基于MATLAB的电力电子技术课程教学中的应用

杨延菊 徐勇刚

【摘 要】《电力电子技术》是一门实用性很强的课程，本文在其理论教学过程中引入MATLAB/Simulink仿真软件，并以直流斩波变流电路中的降压电路为例进行仿真和分析。实践表明，借助MATLAB/Simulink仿真软件进行教学，能够极大提高学生学习这门课程的积极性，进一步达到教学目的。

【关键词】电力电子技术；降压电路；MATLAB

中图分类号： TN34；TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 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

《电力电子技术》这门课程是集电力学、控制理论、电子学三个学科的融合交叉边缘课程，是利用电力电子器件对电能进行转换和控制的专业基础课程，它是本科专业电气工程及其自动化中的主干专业技术课程，在电气专业人才培养体系中起着承上启下的支撑作用，为基础课程与专业课程之间的过渡课程，其应用性和实践性极强[1]。这门课的内容是学生在学习了模拟电子技术、数字电子技术和工厂供电等知识的基础上进行学习，是对电力电子器件制造技术和变流技术知识的掌握运用，同时又是后面学习专业课程《电力系统分析》、《变频器》、《电力拖动自动化》等课程的学习打下了良好的理论知识和能力知识的基础。在课程教学过程中常常需要采用许多波形分析、电路解析和公式推导等环节来解释各种电路能量转换的工作原理，传统教学讲课主要是利用板书、多媒体等辅助形式的授课方式，但是学生看到的还是静止不变的波形，直观生动性不强，会对所学内容理解不够深刻，感到非常抽象，结果就是学生的实践应用能力较弱及教学效率偏低等问题。

仿真软件MATLAB具有它自身的仿真工具Simulink和多种系统仿真模块库，借助它的Simulink仿真工具和仿真语言来构建电力电子技术教学平台，从而可以为理论课程教学过程中所遇到的难题提供解决方法，同时可以提升学生学习理论课程的兴趣、增加学生工程实践机会以及激励学生的创新能力[2-4]。

本文以直流斩波变流电路中的降压电路（Buck Chopper）的仿真为例，在《电力电子技术》这门课程的理论教学过程中引入仿真软件MATLAB，采用项目式教学方法来展开MATLAB仿真实践，使学生能够全面地掌握电力电子技术中各种变流电路的工作原理，以提升学生的理论学习兴趣，使得学生更加容易理解理论知识，最终达到提高教学质量的目的。

1 电力电子技术MATLAB仿真工具箱简介

因为MATLAB仿真软件占用空间小、计算速度快、使用起来非常方便、具有绘图功能等等优点，因此其受到了许多用户的欢迎，MATLAB仿真软件便成为了国内外科学研究和高校教学的常用辅助软件。

MATLAB中的Simulink工具箱是1993年出现的，它模块库在不断的发展和丰富，可以提供多种类的仿真工具，以直观的模块框图进行仿真和计算。在Simulink平台上，仿真模型的可读性很强，将需要的模块从模块库中拖拉至工作界面，并在工作界面对模块进行连接，就可以建立出所需的仿真物理模型，最后点击运行就可以进行仿真，以及对结果的分析。SIMULINK中的电力系统模块库（Power System Blockset）是由加拿大的两个公司一起研发，是HydroQuebec和 TECSIMInternational。在 Simulink 工作界面上，搜索电力系统模块库中所需要的模块，就能够搭建出各种电力电子电路和RLC电路的仿真模型，并进行系统仿真。教师在课前准备时，根据教学内容中的工作原理图来搭建Simulink仿真系統，并仿真，以便教学中将电路的工作过程以动画的形式演示给学生，同时还便于模型和参数的重新设置。

2 仿真实例

本文以直流斩波变流电路中的Buck Chopper为例，介绍仿真系统的搭建、模型参数的设置以及仿真过程。Buck Chopper的应用范围是电力电子电路的供电电源、直流电动机的拖动以及带蓄电池负载等，它的工作原理图如图1所示。

（1）仿真系统的组成部分。Buck Chopper仿真电路由直流电源DC、全控型器件IGBT、续流二极管Diode、电感L和负载电阻R构成，在Simulink环境中，打开仿真模块库，选中原理图所需要的对应模块直接拖拉至工作界面，按照图1所示的电路原理图进行连线，搭建的仿真系统如图2所示。图2中Pulse Generator 是IGBT的驱动信号，i1是电路中检测的输出电流，u1是检测到的负载输出电压，Scope是示波器，可以用来显示输出电流波形、输出电压波形和IGBT的驱动信号波形。

（2）仿真模型参数的设置。

直流电源电压DC=100V，负载电阻R=10，IGBT的参数设置如图3所示。电感值的设置不同，电流的状态不同，电感值为L=0.00002H时电流的工作状态为断续，电感值为L=0.02H时电流的工作状态为连续。

（3）仿真结果。降压电路仿真结果如图4、图5所示。

根据图4和图5的仿真结果，可以将电路的工作过程状态清晰的展示给学生。可以根据仿真结果，给学生介绍Buck Chopper電路的两种电流状态的工作情况：当电感值设定为较小时，电路工作在电流断续状态；当电感值设定为较大时，电路工作在电流连续状态。这是由于在开关器件导通期间，电源给电感存储能量，并给负载供电，电流上升；在开关器件关断期间，电感释放能量，给负载供电，电流下降。因此，当电感值设定较大时，电感存储的能量较多，在开关器件关断期间，电感储存的能量足够给负载供电，电流不会到断续。得到这样结论，串联较大的电感值可以使得电路中电流连续而且比较平缓。

通过改变模型的设定参数能够很好的提供仿真结果，这样方便学习掌握变流电路的工作原理及状态。比较图4和图5波形，可以向学生提出问题，如何改善输出波形质量？如果给负载侧并联一个电容的话，输出电压的波形会有什么样结果？通过这些问题及参数的改变，可以激发学生学习本课程的兴趣和探索的欲望，以达到加深学生对电路重点部分的理解的目的。

3 结论

通过直流斩波降压电路的建模过程及仿真结果的分析，不仅可以让学生了解在Simulink环境下应用电气系统模块工具箱建立仿真系统模型，也可以通过简单的参数设定就可以实习复杂电路的变换，从而使得复杂的波形分析变得直观生动，以及使得抽象内容变得简单有趣。

本文介绍了在课程《电力电子技术》的教学过程中，将电力电子仿真技术引入课题教学，有利于激发学生学习兴趣，提高学生的学习质量。并简单介绍MATLAB仿真软件中的Simulink。最后针对电力电子技术课程中直流斩波降压电路建立了仿真模型，进而对仿真结果进行了分析讲解。实验证明，利用MATLAB软件的仿真技术，能够极大提高学生的积极性，进一步提高电力电子技术课程的教学质量。

【参考文献】

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]蒋云昊，丁稳房，宫力.Matlab仿真技术在电力电子课程教学中的应用[J].科教导刊，2017（1x）：70-71.

[3]陈兰岚.Matlab电气仿真技术在电力电子教学改革中的应用[J].教育教学论坛，2016（38）：82-83.

[4]牛天林，樊波，张强，等.Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：84-87.