仿真软件在降压斩波电路教学中的应用

荣 军,湛腾西,严太山,万 力,伍健辉

(湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006)

仿真软件在降压斩波电路教学中的应用

荣 军,湛腾西,严太山,万 力,伍健辉

(湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006)

在电力电子技术课堂教学中,以降压斩波电路教学为例,首先利用开关管开通和关断时得到的等效电路和工作波形向学生讲解,在弄懂其工作原理后,然后利用计算机仿真软件验证其理论分析.通过这样的授课方式,能够吸引学生听课,提高课堂学习效率.

电力电子技术; 课堂教学; 降压斩波电路; 建模与仿真

Abstract: In the classroom teaching of power electronic technology,we use buck chopper circuit as a teaching example.Firstly,we get the equivalent circuits and the working waveform of switch by turning on and turning off to explain to the students,then,make use of the computer simulation software to test the theory analysis.Through the way of teaching,it can attract the students to attend a lecture and improve the efficiency of classroom learning.

Key words: power electronic technology,classroom teaching,buck chopper circuit,modeling and simulation

0 引言

学生学习电力电子技术这门课程,主要是了解四种变换电路(AC/DC、DCDC、DCAC、ACAC)的工作原理,并熟练掌握四种变换电路中二十多种电路的工作原理.如何学习好多种电力变换器的工作原理,是摆在教师和学生面前的一道难题[1,2].笔者结合多年的课堂教学经验,采用波形分析法进行教学,具体做法就是将各种电路每个工作过程及每一个阶段利用图形表现出来,然后对电路的工作波形进行详细分析,使学生了解到器件和电路在各阶段的工作状态.最后通过计算机仿真软件对其工作原理进行仿真验证,证明其理论分析的正确性.与传统的教学模式相比,加入计算机仿真软件的演示,不仅是对教师课堂所讲理论知识的当场验证,也是对所学理论知识的具体应用,课堂教学效果明显好于常规教学方法.

1 电力电子技术课堂教学知识点举例

本文以整流电路当中的降压斩波电路为例[3],通过课堂教学将整个教学过程展现出来.降压斩波电路(Buck电路)电路图及工作波形图分别如图1(a)和(b)所示.其工作原理描述如下: 当开关V有驱动信号时,V导通,其等效电路和工作波形图分别如图2(a)和(b)所示,其中图2(b)中阴影部分表示工作波形部分.此时,开关管V开通,二极管VD截止,L储存能量,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io按指数曲线上升.当开关V没有驱动信号时,V关断,其等效电路和工作波形图分别如图3(a)和(b)所示,其中图3(b)中阴影部分表示工作波形部分[4].此时,开关管V关断,二极管VD导通续流.uo近似为零,负载电流呈指数曲线下降,通常串接较大电感L,使负载电流连续且脉动小.

图1 降压斩波电路工作电路及工作波形图

图2 降压斩波电路V开通时等效电路及工作波形图

图3 降压斩波电路V关断时等效电路及工作波形图

电路数量关系的推导如下: 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小.电感足够大,电流连续.则电路稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等,所以负载电压平均值

其中ton为V通的时间;T为工作周期;为导通占空比.

显然α＜1,输出电压低于电源电压,故为降压斩波电路,其工作波形如图3所示.

2 MATLAB/Simulink在直流斩波电路中的应用

当教师通过图表将降压斩波电路的工作原理介绍清楚后,就可以通过计算机仿真软件MATALB来验证课堂所学理论知识的正确性.在MATLAB/Simulink中搭建降压斩波电路的仿真模型如图4所示[5,6].在图4所示的仿真模型中,输入直流电压E=200V ,开关频率K=5000Hz.当占空比分别取80%和20%时,其输出电压的仿真波形分别如图5(a)和(b)所示.从图5(a)可以看出,当占空比为80%时,其输出电压为160V,按照前面的理论计算其输出电压Uo=80%×200=160V ,理论计算与仿真结果完全一致.另外从图5(b)可以看出,当占空比等于20%时,其输出电压为40V,按照前面的理论计算其输出电压Uo=20%×200=40V,理论计算与仿真结果完全一致.这样通过MATLAB仿真软件对课堂上所学理论知识进行了验证,替代了实验课的功能,省时省力,同时还激发了学生的学习兴趣.

图4 降压斩波电路在MATLAB中的仿真模型

图5 降压斩波电路输出电压仿真波形

3 结语

本文介绍了对降压斩波电路课堂教学进行的改革,首先给出了开关管处于开通和关断时的两个等效电路和工作波形图,然后推导其输出电压的理论计算公式,最后通过计算机仿真软件对理论分析进行了验证.整个教学过程相比较传统的授课方式,教师授课更加轻松,学生学习兴趣更浓,而且学习效率更高.

[1]荣 军,李一鸣,李宏民,等.科研项目在“电力电子技术”课程中的应用[J].电气电子教学学报,2013,35(2): 74～75,107

[2]荣 军,丁跃浇,张 敏,等.“案例教学法”在电力电子技术教学中的应用研究[J].计算机教育,2012(4): 74～75

[3]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京: 机械工业出版社,2009

[4]王秀琴,荣 军,段 丹,等.基于MATLAB的Buck DC/DC变换器的仿真研究[J].电子技术,2014(5): 5～7

[5]张志华,荣 军,刘祥松,等.直流升降压变换系统的建模与仿真[J].电子技术,2014(2): 5～7

[6]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京: 机械工业出版社,2006

Application of Simulation Software in Buck Chopper Circuit Teaching

RONG Jun,ZHAN Tengxi,YAN Taishan,WAN Li,WU Jianhui
(College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

G642

A

1672-5298(2017)03-0088-03

2017-01-16

湖南省普通高校教学项目(湘教通[2016]400号); 岳阳市社会科学课题(2017y26)

荣 军(1978− ),男,湖南岳阳人,硕士,湖南理工学院信息与通信工程学院讲师.主要研究方向: 电机控制技术