基于MATLAB的電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用

楊延菊 徐勇剛

【摘 要】《電力電子技術(shù)》是一門實用性很強的課程，本文在其理論教學(xué)過程中引入MATLAB/Simulink仿真軟件，并以直流斬波變流電路中的降壓電路為例進行仿真和分析。實踐表明，借助MATLAB/Simulink仿真軟件進行教學(xué)，能夠極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的積極性，進一步達到教學(xué)目的。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；降壓電路；MATLAB

中圖分類號： TN34；TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0171-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.077

【Abstract】Power Electronic Technology is a highly practical course.In this paper，MATLAB/Simulink simulation software is introduced into the theoretical teaching process of the Power Electronic Technology.Then，the buck chopper converter circuit taken as an example was simulated and analyzed.It shows that with MATLAB/Simulink simulation software greatly improving the enthusiasm of students in learning this course and achieving the purpose of teaching to further.

【Key words】Power Electronic Technology；Buck chopper；MATLAB

0 引言

《電力電子技術(shù)》這門課程是集電力學(xué)、控制理論、電子學(xué)三個學(xué)科的融合交叉邊緣課程，是利用電力電子器件對電能進行轉(zhuǎn)換和控制的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是本科專業(yè)電氣工程及其自動化中的主干專業(yè)技術(shù)課程，在電氣專業(yè)人才培養(yǎng)體系中起著承上啟下的支撐作用，為基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間的過渡課程，其應(yīng)用性和實踐性極強[1]。這門課的內(nèi)容是學(xué)生在學(xué)習(xí)了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和工廠供電等知識的基礎(chǔ)上進行學(xué)習(xí)，是對電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)知識的掌握運用，同時又是后面學(xué)習(xí)專業(yè)課程《電力系統(tǒng)分析》、《變頻器》、《電力拖動自動化》等課程的學(xué)習(xí)打下了良好的理論知識和能力知識的基礎(chǔ)。在課程教學(xué)過程中常常需要采用許多波形分析、電路解析和公式推導(dǎo)等環(huán)節(jié)來解釋各種電路能量轉(zhuǎn)換的工作原理，傳統(tǒng)教學(xué)講課主要是利用板書、多媒體等輔助形式的授課方式，但是學(xué)生看到的還是靜止不變的波形，直觀生動性不強，會對所學(xué)內(nèi)容理解不夠深刻，感到非常抽象，結(jié)果就是學(xué)生的實踐應(yīng)用能力較弱及教學(xué)效率偏低等問題。

仿真軟件MATLAB具有它自身的仿真工具Simulink和多種系統(tǒng)仿真模塊庫，借助它的Simulink仿真工具和仿真語言來構(gòu)建電力電子技術(shù)教學(xué)平臺，從而可以為理論課程教學(xué)過程中所遇到的難題提供解決方法，同時可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)理論課程的興趣、增加學(xué)生工程實踐機會以及激勵學(xué)生的創(chuàng)新能力[2-4]。

本文以直流斬波變流電路中的降壓電路（Buck Chopper）的仿真為例，在《電力電子技術(shù)》這門課程的理論教學(xué)過程中引入仿真軟件MATLAB，采用項目式教學(xué)方法來展開MATLAB仿真實踐，使學(xué)生能夠全面地掌握電力電子技術(shù)中各種變流電路的工作原理，以提升學(xué)生的理論學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生更加容易理解理論知識，最終達到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

1 電力電子技術(shù)MATLAB仿真工具箱簡介

因為MATLAB仿真軟件占用空間小、計算速度快、使用起來非常方便、具有繪圖功能等等優(yōu)點，因此其受到了許多用戶的歡迎，MATLAB仿真軟件便成為了國內(nèi)外科學(xué)研究和高校教學(xué)的常用輔助軟件。

MATLAB中的Simulink工具箱是1993年出現(xiàn)的，它模塊庫在不斷的發(fā)展和豐富，可以提供多種類的仿真工具，以直觀的模塊框圖進行仿真和計算。在Simulink平臺上，仿真模型的可讀性很強，將需要的模塊從模塊庫中拖拉至工作界面，并在工作界面對模塊進行連接，就可以建立出所需的仿真物理模型，最后點擊運行就可以進行仿真，以及對結(jié)果的分析。SIMULINK中的電力系統(tǒng)模塊庫（Power System Blockset）是由加拿大的兩個公司一起研發(fā)，是HydroQuebec和 TECSIMInternational。在 Simulink 工作界面上，搜索電力系統(tǒng)模塊庫中所需要的模塊，就能夠搭建出各種電力電子電路和RLC電路的仿真模型，并進行系統(tǒng)仿真。教師在課前準備時，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容中的工作原理圖來搭建Simulink仿真系統(tǒng)，并仿真，以便教學(xué)中將電路的工作過程以動畫的形式演示給學(xué)生，同時還便于模型和參數(shù)的重新設(shè)置。

