基于Matlab的“電力電子技術(shù)”課程仿真教學(xué)研究

張新建?范娟?魯艷旻?劉沛

摘要：“電力電子技術(shù)”課程中電力變換主電路拓撲結(jié)構(gòu)多，相關(guān)輸出波形分析內(nèi)容多，給課程教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了很大的難度。利用MATLAB/Simulink強大仿真功能，以DC/DC變換的Buck電路為例對“電力電子技術(shù)”課程的理論教學(xué)和仿真教學(xué)，進行了詳細的分析，使學(xué)生能夠直觀地領(lǐng)會和理解整個“電力電子技術(shù)”課程電力拓撲工作過程與仿真教學(xué)過程的分析方法和對比處理結(jié)果。結(jié)果表明，Matlab軟件的運用能顯著提高“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)質(zhì)量，豐富教學(xué)內(nèi)容，有效提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Matlab；電力電子；仿真教學(xué)

作者簡介：張新建（1980-），男，河南正陽人，華中科技大學(xué)文華學(xué)院電氣與電子工程系，講師；范娟（1978-），女，湖北黃岡人，華中科技大學(xué)文華學(xué)院電氣與電子工程系，講師。（湖北 武漢 430074）

基金項目：本文系華中科技大學(xué)文華學(xué)院“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探索與實踐基金支持項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0075-02

“電力電子技術(shù)”是一門綜合了“電力”、“電子”和“控制”三個領(lǐng)域的新型交叉學(xué)科，是實現(xiàn)弱電對強電控制的橋梁和紐帶，是電氣工程與自動化專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)電氣工程、自動化專業(yè)人才中具有十分重要的地位。[1，2]本課程涉及到大量的電路分析，是一門與實踐聯(lián)系比較緊密的課程，其電路圖多，波形多，很多學(xué)生認為難度很大，不易掌握。傳統(tǒng)的板書教學(xué)及目前的多媒體教學(xué)都不能夠有效解決這一問題，因為電路的參數(shù)一旦發(fā)生了變化，其工作狀態(tài)緊隨其進行變化，輸出波形也會變化。采用多媒體教學(xué)給學(xué)生演示的一般為幾種典型波形，這些波形的物理概念及其靈活性也比較差，這就給教師的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)和學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)理解都帶來較大的困難。

Matlab是Mathwork公司推出的一種面向工程和科學(xué)運算的交互式計算軟件，現(xiàn)已被IEEE評為國際公認的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件，是國內(nèi)外很多高校本科生必修的課程之一，也是目前最流行的計算機仿真軟件，這為“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)提供了一個較好解決前述問題的一個比較好的途徑。

一、Matlab的 Simulink模塊介紹

Simulink是Matlab環(huán)境中用于動態(tài)仿真的軟件包，支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)的仿真。Simulink可有效輔助電力電子課程的教學(xué)工作，使學(xué)生直觀看到電路參數(shù)化與輸出波形變化的關(guān)系，幫助學(xué)生更好地掌握好電力變換的工作原理，從而提高教學(xué)質(zhì)量，這也為學(xué)生就業(yè)后采用Matlab軟件解決相關(guān)實際工程問題提供了一個新的手段。在電力電子教學(xué)仿真中，主要用到Simulink模塊的SimPowerSystems庫及相關(guān)輔助模塊庫。通過這些庫可方便地對電力電子的四大類電力變化的任意拓撲結(jié)構(gòu)進行建模，然后對系統(tǒng)進行快速仿真和分析。

二、Buck電路教學(xué)實例分析

在DC/DC電力變換中，Buck電路主要應(yīng)用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機的調(diào)速，其電路分析和相關(guān)計算對于學(xué)習(xí)和理解后續(xù)各種開關(guān)電源拓撲工作過程具有重要的借鑒意義。現(xiàn)以DC/DC電力變換的Buck電路教學(xué)為列，對其引入Matlab仿真教學(xué)后在電力電子課堂教學(xué)中的應(yīng)用進行分析和介紹。

1.Buck電路理論教學(xué)分析

Buck電路主拓撲電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作模式分為電感電流連續(xù)模式（Continuous current mode，CCM）和電感流斷續(xù)模式（Discontinuous current mode，DCM）。[4，5]

圖1Buck電路中，電路主開關(guān)管T在PWM（Pulse Width Modulation）控制模式下，電路相應(yīng)工作的輸出波形如圖2所示。

在Buck電路工作過程的分析中，在課堂講授中要講清楚幾個關(guān)鍵問題：器件換流問題；功率傳輸模式及濾波器模式問題；電感電流紋波及電容紋波問題；CCM及DCM工作模式區(qū)分問題；開關(guān)器件選擇問題；穩(wěn)態(tài)性能分析等。[6]這幾個關(guān)鍵問題的分析基本都是以KCL、KVL為主線，并通過小信號分析、無源器件（電感和電流）的伏安約束關(guān)系、小紋波假設(shè)及平均化技術(shù)等來展開的。而這些相關(guān)的分析與計算都和Buck電路的輸出工作波形緊密相關(guān)，因此，根據(jù)開關(guān)管PWM驅(qū)動信號，分析工作過程畫出如圖2所示的Buck電路工作波形尤為重要。

CCM工作模式是Buck電路教學(xué)中要討論的第一種工作模式，但很多學(xué)生不理解教材中CCM模式下開關(guān)管導(dǎo)通后電感電流波形為何從某一大于0的值開始上升。此時，雖然可以從周期性穩(wěn)態(tài)工作過程進行討論分析，但學(xué)生總存在疑惑。為打消疑惑，需要對電路啟動的暫態(tài)過程進行分析，然后逐步過渡到電路穩(wěn)態(tài)過程的輸出波形。

