Matlab仿真技術(shù)在電力電子課程教學中的應用

1、 matlab仿真技術(shù)在電力電子課程教學中的應用 中圖分類號：g642.0 文獻標識碼：a doi：10.16400/ki.kjdkx.2017.01.0340 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，是學生掌握電能變換及控制、控制系統(tǒng)功率驅(qū)動及其控制技術(shù)的基礎(chǔ)，是信息控制與功率電氣之間的接口技術(shù)。該課堂的具有較強的理論性和廣泛的工程應用性，主要?熱蒞?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科，其涉及知識面廣，理論抽象，學習難度較大。傳統(tǒng)的授課方式主要采用板書和ppt，由于電力電子電路

2、的強非線性，類似于線性電路理論中的嚴格數(shù)學分析十分困難，需要根據(jù)具體電路拓撲結(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，并進行有關(guān)參數(shù)的計算。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態(tài)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(shù)已普遍運用于電力電子系統(tǒng)的研究和設(shè)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(shù)融入電力電子課程的

3、教學中，有助于克服傳統(tǒng)教學的局限性，提高學生的學習興趣，提升教學質(zhì)量。1 matlab仿真軟件簡介matlab是美國mathworks公司研制的商用數(shù)學軟件，可用于算法設(shè)計、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)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(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模型庫包含電源模塊、測量模塊、控制模塊、電機模塊、驅(qū)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

4、型進行系統(tǒng)仿真。此外，matlab還提供了仿真實例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搭建教學內(nèi)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(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(wěn)態(tài)后的波形，學生學習過程中對電路的暫態(tài)過程沒有認識，甚至對電路的理解只有穩(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生展示電路的暫態(tài)過程，從而加深學生對有關(guān)基本概念的認識，提高

5、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(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(wèi)、功率開關(guān)器件mosfet、二極管d、輸出電容c和負載r構(gòu)成。圖1中的g為mos管的驅(qū)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(qū)動信號、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、負載、電壓電流測量傳感器可以直接從matlab/simulink的simpowersystems有關(guān)元件庫中獲得，scope示波器可

6、以從simulink基本庫的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；負載r=20 ；mos管驅(qū)動脈沖占空比0.6，開關(guān)周期0.001s。根據(jù)圖2和圖3的仿真結(jié)果，可以清晰的給學生展示出電路起始工作時的暫態(tài)過程。同時，可以借助仿真結(jié)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(xù)模式，在開關(guān)器件關(guān)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(xù)模式，在開關(guān)器件關(guān)斷期間，電感電流到零。穩(wěn)

7、態(tài)下，當開關(guān)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(guān)器件關(guān)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(shù)可以方便的給出仿真結(jié)果，有利于學生對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輸出電壓波形的對比，可以對學生提問學生輸出波形質(zhì)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(jié)果？可以加深學生對電路關(guān)鍵點的理解，激發(fā)學生的學習興趣和進一步探究的欲望。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，將有利于提高教學效果，激發(fā)學生學習興趣，最終提高學生的學習質(zhì)量。文中對matlab仿真軟件做了簡要介