Matlab仿真技术在电力电子课程教学中的应用

蒋云昊丁稳房　宫力

摘 要 电力电子仿真技术是现代电力电子系统分析设计的重要工具。根据电力电子课程的特点，将电力电子仿真技术融入课堂教学，有助于提高教学效果。本文以Boost电路为例，介绍了利用Matlab/Simulink构建仿真模型和进行仿真分析的过程，并比较了不同参数下的仿真结果。实践证明，利用电力电子仿真技术作为课堂教学的辅助手段，可以激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效果。

关键词 电力电子 仿真技术 学习效果

中图分类号：G642.0 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.01.034

0 引言

电力电子技术课程是电气类专业的重要核心课程，是学生掌握电能变换及控制、控制系统功率驱动及其控制技术的基础，是信息控制与功率电气之间的接口技术。该课堂的具有较强的理论性和广泛的工程应用性，主要內容包含电力电子器件、电力电子电路（AC/DC、DC/AC、DC/DC和AC/AC）以及控制技术。由于电力电子技术属于电力、电子和控制理论的交叉学科，其涉及知识面广，理论抽象，学习难度较大。传统的授课方式主要采用板书和PPT，由于电力电子电路的强非线性，类似于线性电路理论中的严格数学分析十分困难，需要根据具体电路拓扑结构和控制方式，绘制大量的电压和电流波形，通过电路波形，介绍电路的工作原理，并进行有关参数的计算。由于电路的工作过程与控制方式和电路参数相关，当控制参数或电路参数改变，电路的有关电压和电流波形将发生变化，分析具有很大的灵活性，而手工绘制的波形图缺乏动态性，使学生难以充分理解电路的完整工作过程，教学效果欠佳。

基于Matlab的计算机仿真技术已普遍运用于电力电子系统的研究和设计过程中，通过matlab搭建电力电子电路进行仿真运行，可以方便的模拟各种情况下电路的工作过程。将基于matlab的电力电子仿真技术融入电力电子课程的教学中，有助于克服传统教学的局限性，提高学生的学习兴趣，提升教学质量。

1 MATLAB仿真软件简介

Matlab是美国MathWorks公司研制的商用数学软件，可用于算法设计、数据可视化、数据分析以及数值计算。该软件将各功能子程序模块化，拥有完善的部件模型，用户只需要简单的操作就可以完成仿真模型的构建。Matlab还提供了附加组件Simulink，其中的SimPowerSystems为电力电子系统的仿真提供了很大的方便。SimPowerSystems模型库包含电源模块、测量模块、控制模块、电机模块、驱动模块、元器件模块、电力电子模块等，利用这些模块和Simulink基本库可以非常方便的搭建仿真模型进行系统仿真。此外，Matlab还提供了仿真实例demo，用户可以方便的调用和修改，提高了仿真的效率。教师在备课过程中，可以通过Simulink搭建教学内容中的电力电子仿真电路，在教学过程中，可以方便将电路的工作过程加以动态演示，而且便于电路和参数的修改。通过仿真演示和讲解，可以使学生更加深入的理解有关基本概念和电路的工作原理。比如，电力电子电路的教学中，教材对电路工作原理讲解所做电压和电流波形都是电路稳态后的波形，学生学习过程中对电路的暂态过程没有认识，甚至对电路的理解只有稳态过程，而通过电力电子电路的建模仿真，可以非常方便的给学生展示电路的暂态过程，从而加深学生对有关基本概念的认识，提高学生学习的兴趣和积极性。

2 仿真实例

本文以一个Boost电路为例，介绍仿真模型的搭建、仿真参数的设置和仿真过程。仿真电路如图1所示。

（1）仿真电路构成。Boost仿真电路由直流电源Ui、输入侧电感L、功率开关器件MOSFET、二极管D、输出电容C和负载R构成。图1中的g为MOS管的驱动信号，io为输出电流检测传感器，uo为输出电压检测传感器，Scope为示波器。示波器用于测量MOS管驱动信号、输出电流和输出电压。直流电源、开关器件MOSFET、二极管、电感、电容、负载、电压电流测量传感器可以直接从Matlab/Simulink的SimPowerSystems有关元件库中获得，Scope示波器可以从Simulink基本库的Sink中获得。

（2）仿真电路参数。输入直流电压Ui=200V；输入电感初始电流为零，电感值L=0.02H（电流连续工作模式，）/L=0.0008H（电流断续工作模式）；输出电容初始电压为零，电容值C=0.0001F；负载R=20 ；MOS管驱动脉冲占空比0.6，开关周期0.001s。

根据图2和图3的仿真结果，可以清晰的给学生展示出电路起始工作时的暂态过程。同时，可以借助仿真结果，给学生介绍电路的两种工作模式：当电感较大时，电路工作在电感电流连续模式，在开关器件关断期间，电感电流不会到零；当电感较小时，电路工作在电感电流断续模式，在开关器件关断期间，电感电流到零。稳态下，当开关器件导通时，电源对电感充电，而负载由电容供电，电容电压逐渐下降；当开关器件关断时，电感对电容充电并为负载提供能量，电容电压逐渐上升，输出电流逐渐下降。

通过改变参数可以方便的给出仿真结果，有利于学生对电路工作原理的把握。如在电感电流连续模式下改变电容值为C=0.0004F，输出电压的仿真结果如图4所示。

通过图4和图1输出电压波形的对比，可以对学生提问学生输出波形质量改善的原因是什么？如果进一步增大输出电容会有什么结果？可以加深学生对电路关键点的理解，激发学生的学习兴趣和进一步探究的欲望。

3 结语

本文在介绍电力电子技术课程特点的基础上，指出传统讲授方法存在的不足，将电力电子仿真技术引入课堂教学，将有利于提高教学效果，激发学生学习兴趣，最终提高学生的学习质量。文中对Matlab仿真软件做了简要介绍，并结合电力电子课程中Boost电路进行了仿真建模过程和仿真结果分析讲解的介绍。实践证明，利用仿真技术，可以进一步提高电力电子课程的教学质量，学生学习的积极性得到极大提高。

教研项目：湖北省教研项目（2015285）

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] 林飞，杜欣.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3] 屈克庆.Matlab仿真在电力电子实践教学中的应用[J].中国电力教育，2014（12）：126-127.

[4] 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.