郭龍源，榮軍，吳健輝，涂兵，歐先鋒

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，岳陽414006）

計算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

郭龍源，榮軍，吳健輝，涂兵，歐先鋒

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，岳陽414006）

針對電力電子技術(shù)課堂教學(xué)過程中，出現(xiàn)的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃以及學(xué)習(xí)費(fèi)力的缺點，將計算機(jī)仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)中，是提高教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效手段。通過實踐證明，將計算機(jī)仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，不但提高電機(jī)與拖動課堂教學(xué)效果，而且提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，從而起到培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的作用。

湖南省普通高校教學(xué)改革研究項目（湘教通〔2016〕400號）、湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目（湘教[2015]291號）

0 引言

電力電子技術(shù)是自動化專業(yè)必修的專業(yè)課程之一。它對學(xué)生的基礎(chǔ)知識面要求很寬，理論性強(qiáng)，涉及控制、電力和電子等方面的課程；課程里面的電路和運(yùn)算非常多，而且電路工作原理復(fù)雜，運(yùn)算繁瑣，因此學(xué)生學(xué)習(xí)起來特別吃力[1-2]。對于這門課的特點，在課堂教學(xué)過程中引入計算機(jī)仿真，不僅可以解決學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程困難的問題，而且在電力電子技術(shù)相關(guān)的畢業(yè)綜合實訓(xùn)中，使學(xué)生可以利用相關(guān)軟件解決實際問題。因此本文嘗試通過課堂教學(xué)的一些改革，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的要求[3-4]。

1 電機(jī)與拖動課堂教學(xué)舉例

本文以王兆安等主編教材《電力電子技術(shù)》第五章5.1節(jié)中的內(nèi)容為例，探討計算機(jī)仿真應(yīng)用到教學(xué)中的方法[5]。按照常規(guī)教學(xué)法教師會按照以下課堂教學(xué)設(shè)計進(jìn)行。教師首先給出降壓斬波電路工作原理圖如圖1所示。按照一般課堂教學(xué)方法講述：當(dāng)開關(guān)V有驅(qū)動信號導(dǎo)通時，二極管VD因為電壓反接截止，電源E E向負(fù)載供電，電感L吸收能量，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升，負(fù)載電壓Uo=E。當(dāng)開關(guān)V斷開時，二極管VD電壓正接導(dǎo)通續(xù)流。Uo基本為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了負(fù)載電流連續(xù)且波動小，電感L要較大。為了進(jìn)一步講清楚降壓斬波電路，需要從輸入，輸出電壓的關(guān)系上進(jìn)行闡述：圖1所示的電路因為電感足夠大，電流連續(xù)且較平穩(wěn)，且一個周期內(nèi)負(fù)載電流的初值和終值相等。所以負(fù)載電壓平均值：

其中ton—V通的時間；T—工作周期；α—導(dǎo)通占空比ton。

很明顯α<1，輸出電壓低于電源電壓，故為降壓斬波電路。

圖1 降壓斬波電路原理圖

2 教學(xué)過程設(shè)計

降壓斬波電路的工作原理講解比較簡單，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)興趣并不濃。針對這個問題，教師可以在MATLAB中建立Buck電路的仿真模型，如圖2所示[6-8]。然后得到其仿真結(jié)果，如圖3所示。其中，圖2仿真波形從上至下依次為功率開關(guān)管V的電流波形，二極管VD的電流波形，輸出電流波形以及輸出電壓波形。從圖2中可以看出，在IGBT關(guān)斷時，電流經(jīng)電感L、電阻R、VD形成回路，使電阻兩端電壓波形連續(xù)，但波動很大。此外，原來直流電壓為100V，經(jīng)過降壓變換器直流變換后，電壓降低到約50V，實現(xiàn)了降壓變換。通過計算機(jī)仿真軟件很容易使學(xué)生明白直流電機(jī)采用直接起動會產(chǎn)生大的電流和電磁轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于實驗效果，吸引了學(xué)生的聽課興趣。

