计算机仿真技术在电力电子技术教学中的应用

郭龙源，荣军，吴健辉，涂兵，欧先锋

（湖南理工学院信息与通信工程学院，岳阳414006）

计算机仿真技术在电力电子技术教学中的应用

郭龙源，荣军，吴健辉，涂兵，欧先锋

（湖南理工学院信息与通信工程学院，岳阳414006）

针对电力电子技术课堂教学过程中，出现的学生学习兴趣不浓以及学习费力的缺点，将计算机仿真技术引入课堂教学中，是提高教学效果和学生学习兴趣的有效手段。通过实践证明，将计算机仿真技术引入课堂教学环节中，不但提高电机与拖动课堂教学效果，而且提高学生理论联系实际的能力，从而起到培养工程应用型人才的作用。

湖南省普通高校教学改革研究项目（湘教通〔2016〕400号）、湖南省普通高等学校教学改革研究项目（湘教[2015]291号）

0 引言

电力电子技术是自动化专业必修的专业课程之一。它对学生的基础知识面要求很宽，理论性强，涉及控制、电力和电子等方面的课程；课程里面的电路和运算非常多，而且电路工作原理复杂，运算繁琐，因此学生学习起来特别吃力[1-2]。对于这门课的特点，在课堂教学过程中引入计算机仿真，不仅可以解决学生学习这门课程困难的问题，而且在电力电子技术相关的毕业综合实训中，使学生可以利用相关软件解决实际问题。因此本文尝试通过课堂教学的一些改革，培养学生理论联系实际的能力，达到培养应用型工程人才的要求[3-4]。

1 电机与拖动课堂教学举例

本文以王兆安等主编教材《电力电子技术》第五章5.1节中的内容为例，探讨计算机仿真应用到教学中的方法[5]。按照常规教学法教师会按照以下课堂教学设计进行。教师首先给出降压斩波电路工作原理图如图1所示。按照一般课堂教学方法讲述：当开关V有驱动信号导通时，二极管VD因为电压反接截止，电源E E向负载供电，电感L吸收能量，负载电流io按指数曲线上升，负载电压Uo=E。当开关V断开时，二极管VD电压正接导通续流。Uo基本为零，负载电流呈指数曲线下降。为了负载电流连续且波动小，电感L要较大。为了进一步讲清楚降压斩波电路，需要从输入，输出电压的关系上进行阐述：图1所示的电路因为电感足够大，电流连续且较平稳，且一个周期内负载电流的初值和终值相等。所以负载电压平均值：

其中ton—V通的时间；T—工作周期；α—导通占空比ton。

很明显α<1，输出电压低于电源电压，故为降压斩波电路。

图1 降压斩波电路原理图

2 教学过程设计

降压斩波电路的工作原理讲解比较简单，但是学生在学习过程中，学习兴趣并不浓。针对这个问题，教师可以在MATLAB中建立Buck电路的仿真模型，如图2所示[6-8]。然后得到其仿真结果，如图3所示。其中，图2仿真波形从上至下依次为功率开关管V的电流波形，二极管VD的电流波形，输出电流波形以及输出电压波形。从图2中可以看出，在IGBT关断时，电流经电感L、电阻R、VD形成回路，使电阻两端电压波形连续，但波动很大。此外，原来直流电压为100V，经过降压变换器直流变换后，电压降低到约50V，实现了降压变换。通过计算机仿真软件很容易使学生明白直流电机采用直接起动会产生大的电流和电磁转矩，相当于实验效果，吸引了学生的听课兴趣。

图2 降压斩波电路的仿真模型

图3 降压斩波电路的仿真波形

虽然通过仿真软件验证了降压斩波电路的理论分析正确性，但是这点还不足以激发学生的兴趣，最能打动学生的就是让他们了解学以致用，以前在自动控制原理学习中，知道引入反馈能够改善系统的性能，比如增加稳定性，以及改善动态性能。接下来教师将双闭环控制系统（电压外环，电流内环）引入降压斩波电路的控制系统中，其中将自动控制原理的中的双闭环引入到降压斩波电路中，降压斩波电路双双环控制系统原理图如图4所示。

图4 降压斩波电路的双闭环控制系统原理图

图4所示的双环控制电路采用电压负反馈。其中外环的作用是当输入电压或负载发生变化，或受到干扰，输出电压发生波动时，通过负反馈回路调节开关的导通时间，达到稳定输出电压的目的。但是这种调节功能必须要等到输出电压发生波动时才能起作用，这就导致单闭环系统在控制和调节作用上的滞后。为了克服这类问题，在电压控制环内加入电流控制环，可得到较好的动态性能。电流控制环是内环，实现电流自动调节；电压控制环是外环，实现电压自动调节。电流控制环是由开关控制器、开关变换器、电流控制器和电流采样器等组成。Buck电路双闭环控制系统在MAT⁃LAB中仿真模型如图5所示，仿真结果如图6所示，其中图6中仿真波形分别为输出电压和输出电流仿真波形。由图6可以清楚地看到，当0.005s时，电压给定值由30V阶跃到60V，输出电压实现了给定值跟踪。也就是说当输入电压发生波动或者负载发生变化时，电路能够快速地调节，以保证输出稳定。从上面的教学分析可知，相对于纯理论讲解降压斩波电路的工作过程，学生听课要轻松很多，学完理论知识后能立即通过仿真软件验证理论分析的正确，然后结合其他课程的相关知识，能够极大的吸引学生认真听课的兴趣，从而能够提高课堂听课效果。

3 结语

由于电力电子技术涉及课程控制、电力和电子等方面，里面电路工作原理复杂,以运算繁琐,因此学生学习起来费力，兴趣不浓。本文以实例为基础，探讨了将计算机仿真技术引入该课程课堂教学中的方法。实践表明,将计算机仿真技术引入课堂教学环节中,不但提高了电机与拖动课堂教学效果,而且提高学生理论知识应用于实际的能力，达到了培养工程应用型人才的作用。

图5 降压斩波电路双闭环控制系统的仿真模型图

图6 串一级电阻起动时的转速和电流波形

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Application of Computer Simulation Technology in Classroom Teaching for Power Electronic Technology

GUO Long-yuan，RONG Jun，WU Jian-hui，TU Bing，OU Xian-feng

（Department of Information and Communication Engineering,Hunan,Institute of Science and Technology，Yueyang 414006）

For the disadvantages of learning interest is not strong and study is hard for students,introduces computer simulation technology into class⁃room teaching of power electronic technology.It is an effective way to improve teaching effect and students'interest in learning.It is proved through practice that the computer simulation technology is used in classroom teaching,not only can improve the effect of classroom teach⁃ing of power electronic technology,and can also guide the students to the classroom theoretical knowledge applied to practical application, to cultivate engineering application talents role.

1007-1423（2017）21-0036-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.21.007

郭龙源（1973-），男，湖南岳阳人，教师，博士，研究方向为数字图像处理，机器视觉；荣军（1977-），男，湖南岳阳人，硕士，副教授，研究方向为工业电气自动化；吴健辉（1977-），男，湖南新化人，博士，教授，研究方向为数字图像处理；涂兵（1983-），男，湖南岳阳人，博士，副教授，研究方向为数字图像处理；通信作者：欧先锋（1983-），男，湖南郴州人，博士，讲师，研究方向为数字图像处理，Email：ouxf@hnist.edu.cn；

2017-03-21

2017-06-18

电力电子技术；教学重点；计算机仿真；Buck电路；听课效率

Power Electronic Technology;Computer Simulation;Buck Circuit;Lectures Efficiency