生能夠更為直觀的理解。3.matlab軟件設(shè)計電力電子課程中也講述了一些開關(guān)器件的控制算法,如PWM調(diào)制算法,在講述該部分內(nèi)容時,可以利用Matlab容易建立數(shù)學(xué)模型的特點,如SPWM、SVPWM以及諧波注入的PWM調(diào)制算法等,用Matlab實現(xiàn)相比其他軟件要方便的多。4.其他復(fù)雜電路仿真對于電力電子中的一些實驗,可以借助于軟件仿真來實現(xiàn),Pspice、Saber或SIMetrix/SIMPLIS等幾個軟件中不僅有豐富的器件模型,而且控制芯片也相當(dāng)豐富,可以在這些軟件下完成一些更為復(fù)雜的電路仿真,如帶閉環(huán)的DC/DC變化電路等,這樣不僅為理解芯片的工作原理提供方便,同時也能為電路器件參數(shù)的選擇提供參考。三、對其他算法的仿真目前用于電力電子仿真的軟件相當(dāng)豐富,并且各軟件公司也都提供了相應(yīng)的學(xué)生版本,在教學(xué)過程中,針對不同的教學(xué)內(nèi)容可以引入合適的仿真