MATLAB在電力電子課堂教學(xué)中的應(yīng)用

陸朱衛(wèi)　吳馥云

摘要：為了提高電力電子技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量，將MATLAB仿真軟件引入課堂教學(xué)，提出在課堂中直接調(diào)用MATLAB自帶模型進(jìn)行仿真分析的方法，不僅能保證仿真模型的正確性，而且方便、快捷。文中以BUCK電路為例分析了電路仿真過程中的各個(gè)波形，參數(shù)變化對(duì)波形帶來的影響，分析結(jié)果與教材完全吻合，這說明了該方法的優(yōu)越性，同時(shí)本文對(duì)電氣工程專業(yè)其他學(xué)科的課堂教學(xué)也有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；MATLAB；BUCK電路；課堂教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）04-0194-02

一、引言

電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，它主要研究電力半導(dǎo)體器件及其組成的各種變流裝置，主要包括整流、逆變、直流斬波、交—交變換四大部分。在該課程的教學(xué)中，不僅要對(duì)相關(guān)的理論進(jìn)行分析、計(jì)算，還要對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行波形分析及參數(shù)計(jì)算，在波形分析中需要畫出大量的電壓、電流信號(hào)波形圖，同時(shí)需要分析電路參數(shù)變化對(duì)波形的影響。

在傳統(tǒng)教學(xué)中主要采用PPT動(dòng)畫及課堂板書等教學(xué)方式，存在著波形繪制工作量大、所畫波形不規(guī)范、電路的工作過程及波形的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)不足等問題，使得授課課時(shí)緊張，課堂教學(xué)信息量不夠大，授課方式單調(diào)枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生疲倦感，難于達(dá)到理想的教學(xué)效果。在課堂教學(xué)中引入MATLAB計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段的補(bǔ)充，有助于克服傳統(tǒng)課堂教學(xué)的缺點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、MATLAB/SIMULINK介紹

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可以構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。利用SIMULINK可快速建立電力電子電路的仿真模型，方便對(duì)電路進(jìn)行波形分析及數(shù)值計(jì)算，并可調(diào)用豐富的測(cè)量?jī)x器工具對(duì)相應(yīng)電壓、電流進(jìn)行波形觀測(cè)及數(shù)值讀取。在建立電力電子電路仿真模型時(shí)除了要用到基本的Simulink模型庫外，還要用到電力系統(tǒng)模型庫（SimPower Systems）。

三、MATLAB/SIMULINK中自帶模型的調(diào)用

在課堂教學(xué)中采用仿真作為輔助手段，不僅可以使教學(xué)變得生動(dòng)、直觀，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但是在課堂上建立模型又需要占用一定的時(shí)間，所以只能提前準(zhǔn)備好模型，這就給任課教師帶來了一定的工作量。為了減輕任課教師的工作量，提高授課效率，本文提出在課堂教學(xué)中調(diào)用MATLAB/SIMULINK工具箱中已有的模型進(jìn)行仿真的方法，不僅能保證模型的正確性，而且方便快捷，能夠隨時(shí)使用。

Simulink為我們提供了豐富的仿真例程，基本上包含了電氣專業(yè)的各個(gè)學(xué)科，如果善加利用可以給教師的教學(xué)工作帶來很大的幫助。啟動(dòng)MATLAB，進(jìn)入Simulink仿真界面點(diǎn)擊File-Open，選擇以下路徑：MATLAB7-toolbox-physmod-powersys-powerdemo，如圖1所示，該路徑中可以看到很多仿真模型，里面不僅包含了電力電子仿真模型，還包含了電機(jī)、電力系統(tǒng)等專業(yè)課的仿真例程。所以其他專業(yè)課也可以采用此方法進(jìn)行課堂仿真教學(xué)。

在圖1中選擇需要的模型打開就可以進(jìn)行仿真，所以建議在多媒體教學(xué)中安裝MATLAB軟件，這樣教師在課堂中可以隨時(shí)通過MATLAB/SIMULINK調(diào)用相應(yīng)的仿真例程，使課堂教學(xué)變得生動(dòng)形象，學(xué)生更容易掌握課程的難點(diǎn)，提高上課效率。

四、仿真實(shí)例

Simulink仿真例程中幾乎包含了電力電子技術(shù)中所有的電路，本文以BUCK電路為例來介紹仿真模型的使用，選中圖1路徑中的power_buckconv便可進(jìn)入BUCK電路的仿真模型，如圖2所示，圖中雙擊各個(gè)元器件可以觀察并修改參數(shù)。

（一）連續(xù)模式

仿真參數(shù)采用例程中的默認(rèn)值，輸入電壓200V，控制信號(hào)占空比60%，輸出反電動(dòng)勢(shì)80V，電感5mH，電阻1Ω，點(diǎn)擊仿真鍵開始仿真，仿真完成后可以通過示波器觀察各個(gè)地方的波形，Scope2顯示的是輸出電流和電壓波形，如圖3所示。ILoad表示電流波形，波形為三角波，說明電感不停地處于充放電狀態(tài)，圖中電流波形處于連續(xù)狀態(tài)；VLoad為輸出電壓波形，波形為矩形波，說明電源電壓向負(fù)載間斷供電，當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)電源向負(fù)載供電，低電平時(shí)停止供電。改變控制型號(hào)的占空比和開關(guān)頻率可以改變輸出電壓的波形。

（二）斷續(xù)模式

修改電路中的電感值，改為0.3mH，重新開始仿真，仿真完成后可以看到Scope2的波形變成圖4所示的斷續(xù)狀態(tài)，電感電流除了上升和下降狀態(tài)，還有一段時(shí)間為0，這說明當(dāng)電感變小后電路的工作狀態(tài)向斷續(xù)模式變化。電壓波形變成3種電平，電源供電時(shí)電壓為200V，電感續(xù)流時(shí)電壓為0，電感能量為0時(shí)電壓為80V，該電壓也就是輸出端反電動(dòng)勢(shì)的大小。

通過以上分析可以看到，利用Simulink工具箱中的仿真例程可以方便的進(jìn)行課堂仿真，利用示波器可以觀察電路中各個(gè)地方的波形，仿真結(jié)果跟教材完全吻合。改變參數(shù)可以得到不同的波形，可以讓學(xué)生清楚的觀察到電路中參數(shù)對(duì)波形的影響，使學(xué)生深刻地掌握電力電子技術(shù)中的各個(gè)電路。

五、結(jié)論

本文分析了電力電子技術(shù)課程在傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，以及在課堂教學(xué)中引入MATLAB/Simulink仿真。同時(shí)，為了減輕教師工作量，提高授課效率，提出了調(diào)用軟件中自帶仿真模型的方法，為電力電子技術(shù)任課教師提供了一個(gè)捷徑。由于軟件中的自帶模型幾乎涵蓋了所有電氣工程的專業(yè)課程，也為其他專業(yè)課的任課教師提供了一個(gè)參考。

本文以BUCK電路為例分析了電路仿真過程中的各個(gè)波形，參數(shù)變化對(duì)波形帶來的影響，分析結(jié)果完全與教材吻合，說明了該方法的優(yōu)越性，筆者已經(jīng)將該方法應(yīng)用于課堂教學(xué)，并且教學(xué)效果良好。

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