Matlab仿真技術在電力電子課程教學中的應用

蔣云昊丁穩房　宮力

摘 要 電力電子仿真技術是現代電力電子系統分析設計的重要工具。根據電力電子課程的特點，將電力電子仿真技術融入課堂教學，有助于提高教學效果。本文以Boost電路為例，介紹了利用Matlab/Simulink構建仿真模型和進行仿真分析的過程，并比較了不同參數下的仿真結果。實踐證明，利用電力電子仿真技術作為課堂教學的輔助手段，可以激發學生的學習興趣，提高學生的學習效果。

關鍵詞 電力電子 仿真技術 學習效果

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.034

0 引言

電力電子技術課程是電氣類專業的重要核心課程，是學生掌握電能變換及控制、控制系統功率驅動及其控制技術的基礎，是信息控制與功率電氣之間的接口技術。該課堂的具有較強的理論性和廣泛的工程應用性，主要內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。由于電力電子技術屬于電力、電子和控制理論的交叉學科，其涉及知識面廣，理論抽象，學習難度較大。傳統的授課方式主要采用板書和PPT，由于電力電子電路的強非線性，類似于線性電路理論中的嚴格數學分析十分困難，需要根據具體電路拓撲結構和控制方式，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，并進行有關參數的計算。由于電路的工作過程與控制方式和電路參數相關，當控制參數或電路參數改變，電路的有關電壓和電流波形將發生變化，分析具有很大的靈活性，而手工繪制的波形圖缺乏動態性，使學生難以充分理解電路的完整工作過程，教學效果欠佳。

基于Matlab的計算機仿真技術已普遍運用于電力電子系統的研究和設計過程中，通過matlab搭建電力電子電路進行仿真運行，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融入電力電子課程的教學中，有助于克服傳統教學的局限性，提高學生的學習興趣，提升教學質量。

1 MATLAB仿真軟件簡介

Matlab是美國MathWorks公司研制的商用數學軟件，可用于算法設計、數據可視化、數據分析以及數值計算。該軟件將各功能子程序模塊化，擁有完善的部件模型，用戶只需要簡單的操作就可以完成仿真模型的構建。Matlab還提供了附加組件Simulink，其中的SimPowerSystems為電力電子系統的仿真提供了很大的方便。SimPowerSystems模型庫包含電源模塊、測量模塊、控制模塊、電機模塊、驅動模塊、元器件模塊、電力電子模塊等，利用這些模塊和Simulink基本庫可以非常方便的搭建仿真模型進行系統仿真。此外，Matlab還提供了仿真實例demo，用戶可以方便的調用和修改，提高了仿真的效率。教師在備課過程中，可以通過Simulink搭建教學內容中的電力電子仿真電路，在教學過程中，可以方便將電路的工作過程加以動態演示，而且便于電路和參數的修改。通過仿真演示和講解，可以使學生更加深入的理解有關基本概念和電路的工作原理。比如，電力電子電路的教學中，教材對電路工作原理講解所做電壓和電流波形都是電路穩態后的波形，學生學習過程中對電路的暫態過程沒有認識，甚至對電路的理解只有穩態過程，而通過電力電子電路的建模仿真，可以非常方便的給學生展示電路的暫態過程，從而加深學生對有關基本概念的認識，提高學生學習的興趣和積極性。

2 仿真實例

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

（1）仿真電路構成。Boost仿真電路由直流電源Ui、輸入側電感L、功率開關器件MOSFET、二極管D、輸出電容C和負載R構成。圖1中的g為MOS管的驅動信號，io為輸出電流檢測傳感器，uo為輸出電壓檢測傳感器，Scope為示波器。示波器用于測量MOS管驅動信號、輸出電流和輸出電壓。直流電源、開關器件MOSFET、二極管、電感、電容、負載、電壓電流測量傳感器可以直接從Matlab/Simulink的SimPowerSystems有關元件庫中獲得，Scope示波器可以從Simulink基本庫的Sink中獲得。

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

根據圖2和圖3的仿真結果，可以清晰的給學生展示出電路起始工作時的暫態過程。同時，可以借助仿真結果，給學生介紹電路的兩種工作模式：當電感較大時，電路工作在電感電流連續模式，在開關器件關斷期間，電感電流不會到零；當電感較小時，電路工作在電感電流斷續模式，在開關器件關斷期間，電感電流到零。穩態下，當開關器件導通時，電源對電感充電，而負載由電容供電，電容電壓逐漸下降；當開關器件關斷時，電感對電容充電并為負載提供能量，電容電壓逐漸上升，輸出電流逐漸下降。

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

通過圖4和圖1輸出電壓波形的對比，可以對學生提問學生輸出波形質量改善的原因是什么？如果進一步增大輸出電容會有什么結果？可以加深學生對電路關鍵點的理解，激發學生的學習興趣和進一步探究的欲望。

3 結語

本文在介紹電力電子技術課程特點的基礎上，指出傳統講授方法存在的不足，將電力電子仿真技術引入課堂教學，將有利于提高教學效果，激發學生學習興趣，最終提高學生的學習質量。文中對Matlab仿真軟件做了簡要介紹，并結合電力電子課程中Boost電路進行了仿真建模過程和仿真結果分析講解的介紹。實踐證明，利用仿真技術，可以進一步提高電力電子課程的教學質量，學生學習的積極性得到極大提高。

教研項目：湖北省教研項目（2015285）

參考文獻

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