Matlab仿真技術(shù)在電力電子課程教學(xué)中的應(yīng)用

蔣云昊丁穩(wěn)房　宮力

摘 要 電力電子仿真技術(shù)是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的重要工具。根據(jù)電力電子課程的特點(diǎn)，將電力電子仿真技術(shù)融入課堂教學(xué)，有助于提高教學(xué)效果。本文以Boost電路為例，介紹了利用Matlab/Simulink構(gòu)建仿真模型和進(jìn)行仿真分析的過程，并比較了不同參數(shù)下的仿真結(jié)果。實(shí)踐證明，利用電力電子仿真技術(shù)作為課堂教學(xué)的輔助手段，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

關(guān)鍵詞 電力電子 仿真技術(shù) 學(xué)習(xí)效果

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.034

0 引言

電力電子技術(shù)課程是電氣類專業(yè)的重要核心課程，是學(xué)生掌握電能變換及控制、控制系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)的基礎(chǔ)，是信息控制與功率電氣之間的接口技術(shù)。該課堂的具有較強(qiáng)的理論性和廣泛的工程應(yīng)用性，主要內(nèi)容包含電力電子器件、電力電子電路（AC/DC、DC/AC、DC/DC和AC/AC）以及控制技術(shù)。由于電力電子技術(shù)屬于電力、電子和控制理論的交叉學(xué)科，其涉及知識(shí)面廣，理論抽象，學(xué)習(xí)難度較大。傳統(tǒng)的授課方式主要采用板書和PPT，由于電力電子電路的強(qiáng)非線性，類似于線性電路理論中的嚴(yán)格數(shù)學(xué)分析十分困難，需要根據(jù)具體電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式，繪制大量的電壓和電流波形，通過電路波形，介紹電路的工作原理，并進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。由于電路的工作過程與控制方式和電路參數(shù)相關(guān)，當(dāng)控制參數(shù)或電路參數(shù)改變，電路的有關(guān)電壓和電流波形將發(fā)生變化，分析具有很大的靈活性，而手工繪制的波形圖缺乏動(dòng)態(tài)性，使學(xué)生難以充分理解電路的完整工作過程，教學(xué)效果欠佳。

基于Matlab的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已普遍運(yùn)用于電力電子系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)過程中，通過matlab搭建電力電子電路進(jìn)行仿真運(yùn)行，可以方便的模擬各種情況下電路的工作過程。將基于matlab的電力電子仿真技術(shù)融入電力電子課程的教學(xué)中，有助于克服傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量。

1 MATLAB仿真軟件簡(jiǎn)介

Matlab是美國(guó)MathWorks公司研制的商用數(shù)學(xué)軟件，可用于算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算。該軟件將各功能子程序模塊化，擁有完善的部件模型，用戶只需要簡(jiǎn)單的操作就可以完成仿真模型的構(gòu)建。Matlab還提供了附加組件Simulink，其中的SimPowerSystems為電力電子系統(tǒng)的仿真提供了很大的方便。SimPowerSystems模型庫(kù)包含電源模塊、測(cè)量模塊、控制模塊、電機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、元器件模塊、電力電子模塊等，利用這些模塊和Simulink基本庫(kù)可以非常方便的搭建仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真。此外，Matlab還提供了仿真實(shí)例demo，用戶可以方便的調(diào)用和修改，提高了仿真的效率。教師在備課過程中，可以通過Simulink搭建教學(xué)內(nèi)容中的電力電子仿真電路，在教學(xué)過程中，可以方便將電路的工作過程加以動(dòng)態(tài)演示，而且便于電路和參數(shù)的修改。通過仿真演示和講解，可以使學(xué)生更加深入的理解有關(guān)基本概念和電路的工作原理。比如，電力電子電路的教學(xué)中，教材對(duì)電路工作原理講解所做電壓和電流波形都是電路穩(wěn)態(tài)后的波形，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中對(duì)電路的暫態(tài)過程沒有認(rèn)識(shí)，甚至對(duì)電路的理解只有穩(wěn)態(tài)過程，而通過電力電子電路的建模仿真，可以非常方便的給學(xué)生展示電路的暫態(tài)過程，從而加深學(xué)生對(duì)有關(guān)基本概念的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

2 仿真實(shí)例

本文以一個(gè)Boost電路為例，介紹仿真模型的搭建、仿真參數(shù)的設(shè)置和仿真過程。仿真電路如圖1所示。

（1）仿真電路構(gòu)成。Boost仿真電路由直流電源Ui、輸入側(cè)電感L、功率開關(guān)器件MOSFET、二極管D、輸出電容C和負(fù)載R構(gòu)成。圖1中的g為MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，io為輸出電流檢測(cè)傳感器，uo為輸出電壓檢測(cè)傳感器，Scope為示波器。示波器用于測(cè)量MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)、輸出電流和輸出電壓。直流電源、開關(guān)器件MOSFET、二極管、電感、電容、負(fù)載、電壓電流測(cè)量傳感器可以直接從Matlab/Simulink的SimPowerSystems有關(guān)元件庫(kù)中獲得，Scope示波器可以從Simulink基本庫(kù)的Sink中獲得。

（2）仿真電路參數(shù)。輸入直流電壓Ui=200V；輸入電感初始電流為零，電感值L=0.02H（電流連續(xù)工作模式，）/L=0.0008H（電流斷續(xù)工作模式）；輸出電容初始電壓為零，電容值C=0.0001F；負(fù)載R=20 ；MOS管驅(qū)動(dòng)脈沖占空比0.6，開關(guān)周期0.001s。

根據(jù)圖2和圖3的仿真結(jié)果，可以清晰的給學(xué)生展示出電路起始工作時(shí)的暫態(tài)過程。同時(shí)，可以借助仿真結(jié)果，給學(xué)生介紹電路的兩種工作模式：當(dāng)電感較大時(shí)，電路工作在電感電流連續(xù)模式，在開關(guān)器件關(guān)斷期間，電感電流不會(huì)到零；當(dāng)電感較小時(shí)，電路工作在電感電流斷續(xù)模式，在開關(guān)器件關(guān)斷期間，電感電流到零。穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)電感充電，而負(fù)載由電容供電，電容電壓逐漸下降；當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，電感對(duì)電容充電并為負(fù)載提供能量，電容電壓逐漸上升，輸出電流逐漸下降。

通過改變參數(shù)可以方便的給出仿真結(jié)果，有利于學(xué)生對(duì)電路工作原理的把握。如在電感電流連續(xù)模式下改變電容值為C=0.0004F，輸出電壓的仿真結(jié)果如圖4所示。

通過圖4和圖1輸出電壓波形的對(duì)比，可以對(duì)學(xué)生提問學(xué)生輸出波形質(zhì)量改善的原因是什么？如果進(jìn)一步增大輸出電容會(huì)有什么結(jié)果？可以加深學(xué)生對(duì)電路關(guān)鍵點(diǎn)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)一步探究的欲望。

3 結(jié)語

本文在介紹電力電子技術(shù)課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出傳統(tǒng)講授方法存在的不足，將電力電子仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)，將有利于提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。文中對(duì)Matlab仿真軟件做了簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合電力電子課程中Boost電路進(jìn)行了仿真建模過程和仿真結(jié)果分析講解的介紹。實(shí)踐證明，利用仿真技術(shù)，可以進(jìn)一步提高電力電子課程的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到極大提高。

教研項(xiàng)目：湖北省教研項(xiàng)目（2015285）

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