2 仿真實例

本文以直流斬波變流電路中的Buck Chopper為例，介紹仿真系統(tǒng)的搭建、模型參數(shù)的設(shè)置以及仿真過程。Buck Chopper的應(yīng)用范圍是電力電子電路的供電電源、直流電動機的拖動以及帶蓄電池負載等，它的工作原理圖如圖1所示。

（1）仿真系統(tǒng)的組成部分。Buck Chopper仿真電路由直流電源DC、全控型器件IGBT、續(xù)流二極管Diode、電感L和負載電阻R構(gòu)成，在Simulink環(huán)境中，打開仿真模塊庫，選中原理圖所需要的對應(yīng)模塊直接拖拉至工作界面，按照圖1所示的電路原理圖進行連線，搭建的仿真系統(tǒng)如圖2所示。圖2中Pulse Generator 是IGBT的驅(qū)動信號，i1是電路中檢測的輸出電流，u1是檢測到的負載輸出電壓，Scope是示波器，可以用來顯示輸出電流波形、輸出電壓波形和IGBT的驅(qū)動信號波形。

（2）仿真模型參數(shù)的設(shè)置。

直流電源電壓DC=100V，負載電阻R=10，IGBT的參數(shù)設(shè)置如圖3所示。電感值的設(shè)置不同，電流的狀態(tài)不同，電感值為L=0.00002H時電流的工作狀態(tài)為斷續(xù)，電感值為L=0.02H時電流的工作狀態(tài)為連續(xù)。

（3）仿真結(jié)果。降壓電路仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

根據(jù)圖4和圖5的仿真結(jié)果，可以將電路的工作過程狀態(tài)清晰的展示給學(xué)生?？梢愿鶕?jù)仿真結(jié)果，給學(xué)生介紹Buck Chopper電路的兩種電流狀態(tài)的工作情況：當電感值設(shè)定為較小時，電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)；當電感值設(shè)定為較大時，電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)。這是由于在開關(guān)器件導(dǎo)通期間，電源給電感存儲能量，并給負載供電，電流上升；在開關(guān)器件關(guān)斷期間，電感釋放能量，給負載供電，電流下降。因此，當電感值設(shè)定較大時，電感存儲的能量較多，在開關(guān)器件關(guān)斷期間，電感儲存的能量足夠給負載供電，電流不會到斷續(xù)。得到這樣結(jié)論，串聯(lián)較大的電感值可以使得電路中電流連續(xù)而且比較平緩。

通過改變模型的設(shè)定參數(shù)能夠很好的提供仿真結(jié)果，這樣方便學(xué)習(xí)掌握變流電路的工作原理及狀態(tài)。比較圖4和圖5波形，可以向?qū)W生提出問題，如何改善輸出波形質(zhì)量？如果給負載側(cè)并聯(lián)一個電容的話，輸出電壓的波形會有什么樣結(jié)果？通過這些問題及參數(shù)的改變，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣和探索的欲望，以達到加深學(xué)生對電路重點部分的理解的目的。

3 結(jié)論

通過直流斬波降壓電路的建模過程及仿真結(jié)果的分析，不僅可以讓學(xué)生了解在Simulink環(huán)境下應(yīng)用電氣系統(tǒng)模塊工具箱建立仿真系統(tǒng)模型，也可以通過簡單的參數(shù)設(shè)定就可以實習(xí)復(fù)雜電路的變換，從而使得復(fù)雜的波形分析變得直觀生動，以及使得抽象內(nèi)容變得簡單有趣。

本文介紹了在課程《電力電子技術(shù)》的教學(xué)過程中，將電力電子仿真技術(shù)引入課題教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。并簡單介紹MATLAB仿真軟件中的Simulink。最后針對電力電子技術(shù)課程中直流斬波降壓電路建立了仿真模型，進而對仿真結(jié)果進行了分析講解。實驗證明，利用MATLAB軟件的仿真技術(shù)，能夠極大提高學(xué)生的積極性，進一步提高電力電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。

【參考文獻】

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)（第五版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]蔣云昊，丁穩(wěn)房，宮力.Matlab仿真技術(shù)在電力電子課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊，2017（1x）：70-71.

[3]陳蘭嵐.Matlab電氣仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016（38）：82-83.

[4]牛天林，樊波，張強，等.Matlab/Simulink仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：84-87.