朱景偉，趙紅，姚玉斌

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連　116026)

MATLAB 仿真技術(shù)在“電力電子學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

朱景偉，趙紅，姚玉斌

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026)

摘要：介紹“電力電子學(xué)”課程在船舶電子電氣工程專業(yè)課程體系中的地位和MATLAB仿真技術(shù)的特點(diǎn)，討論單相橋式全控整流電路的工作原理并建立了相應(yīng)的MATLAB仿真模型，通過在“電力電子學(xué)”課程教學(xué)中結(jié)合MATLAB仿真技術(shù)，采用輸出波形動(dòng)態(tài)比較、疑難問題解答和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展等方法，克服了傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足，達(dá)到提高理論教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的目的。

關(guān)鍵詞：船舶電子電氣專業(yè)；電力電子學(xué)；課程教學(xué)；MATLAB仿真技術(shù)

一、引言

船舶電子電氣工程專業(yè)是大連海事大學(xué)航海類特色專業(yè)之一，該專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)能夠勝任現(xiàn)代化船舶中電子電氣設(shè)備管理、維護(hù)與修理等任務(wù)的高級(jí)工程技術(shù)人才[1]?！半娏﹄娮訉W(xué)”是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。在現(xiàn)代化程度高的船舶中，電力電子變換器在船舶電站、船上電源控制設(shè)備及控制各種泵及推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速裝置中得到越來越廣泛的應(yīng)用。因此，“電力電子學(xué)”是船舶電子電氣工程專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，同時(shí)又是后續(xù)“交流變頻調(diào)速”“船舶電力拖動(dòng)系統(tǒng)”等課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，在整個(gè)專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的位置。

“電力電子學(xué)”課程是在電子、電力與控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科，具有非常強(qiáng)的理論性、綜合性和實(shí)踐性。[2-3]在該課程的教學(xué)中，常常需要借助大量的波形來分析各種能量轉(zhuǎn)換過程。由于課程理論性強(qiáng)，影響輸出波形的因素較多，導(dǎo)致學(xué)生感到課程內(nèi)容抽象、理解不深刻，教學(xué)效率低下。實(shí)驗(yàn)在該課程的教學(xué)中占有十分重要的地位，但是，由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短缺等原因，往往造成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇面較窄、實(shí)驗(yàn)數(shù)量少且簡單等問題。

Matlab/Simulink仿真軟件具有建模資源豐富、設(shè)計(jì)過程簡單、輸出形式多元和感受直觀深刻等優(yōu)點(diǎn)。[4-5]在“電力電子學(xué)”課程的理論教學(xué)中使用該軟件可以克服傳統(tǒng)教學(xué)中講解內(nèi)容抽象、圖形顯示不直觀、教學(xué)內(nèi)容難以擴(kuò)展等方面的不足。此外，使用該仿真軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以大大減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入，完全避免實(shí)驗(yàn)中因接線錯(cuò)誤等原因而造成的設(shè)備損壞問題，同時(shí)易于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展，起到事半功倍的效果。本文討論Matlab/Simulink仿真技術(shù)在“電力電子學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用及拓展。

二、整流電路工作原理及仿真建模

整流電路是電力電子系統(tǒng)中出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣泛的變換電路。單相橋式全控整流電路如圖1所示，電路由整流變壓器T、四個(gè)晶閘管VT1～VT4和負(fù)載組成。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，整流電路的負(fù)載可能是純電阻性負(fù)載R、阻感負(fù)載R和L、電阻反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載R和E等[6]。圖1中晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂。在工作中，一對(duì)橋臂的晶閘管由同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，因此VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷。

在MATLAB/Simulink環(huán)境中，應(yīng)用相關(guān)工具箱可建立如圖2所示的單相橋式全控整流電路的仿真模型。圖中顯示的負(fù)載R和L是阻感負(fù)載，當(dāng)對(duì)純電阻負(fù)載和電阻反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載進(jìn)行仿真時(shí)，只要將圖中的阻感負(fù)載替換成相應(yīng)負(fù)載即可。圖中U2和Ud是電壓測(cè)量模塊，分別用于測(cè)量輸入電壓u2和負(fù)載電壓ud；IVT1和Id為電流測(cè)量模塊，分別用于測(cè)量晶閘管VT1電流iVT1和負(fù)載電流id。

圖1　單相橋式全控整流電路圖

圖2　單相橋式全控整流電路仿真模型圖

三、仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

1．輸出波形動(dòng)態(tài)比較

在課程教學(xué)中應(yīng)用仿真技術(shù)的目的是提高理論教學(xué)效果及效率。由于Matlab仿真軟件具有參數(shù)設(shè)置靈活的特點(diǎn)，因此在單相橋式全控整流電路的教學(xué)中可以方便地動(dòng)態(tài)比較不同觸發(fā)角時(shí)的輸出電壓和電流波形、相同觸發(fā)角不同負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形等，這樣可以使學(xué)生清晰地理解觸發(fā)角對(duì)整流電路輸出特性的影響、負(fù)載對(duì)整流電路輸出特性的影響。

如圖3所示為純電阻負(fù)載時(shí)不同觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的整流輸出電壓波形。由圖3可知，在負(fù)載相同時(shí)，觸發(fā)角越大，一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電壓與橫軸所圍面積越小，整流電路平均輸出電壓越小。當(dāng)觸發(fā)角為0°時(shí)，整流電路平均輸出電壓最大；當(dāng)觸發(fā)角為180°時(shí)，整流電路平均輸出為零。因此得出該整流電路觸發(fā)角的變化范圍為0°～180°。