圖2 降壓斬波電路的仿真模型

圖3 降壓斬波電路的仿真波形

雖然通過仿真軟件驗證了降壓斬波電路的理論分析正確性，但是這點還不足以激發(fā)學(xué)生的興趣，最能打動學(xué)生的就是讓他們了解學(xué)以致用，以前在自動控制原理學(xué)習(xí)中，知道引入反饋能夠改善系統(tǒng)的性能，比如增加穩(wěn)定性，以及改善動態(tài)性能。接下來教師將雙閉環(huán)控制系統(tǒng)（電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)）引入降壓斬波電路的控制系統(tǒng)中，其中將自動控制原理的中的雙閉環(huán)引入到降壓斬波電路中，降壓斬波電路雙雙環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 降壓斬波電路的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖4所示的雙環(huán)控制電路采用電壓負(fù)反饋。其中外環(huán)的作用是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化，或受到干擾，輸出電壓發(fā)生波動時，通過負(fù)反饋回路調(diào)節(jié)開關(guān)的導(dǎo)通時間，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。但是這種調(diào)節(jié)功能必須要等到輸出電壓發(fā)生波動時才能起作用，這就導(dǎo)致單閉環(huán)系統(tǒng)在控制和調(diào)節(jié)作用上的滯后。為了克服這類問題，在電壓控制環(huán)內(nèi)加入電流控制環(huán)，可得到較好的動態(tài)性能。電流控制環(huán)是內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)電流自動調(diào)節(jié)；電壓控制環(huán)是外環(huán)，實現(xiàn)電壓自動調(diào)節(jié)。電流控制環(huán)是由開關(guān)控制器、開關(guān)變換器、電流控制器和電流采樣器等組成。Buck電路雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在MAT?LAB中仿真模型如圖5所示，仿真結(jié)果如圖6所示，其中圖6中仿真波形分別為輸出電壓和輸出電流仿真波形。由圖6可以清楚地看到，當(dāng)0.005s時，電壓給定值由30V階躍到60V，輸出電壓實現(xiàn)了給定值跟蹤。也就是說當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動或者負(fù)載發(fā)生變化時，電路能夠快速地調(diào)節(jié)，以保證輸出穩(wěn)定。從上面的教學(xué)分析可知，相對于純理論講解降壓斬波電路的工作過程，學(xué)生聽課要輕松很多，學(xué)完理論知識后能立即通過仿真軟件驗證理論分析的正確，然后結(jié)合其他課程的相關(guān)知識，能夠極大的吸引學(xué)生認(rèn)真聽課的興趣，從而能夠提高課堂聽課效果。

3 結(jié)語

由于電力電子技術(shù)涉及課程控制、電力和電子等方面，里面電路工作原理復(fù)雜,以運(yùn)算繁瑣,因此學(xué)生學(xué)習(xí)起來費(fèi)力，興趣不濃。本文以實例為基礎(chǔ)，探討了將計算機(jī)仿真技術(shù)引入該課程課堂教學(xué)中的方法。實踐表明,將計算機(jī)仿真技術(shù)引入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中,不但提高了電機(jī)與拖動課堂教學(xué)效果,而且提高學(xué)生理論知識應(yīng)用于實際的能力，達(dá)到了培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才的作用。

圖5 降壓斬波電路雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型圖

圖6 串一級電阻起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形

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[2]顧春雷,何堅強(qiáng),胡國文.電機(jī)與拖動課程教學(xué)改革的探索.2007年中國自動化教育學(xué)術(shù)年會論文集，2007:421-422

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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

郭龍源（1973-），男，湖南岳陽人，教師，博士，研究方向為數(shù)字圖像處理，機(jī)器視覺；榮軍（1977-），男，湖南岳陽人，碩士，副教授，研究方向為工業(yè)電氣自動化；吳健輝（1977-），男，湖南新化人，博士，教授，研究方向為數(shù)字圖像處理；涂兵（1983-），男，湖南岳陽人，博士，副教授，研究方向為數(shù)字圖像處理；通信作者：歐先鋒（1983-），男，湖南郴州人，博士，講師，研究方向為數(shù)字圖像處理，Email：ouxf@hnist.edu.cn；

2017-03-21

2017-06-18

電力電子技術(shù)；教學(xué)重點；計算機(jī)仿真；Buck電路；聽課效率

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