計算機仿真技術在電力電子技術教學中的應用

郭龍源，榮軍，吳健輝，涂兵，歐先鋒

（湖南理工學院信息與通信工程學院，岳陽414006）

計算機仿真技術在電力電子技術教學中的應用

郭龍源，榮軍，吳健輝，涂兵，歐先鋒

（湖南理工學院信息與通信工程學院，岳陽414006）

針對電力電子技術課堂教學過程中，出現的學生學習興趣不濃以及學習費力的缺點，將計算機仿真技術引入課堂教學中，是提高教學效果和學生學習興趣的有效手段。通過實踐證明，將計算機仿真技術引入課堂教學環節中，不但提高電機與拖動課堂教學效果，而且提高學生理論聯系實際的能力，從而起到培養工程應用型人才的作用。

湖南省普通高校教學改革研究項目（湘教通〔2016〕400號）、湖南省普通高等學校教學改革研究項目（湘教[2015]291號）

0 引言

電力電子技術是自動化專業必修的專業課程之一。它對學生的基礎知識面要求很寬，理論性強，涉及控制、電力和電子等方面的課程；課程里面的電路和運算非常多，而且電路工作原理復雜，運算繁瑣，因此學生學習起來特別吃力[1-2]。對于這門課的特點，在課堂教學過程中引入計算機仿真，不僅可以解決學生學習這門課程困難的問題，而且在電力電子技術相關的畢業綜合實訓中，使學生可以利用相關軟件解決實際問題。因此本文嘗試通過課堂教學的一些改革，培養學生理論聯系實際的能力，達到培養應用型工程人才的要求[3-4]。

1 電機與拖動課堂教學舉例

本文以王兆安等主編教材《電力電子技術》第五章5.1節中的內容為例，探討計算機仿真應用到教學中的方法[5]。按照常規教學法教師會按照以下課堂教學設計進行。教師首先給出降壓斬波電路工作原理圖如圖1所示。按照一般課堂教學方法講述：當開關V有驅動信號導通時，二極管VD因為電壓反接截止，電源E E向負載供電，電感L吸收能量，負載電流io按指數曲線上升，負載電壓Uo=E。當開關V斷開時，二極管VD電壓正接導通續流。Uo基本為零，負載電流呈指數曲線下降。為了負載電流連續且波動小，電感L要較大。為了進一步講清楚降壓斬波電路，需要從輸入，輸出電壓的關系上進行闡述：圖1所示的電路因為電感足夠大，電流連續且較平穩，且一個周期內負載電流的初值和終值相等。所以負載電壓平均值：

其中ton—V通的時間；T—工作周期；α—導通占空比ton。

很明顯α<1，輸出電壓低于電源電壓，故為降壓斬波電路。

圖1 降壓斬波電路原理圖

2 教學過程設計

降壓斬波電路的工作原理講解比較簡單，但是學生在學習過程中，學習興趣并不濃。針對這個問題，教師可以在MATLAB中建立Buck電路的仿真模型，如圖2所示[6-8]。然后得到其仿真結果，如圖3所示。其中，圖2仿真波形從上至下依次為功率開關管V的電流波形，二極管VD的電流波形，輸出電流波形以及輸出電壓波形。從圖2中可以看出，在IGBT關斷時，電流經電感L、電阻R、VD形成回路，使電阻兩端電壓波形連續，但波動很大。此外，原來直流電壓為100V，經過降壓變換器直流變換后，電壓降低到約50V，實現了降壓變換。通過計算機仿真軟件很容易使學生明白直流電機采用直接起動會產生大的電流和電磁轉矩，相當于實驗效果，吸引了學生的聽課興趣。

圖2 降壓斬波電路的仿真模型

圖3 降壓斬波電路的仿真波形

雖然通過仿真軟件驗證了降壓斬波電路的理論分析正確性，但是這點還不足以激發學生的興趣，最能打動學生的就是讓他們了解學以致用，以前在自動控制原理學習中，知道引入反饋能夠改善系統的性能，比如增加穩定性，以及改善動態性能。接下來教師將雙閉環控制系統（電壓外環，電流內環）引入降壓斬波電路的控制系統中，其中將自動控制原理的中的雙閉環引入到降壓斬波電路中，降壓斬波電路雙雙環控制系統原理圖如圖4所示。