如圖4所示為觸發(fā)角保持不變，不同電感值對(duì)應(yīng)的整流輸出電壓和電流波形。其中圖4(a)中電感為零，整流器輸出電壓電流波形變化趨勢(shì)一致。圖4(b)中電感值較小，雖然輸出電壓有小于零的區(qū)間，但是輸出電流值仍然是斷續(xù)的。圖4(c)中輸出電流是連續(xù)波形，但電流具有較大的紋波。圖4(d)中的輸出電流基本保持恒定。由圖4可知，在觸發(fā)角相同的情況下，單相橋式全控整流電路的平均輸出電壓隨著負(fù)載電感的增大而減小，輸出電流的波紋隨著電感的減小而增大。

通過圖3和圖4波形的演示，使不同觸發(fā)角和不同負(fù)載時(shí)對(duì)整流電路的輸出特性的影響一目了然，再與定量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，使整個(gè)分析過程更加合理嚴(yán)密，使學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解也更加深刻。

2．疑難問題解答

當(dāng)整流電路的輸出連接蓄電池或直流電動(dòng)機(jī)的電樞時(shí)，負(fù)載可看成是一個(gè)直流電壓源，即整流電路連接電阻反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。在講授該部分課程內(nèi)容時(shí)，許多學(xué)生對(duì)于要求觸發(fā)脈沖具有足夠的寬度以及晶閘管何時(shí)導(dǎo)通等問題不易理解。借助于MATLAB仿真波形進(jìn)行講解，收到良好的教學(xué)效果。如圖5所示為不同觸發(fā)角時(shí)電阻反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載對(duì)應(yīng)的整流電路仿真波形。圖中的脈沖為晶閘管的觸發(fā)脈沖信號(hào)。圖中整流器的輸入電壓峰值為100V，直流反電動(dòng)勢(shì)電壓E=50V，觸發(fā)角分別為18°、30°和60°。

晶閘管導(dǎo)通的基本條件是承受正向偏壓，圖5(a)中，當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，整流器的輸入電壓小于直流反電動(dòng)勢(shì)電壓E，因此晶閘管不能導(dǎo)通。當(dāng)輸入電壓等于直流反電動(dòng)勢(shì)電壓E時(shí)(即30°時(shí))，如果此時(shí)有觸發(fā)脈沖信號(hào)，晶閘管能夠?qū)?。但是由于觸發(fā)角為18°，而且觸發(fā)脈沖的寬度只有7.2°，當(dāng)輸入電壓等于E時(shí)，觸發(fā)脈沖信號(hào)已經(jīng)消失，因此晶閘管始終不能導(dǎo)通，整流器的輸出電壓為反電動(dòng)勢(shì)電壓50V，輸出電流為零。圖5(b)中，觸發(fā)角仍為18°，但是由于觸發(fā)脈沖足夠?qū)?，?dāng)輸入電壓等于E時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在，因此晶閘管能夠?qū)?，?dǎo)通角為120°。圖5(c)中觸發(fā)角為30°，得到的輸出電壓和電流波形與圖5(b)相同。圖5(d)中觸發(fā)角為60°，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間減少，整流器的平均輸出電壓和電流也隨之降低，此時(shí)的導(dǎo)通角為90°。通過對(duì)仿真波形的分析和解釋，學(xué)生對(duì)觸發(fā)脈沖的作用及反電動(dòng)勢(shì)電壓對(duì)整流電路輸出的影響有了更深刻的認(rèn)識(shí)，解決了課堂教學(xué)中的疑難問題。

圖3　不同觸發(fā)角對(duì)應(yīng)的整流輸出電壓波形

圖4　不同電感值對(duì)應(yīng)的整流輸出電壓和電流波形

圖5　不同觸發(fā)角時(shí)電阻反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載對(duì)應(yīng)的整流電路仿真波形

3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“電力電子學(xué)”課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是加深學(xué)生掌握理論教學(xué)內(nèi)容的主要途徑，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要的意義。MATLAB仿真軟件具有直觀、形象、有趣等優(yōu)點(diǎn)，利用仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、參數(shù)設(shè)置受限等問題，并且自身具有安全可靠、成本低、可重復(fù)使用以及便于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展的優(yōu)點(diǎn)。目前“電力電子學(xué)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是十幾年前購置的設(shè)備，由于設(shè)備陳舊，只能開出電力電子器件性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流電路實(shí)驗(yàn)和三相有源逆變電路實(shí)驗(yàn)等三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用MATLAB仿真軟件后，可以方便地增加單相橋式整流電路實(shí)驗(yàn)、DC/DC變換電路實(shí)驗(yàn)、三相無源逆變電路實(shí)驗(yàn)、AC/AC變換電路實(shí)驗(yàn)等。在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以任意調(diào)整電路的參數(shù)，掌握電路參數(shù)變化對(duì)輸出特性的影響。采用仿真技術(shù)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，拓展了?shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到了提高理論教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的目的。

四、結(jié)論

“電力電子學(xué)”課程是船舶電子電氣工程專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課之一，通過在傳統(tǒng)教學(xué)中結(jié)合MATLAB仿真技術(shù)，采用輸出波形動(dòng)態(tài)比較、疑難問題解答和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展等方法，可以克服傳統(tǒng)教學(xué)講解內(nèi)容抽象、難以理解及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少等問題，達(dá)到提高理論教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的目的。MATLAB仿真技術(shù)為“電力電子學(xué)”課程教學(xué)提供了嶄新的途徑，如何拓展該仿真技術(shù)在航海類其他課程教學(xué)中的應(yīng)用還需要在今后的教學(xué)實(shí)踐中不斷探索。

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[6] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)：5版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：朱景偉(1963-),男,教授,博士,主要從事電力電子變換器及電機(jī)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代控制技術(shù)的研究。

中圖分類號(hào)：U676.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8724(2016)02-0042-04