考慮Buck電路的啟動過程，假設(shè)圖1所示電路中電感電流iLf及電容電壓uo初始值都為零。為簡化電路分析，令電容電壓在一個周期內(nèi)只變化一次，且只在一個開關(guān)周期TS結(jié)束時刻變化一次。在第一個開關(guān)周期TS1，開關(guān)管導(dǎo)通期間（ton1），電感電流線性上升，上升速率為（（Ui-uo）/L），此時uo為0；在第一個周期開關(guān)管關(guān)斷TS1期間（toff1），電感電流下降，下降的速率為（uo/L）。根據(jù)假設(shè)，此時電路的輸出電壓uo依然為0，因此第一個開關(guān)周期開關(guān)管關(guān)斷期間電感電流下降速率為0，即電感電流值在toff1期間保持不變。在第一個開關(guān)周期TS1結(jié)束時，令輸出電壓uo變化上升為某一個值，然后重復(fù)第一個開關(guān)周期分析過程。在開關(guān)管第二次開通期間，由于輸出電壓uo已經(jīng)上升為某一個大于零的值，電感電流上升的斜率將略為下降。同理在開關(guān)管第二次關(guān)斷期間，電路中電感電流開始下降，下降的速率將略微增加，重復(fù)以上過程，可以分析并畫出圖1Buck電路從啟動的暫態(tài)過程到進入穩(wěn)態(tài)工作后的電感電流工作全過程波形，如圖3所示。

當Buck電路進入穩(wěn)態(tài)后，其無源器件電感要滿足元件的伏安約束關(guān)系，即滿足伏秒平衡：電感在進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，一個穩(wěn)定周期的末態(tài)電流等于初始電流，。此時，其電感電流波形為教材中所熟悉的圖2（a）所示。根據(jù)電感兩端的電壓電流約束關(guān)系，寫出伏秒平衡表達式，如式（1）所示：

（1）

由式（1）結(jié)合圖2（a）可推導(dǎo)出Buck電路在CCM下，輸出電壓如式（2）所示：

（2）

式（2）中D為占空比，其值范圍為0

上述討論涵蓋了Buck電路工作的啟動到最后的穩(wěn)態(tài)，并得出了相關(guān)的結(jié)論。但由于分析中采用了一定的近似和假設(shè)，學(xué)生對于理論的推導(dǎo)過程，對于某一個具體的電路，電路中給出對應(yīng)的具體參數(shù)且參數(shù)有變化時，電路相關(guān)輸出波形應(yīng)如何變化，從CCM過渡到DCM時，輸出電壓值的具體值及變化趨勢等都是理論教學(xué)中的難題，此時若采用simulink建模則可非常直觀地把所有實時波形及具體值顯示出來。

2.Buck電路的建模及仿真

由simulink各模塊可方便建立Buck電路簡單的開環(huán)Matlab仿真電路。由圖4、圖5、圖6可以看出，采用Matlab仿真后，可根據(jù)教學(xué)推導(dǎo)需要直接修改某些參數(shù)并可實時觀察到從啟動到穩(wěn)態(tài)的整個工作過程的關(guān)輸出相波形，且可以通過display模塊立即看到Buck電路的輸出電壓值。

在仿真電路中連續(xù)改變Buck電路的占空比D，可以看到連續(xù)變化參數(shù)后的輸出電壓值和波形。此時，再與理論教學(xué)推導(dǎo)的相關(guān)波形及公式結(jié)果進行直觀對比并驗證全工作模式下Buck電路輸出電壓與輸入電壓關(guān)系，如圖7所示。這樣在教學(xué)過程中，就可以很方便地通過參數(shù)調(diào)整顯示各種條件下的電路波形來加強學(xué)生對電路原理及各種工作模式的理解。另外，還可以引入反饋形成閉環(huán)控制，通過建模仿真來驗證一些特殊情況下波形分析的正確性，從而幫助學(xué)生更好地理解一些概念，也有利于鼓勵學(xué)生深入探究，自主學(xué)習(xí)。

在圖7所示電路外特性波形中，IG為負載臨界電流，IGmax的表達式如式（3）所示。

（3）

三、結(jié)論

限于篇幅，本文僅對DC/DC變換的Bcuk電路進行了簡要的引入Matlab仿真教學(xué)的電路實例分析，但其教學(xué)過程可以擴展到整個電力電子教學(xué)的全過程。通過Matlab計算機仿真會引起學(xué)生強烈的探究式學(xué)習(xí)興趣，這必然會改變以教師為中心的傳統(tǒng)授課模式，取而代之的是以學(xué)生為中心的自主探究模式學(xué)習(xí)。此外，對于教學(xué)中的難點和重點內(nèi)容也可以通過把理論教學(xué)、仿真教學(xué)及實驗教學(xué)與微視頻的教學(xué)手段結(jié)合起來，起到更好的教學(xué)效果。將MATLAB應(yīng)用于“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)，不僅大大節(jié)省了課時，而且調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生分析、理解問題的能力，對他們以后的學(xué)習(xí)和工作也會有很大的幫助。

參考文獻：

[1]潘再平，馬皓.浙江大學(xué)“電力電子技術(shù)”精品課程建設(shè)研究[A].第四屆全國高等學(xué)校電氣工程及其自動化專業(yè)教學(xué)改革研討會論文集（下冊）[C].2007.

[2]方忠.“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探討[J].蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，（4）：84-86.

[3]蘇寶平，臧義.Simulink在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2010，（9）：78-79.

[4]陳堅，康勇.電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)[M].第三版.北京：高等教育出版社，2002.

[5]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6]蔣偉，莫岳平.“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)模式研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2013，35（1）：44-46.

（責任編輯：王意琴）