榮 軍,湛騰西,嚴太山,萬 力,伍健輝

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

仿真軟件在降壓斬波電路教學(xué)中的應(yīng)用

榮 軍,湛騰西,嚴太山,萬 力,伍健輝

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)中,以降壓斬波電路教學(xué)為例,首先利用開關(guān)管開通和關(guān)斷時得到的等效電路和工作波形向?qū)W生講解,在弄懂其工作原理后,然后利用計算機仿真軟件驗證其理論分析.通過這樣的授課方式,能夠吸引學(xué)生聽課,提高課堂學(xué)習(xí)效率.

電力電子技術(shù); 課堂教學(xué); 降壓斬波電路; 建模與仿真

Abstract: In the classroom teaching of power electronic technology,we use buck chopper circuit as a teaching example.Firstly,we get the equivalent circuits and the working waveform of switch by turning on and turning off to explain to the students,then,make use of the computer simulation software to test the theory analysis.Through the way of teaching,it can attract the students to attend a lecture and improve the efficiency of classroom learning.

Key words: power electronic technology,classroom teaching,buck chopper circuit,modeling and simulation

0 引言

學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)這門課程,主要是了解四種變換電路(AC/DC、DCDC、DCAC、ACAC)的工作原理,并熟練掌握四種變換電路中二十多種電路的工作原理.如何學(xué)習(xí)好多種電力變換器的工作原理,是擺在教師和學(xué)生面前的一道難題[1,2].筆者結(jié)合多年的課堂教學(xué)經(jīng)驗,采用波形分析法進行教學(xué),具體做法就是將各種電路每個工作過程及每一個階段利用圖形表現(xiàn)出來,然后對電路的工作波形進行詳細分析,使學(xué)生了解到器件和電路在各階段的工作狀態(tài).最后通過計算機仿真軟件對其工作原理進行仿真驗證,證明其理論分析的正確性.與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比,加入計算機仿真軟件的演示,不僅是對教師課堂所講理論知識的當(dāng)場驗證,也是對所學(xué)理論知識的具體應(yīng)用,課堂教學(xué)效果明顯好于常規(guī)教學(xué)方法.

1 電力電子技術(shù)課堂教學(xué)知識點舉例

本文以整流電路當(dāng)中的降壓斬波電路為例[3],通過課堂教學(xué)將整個教學(xué)過程展現(xiàn)出來.降壓斬波電路(Buck電路)電路圖及工作波形圖分別如圖1(a)和(b)所示.其工作原理描述如下: 當(dāng)開關(guān)V有驅(qū)動信號時,V導(dǎo)通,其等效電路和工作波形圖分別如圖2(a)和(b)所示,其中圖2(b)中陰影部分表示工作波形部分.此時,開關(guān)管V開通,二極管VD截止,L儲存能量,電源E向負載供電,負載電壓uo=E,負載電流io按指數(shù)曲線上升.當(dāng)開關(guān)V沒有驅(qū)動信號時,V關(guān)斷,其等效電路和工作波形圖分別如圖3(a)和(b)所示,其中圖3(b)中陰影部分表示工作波形部分[4].此時,開關(guān)管V關(guān)斷,二極管VD導(dǎo)通續(xù)流.uo近似為零,負載電流呈指數(shù)曲線下降,通常串接較大電感L,使負載電流連續(xù)且脈動小.

圖1 降壓斬波電路工作電路及工作波形圖

圖2 降壓斬波電路V開通時等效電路及工作波形圖

圖3 降壓斬波電路V關(guān)斷時等效電路及工作波形圖

電路數(shù)量關(guān)系的推導(dǎo)如下: 通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小.電感足夠大,電流連續(xù).則電路穩(wěn)態(tài)時,負載電流在一個周期的初值和終值相等,所以負載電壓平均值

其中ton為V通的時間;T為工作周期;為導(dǎo)通占空比.

顯然α＜1,輸出電壓低于電源電壓,故為降壓斬波電路,其工作波形如圖3所示.

2 MATLAB/Simulink在直流斬波電路中的應(yīng)用

當(dāng)教師通過圖表將降壓斬波電路的工作原理介紹清楚后,就可以通過計算機仿真軟件MATALB來驗證課堂所學(xué)理論知識的正確性.在MATLAB/Simulink中搭建降壓斬波電路的仿真模型如圖4所示[5,6].在圖4所示的仿真模型中,輸入直流電壓E=200V ,開關(guān)頻率K=5000Hz.當(dāng)占空比分別取80%和20%時,其輸出電壓的仿真波形分別如圖5(a)和(b)所示.從圖5(a)可以看出,當(dāng)占空比為80%時,其輸出電壓為160V,按照前面的理論計算其輸出電壓Uo=80%×200=160V ,理論計算與仿真結(jié)果完全一致.另外從圖5(b)可以看出,當(dāng)占空比等于20%時,其輸出電壓為40V,按照前面的理論計算其輸出電壓Uo=20%×200=40V,理論計算與仿真結(jié)果完全一致.這樣通過MATLAB仿真軟件對課堂上所學(xué)理論知識進行了驗證,替代了實驗課的功能,省時省力,同時還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

圖4 降壓斬波電路在MATLAB中的仿真模型

圖5 降壓斬波電路輸出電壓仿真波形

3 結(jié)語

本文介紹了對降壓斬波電路課堂教學(xué)進行的改革,首先給出了開關(guān)管處于開通和關(guān)斷時的兩個等效電路和工作波形圖,然后推導(dǎo)其輸出電壓的理論計算公式,最后通過計算機仿真軟件對理論分析進行了驗證.整個教學(xué)過程相比較傳統(tǒng)的授課方式,教師授課更加輕松,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣更濃,而且學(xué)習(xí)效率更高.

[1]榮 軍,李一鳴,李宏民,等.科研項目在“電力電子技術(shù)”課程中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013,35(2): 74～75,107

[2]榮 軍,丁躍澆,張 敏,等.“案例教學(xué)法”在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].計算機教育,2012(4): 74～75

[3]王兆安,劉進軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京: 機械工業(yè)出版社,2009

[4]王秀琴,榮 軍,段 丹,等.基于MATLAB的Buck DC/DC變換器的仿真研究[J].電子技術(shù),2014(5): 5～7

[5]張志華,榮 軍,劉祥松,等.直流升降壓變換系統(tǒng)的建模與仿真[J].電子技術(shù),2014(2): 5～7

[6]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2006

Application of Simulation Software in Buck Chopper Circuit Teaching

RONG Jun,ZHAN Tengxi,YAN Taishan,WAN Li,WU Jianhui
(College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

G642

A

1672-5298(2017)03-0088-03

2017-01-16

湖南省普通高校教學(xué)項目(湘教通[2016]400號); 岳陽市社會科學(xué)課題(2017y26)

榮 軍(1978? ),男,湖南岳陽人,碩士,湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師.主要研究方向: 電機控制技術(shù)