MATLAB在电力电子课堂教学中的应用

陆朱卫　吴馥云

摘要：为了提高电力电子技术的教学质量，将MATLAB仿真软件引入课堂教学，提出在课堂中直接调用MATLAB自带模型进行仿真分析的方法，不仅能保证仿真模型的正确性，而且方便、快捷。文中以BUCK电路为例分析了电路仿真过程中的各个波形，参数变化对波形带来的影响，分析结果与教材完全吻合，这说明了该方法的优越性，同时本文对电气工程专业其他学科的课堂教学也有借鉴意义。

关键词：电力电子技术；MATLAB；BUCK电路；课堂教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）04-0194-02

一、引言

电力电子技术是电气工程及其自动化专业的一门专业核心课程，它主要研究电力半导体器件及其组成的各种变流装置，主要包括整流、逆变、直流斩波、交—交变换四大部分。在该课程的教学中，不仅要对相关的理论进行分析、计算，还要对相关电路进行波形分析及参数计算，在波形分析中需要画出大量的电压、电流信号波形图，同时需要分析电路参数变化对波形的影响。

在传统教学中主要采用PPT动画及课堂板书等教学方式，存在着波形绘制工作量大、所画波形不规范、电路的工作过程及波形的动态变化表现不足等问题，使得授课课时紧张，课堂教学信息量不够大，授课方式单调枯燥，学生容易产生疲倦感，难于达到理想的教学效果。在课堂教学中引入MATLAB计算机仿真技术作为传统课堂教学手段的补充，有助于克服传统课堂教学的缺点，提高学生的学习兴趣，提高教学质量。

二、MATLAB/SIMULINK介绍

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统。利用SIMULINK可快速建立电力电子电路的仿真模型，方便对电路进行波形分析及数值计算，并可调用丰富的测量仪器工具对相应电压、电流进行波形观测及数值读取。在建立电力电子电路仿真模型时除了要用到基本的Simulink模型库外，还要用到电力系统模型库（SimPower Systems）。

三、MATLAB/SIMULINK中自带模型的调用

在课堂教学中采用仿真作为辅助手段，不仅可以使教学变得生动、直观，还可以提高学生的学习兴趣，但是在课堂上建立模型又需要占用一定的时间，所以只能提前准备好模型，这就给任课教师带来了一定的工作量。为了减轻任课教师的工作量，提高授课效率，本文提出在课堂教学中调用MATLAB/SIMULINK工具箱中已有的模型进行仿真的方法，不仅能保证模型的正确性，而且方便快捷，能够随时使用。

Simulink为我们提供了丰富的仿真例程，基本上包含了电气专业的各个学科，如果善加利用可以给教师的教学工作带来很大的帮助。启动MATLAB，进入Simulink仿真界面点击File-Open，选择以下路径：MATLAB7-toolbox-physmod-powersys-powerdemo，如图1所示，该路径中可以看到很多仿真模型，里面不仅包含了电力电子仿真模型，还包含了电机、电力系统等专业课的仿真例程。所以其他专业课也可以采用此方法进行课堂仿真教学。

在图1中选择需要的模型打开就可以进行仿真，所以建议在多媒体教学中安装MATLAB软件，这样教师在课堂中可以随时通过MATLAB/SIMULINK调用相应的仿真例程，使课堂教学变得生动形象，学生更容易掌握课程的难点，提高上课效率。

四、仿真实例

Simulink仿真例程中几乎包含了电力电子技术中所有的电路，本文以BUCK电路为例来介绍仿真模型的使用，选中图1路径中的power_buckconv便可进入BUCK电路的仿真模型，如图2所示，图中双击各个元器件可以观察并修改参数。

（一）连续模式

仿真参数采用例程中的默认值，输入电压200V，控制信号占空比60%，输出反电动势80V，电感5mH，电阻1Ω，点击仿真键开始仿真，仿真完成后可以通过示波器观察各个地方的波形，Scope2显示的是输出电流和电压波形，如图3所示。ILoad表示电流波形，波形为三角波，说明电感不停地处于充放电状态，图中电流波形处于连续状态；VLoad为输出电压波形，波形为矩形波，说明电源电压向负载间断供电，当控制信号为高电平时电源向负载供电，低电平时停止供电。改变控制型号的占空比和开关频率可以改变输出电压的波形。

（二）断续模式

修改电路中的电感值，改为0.3mH，重新开始仿真，仿真完成后可以看到Scope2的波形变成图4所示的断续状态，电感电流除了上升和下降状态，还有一段时间为0，这说明当电感变小后电路的工作状态向断续模式变化。电压波形变成3种电平，电源供电时电压为200V，电感续流时电压为0，电感能量为0时电压为80V，该电压也就是输出端反电动势的大小。

通过以上分析可以看到，利用Simulink工具箱中的仿真例程可以方便的進行课堂仿真，利用示波器可以观察电路中各个地方的波形，仿真结果跟教材完全吻合。改变参数可以得到不同的波形，可以让学生清楚的观察到电路中参数对波形的影响，使学生深刻地掌握电力电子技术中的各个电路。

五、结论

本文分析了电力电子技术课程在传统教学中存在的不足，以及在课堂教学中引入MATLAB/Simulink仿真。同时，为了减轻教师工作量，提高授课效率，提出了调用软件中自带仿真模型的方法，为电力电子技术任课教师提供了一个捷径。由于软件中的自带模型几乎涵盖了所有电气工程的专业课程，也为其他专业课的任课教师提供了一个参考。

本文以BUCK电路为例分析了电路仿真过程中的各个波形，参数变化对波形带来的影响，分析结果完全与教材吻合，说明了该方法的优越性，笔者已经将该方法应用于课堂教学，并且教学效果良好。

参考文献：

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

[2]洪乃刚.电力电子电机控制系统仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]刘丽萱.MATLAB在电力电子技术教学中的应用[J].南宁：大学教育，2014，（6）.