圖4 降壓斬波電路的雙閉環控制系統原理圖

圖4所示的雙環控制電路采用電壓負反饋。其中外環的作用是當輸入電壓或負載發生變化，或受到干擾，輸出電壓發生波動時，通過負反饋回路調節開關的導通時間，達到穩定輸出電壓的目的。但是這種調節功能必須要等到輸出電壓發生波動時才能起作用，這就導致單閉環系統在控制和調節作用上的滯后。為了克服這類問題，在電壓控制環內加入電流控制環，可得到較好的動態性能。電流控制環是內環，實現電流自動調節；電壓控制環是外環，實現電壓自動調節。電流控制環是由開關控制器、開關變換器、電流控制器和電流采樣器等組成。Buck電路雙閉環控制系統在MAT?LAB中仿真模型如圖5所示，仿真結果如圖6所示，其中圖6中仿真波形分別為輸出電壓和輸出電流仿真波形。由圖6可以清楚地看到，當0.005s時，電壓給定值由30V階躍到60V，輸出電壓實現了給定值跟蹤。也就是說當輸入電壓發生波動或者負載發生變化時，電路能夠快速地調節，以保證輸出穩定。從上面的教學分析可知，相對于純理論講解降壓斬波電路的工作過程，學生聽課要輕松很多，學完理論知識后能立即通過仿真軟件驗證理論分析的正確，然后結合其他課程的相關知識，能夠極大的吸引學生認真聽課的興趣，從而能夠提高課堂聽課效果。

3 結語

由于電力電子技術涉及課程控制、電力和電子等方面，里面電路工作原理復雜,以運算繁瑣,因此學生學習起來費力，興趣不濃。本文以實例為基礎，探討了將計算機仿真技術引入該課程課堂教學中的方法。實踐表明,將計算機仿真技術引入課堂教學環節中,不但提高了電機與拖動課堂教學效果,而且提高學生理論知識應用于實際的能力，達到了培養工程應用型人才的作用。

圖5 降壓斬波電路雙閉環控制系統的仿真模型圖

圖6 串一級電阻起動時的轉速和電流波形

[1]苗風東,來建民.關于提高《電機與拖動》課程教學質量的探索與實踐[J].中國電力教育，2008（22）:85-86

[2]顧春雷,何堅強,胡國文.電機與拖動課程教學改革的探索.2007年中國自動化教育學術年會論文集，2007:421-422

[3]林海斌.關于高校學生科研能力培養的思考[J].教書育人，2005（3）:36-37

[4]王淑潤.高校要加強學生科研能力的培養[J].前沿，2005.4:143-146.

[5]王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京.機械工業出版社，2000.

[6]張志華,榮軍,劉祥松等.直流升降壓變換系統的建模與仿真[J].電子技術，2014，2（2）:5-7.

[7]李真貴,胡楊昊,佘海湘,等.三電平逆變器改進型SVPWM研究與實現[J].計算技術與自動化，2014，33（4）:49-54.

[8]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統MATLAB的仿真[M].北京:機械工業出版社，2006.

Application of Computer Simulation Technology in Classroom Teaching for Power Electronic Technology

GUO Long-yuan，RONG Jun，WU Jian-hui，TU Bing，OU Xian-feng

（Department of Information and Communication Engineering,Hunan,Institute of Science and Technology，Yueyang 414006）

For the disadvantages of learning interest is not strong and study is hard for students,introduces computer simulation technology into class?room teaching of power electronic technology.It is an effective way to improve teaching effect and students'interest in learning.It is proved through practice that the computer simulation technology is used in classroom teaching,not only can improve the effect of classroom teach?ing of power electronic technology,and can also guide the students to the classroom theoretical knowledge applied to practical application, to cultivate engineering application talents role.

1007-1423（2017）21-0036-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.21.007

郭龍源（1973-），男，湖南岳陽人，教師，博士，研究方向為數字圖像處理，機器視覺；榮軍（1977-），男，湖南岳陽人，碩士，副教授，研究方向為工業電氣自動化；吳健輝（1977-），男，湖南新化人，博士，教授，研究方向為數字圖像處理；涂兵（1983-），男，湖南岳陽人，博士，副教授，研究方向為數字圖像處理；通信作者：歐先鋒（1983-），男，湖南郴州人，博士，講師，研究方向為數字圖像處理，Email：ouxf@hnist.edu.cn；

2017-03-21

2017-06-18

電力電子技術；教學重點；計算機仿真；Buck電路；聽課效率

Power Electronic Technology;Computer Simulation;Buck Circuit;Lectures Efficiency