基于MATLAB的電力電子技術課程教學中的應用

楊延菊 徐勇剛

【摘 要】《電力電子技術》是一門實用性很強的課程，本文在其理論教學過程中引入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，能夠極大提高學生學習這門課程的積極性，進一步達到教學目的。

【關鍵詞】電力電子技術；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》這門課程是集電力學、控制理論、電子學三個學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換和控制的專業基礎課程，它是本科專業電氣工程及其自動化中的主干專業技術課程，在電氣專業人才培養體系中起著承上啟下的支撐作用，為基礎課程與專業課程之間的過渡課程，其應用性和實踐性極強[1]。這門課的內容是學生在學習了模擬電子技術、數字電子技術和工廠供電等知識的基礎上進行學習，是對電力電子器件制造技術和變流技術知識的掌握運用，同時又是后面學習專業課程《電力系統分析》、《變頻器》、《電力拖動自動化》等課程的學習打下了良好的理論知識和能力知識的基礎。在課程教學過程中常常需要采用許多波形分析、電路解析和公式推導等環節來解釋各種電路能量轉換的工作原理，傳統教學講課主要是利用板書、多媒體等輔助形式的授課方式，但是學生看到的還是靜止不變的波形，直觀生動性不強，會對所學內容理解不夠深刻，感到非常抽象，結果就是學生的實踐應用能力較弱及教學效率偏低等問題。

仿真軟件MATLAB具有它自身的仿真工具Simulink和多種系統仿真模塊庫，借助它的Simulink仿真工具和仿真語言來構建電力電子技術教學平臺，從而可以為理論課程教學過程中所遇到的難題提供解決方法，同時可以提升學生學習理論課程的興趣、增加學生工程實踐機會以及激勵學生的創新能力[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》這門課程的理論教學過程中引入仿真軟件MATLAB，采用項目式教學方法來展開MATLAB仿真實踐，使學生能夠全面地掌握電力電子技術中各種變流電路的工作原理，以提升學生的理論學習興趣，使得學生更加容易理解理論知識，最終達到提高教學質量的目的。

1 電力電子技術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外科學研究和高校教學的常用輔助軟件。

MATLAB中的Simulink工具箱是1993年出現的，它模塊庫在不斷的發展和豐富，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，以及對結果的分析。SIMULINK中的電力系統模塊庫（Power System Blockset）是由加拿大的兩個公司一起研發，是HydroQuebec和 TECSIMInternational。在 Simulink 工作界面上，搜索電力系統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，并進行系統仿真。教師在課前準備時，根據教學內容中的工作原理圖來搭建Simulink仿真系統，并仿真，以便教學中將電路的工作過程以動畫的形式演示給學生，同時還便于模型和參數的重新設置。

2 仿真實例

本文以直流斬波變流電路中的Buck Chopper為例，介紹仿真系統的搭建、模型參數的設置以及仿真過程。Buck Chopper的應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）仿真系統的組成部分。Buck Chopper仿真電路由直流電源DC、全控型器件IGBT、續流二極管Diode、電感L和負載電阻R構成，在Simulink環境中，打開仿真模塊庫，選中原理圖所需要的對應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，搭建的仿真系統如圖2所示。圖2中Pulse Generator 是IGBT的驅動信號，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的驅動信號波形。

（2）仿真模型參數的設置。

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

（3）仿真結果。降壓電路仿真結果如圖4、圖5所示。

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

通過改變模型的設定參數能夠很好的提供仿真結果，這樣方便學習掌握變流電路的工作原理及狀態。比較圖4和圖5波形，可以向學生提出問題，如何改善輸出波形質量？如果給負載側并聯一個電容的話，輸出電壓的波形會有什么樣結果？通過這些問題及參數的改變，可以激發學生學習本課程的興趣和探索的欲望，以達到加深學生對電路重點部分的理解的目的。

3 結論

通過直流斬波降壓電路的建模過程及仿真結果的分析，不僅可以讓學生了解在Simulink環境下應用電氣系統模塊工具箱建立仿真系統模型，也可以通過簡單的參數設定就可以實習復雜電路的變換，從而使得復雜的波形分析變得直觀生動，以及使得抽象內容變得簡單有趣。

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

【參考文獻】

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

[2]蔣云昊，丁穩房，宮力.Matlab仿真技術在電力電子課程教學中的應用[J].科教導刊，2017（1x）：70-71.

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

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