MATLAB 仿真技术在“电力电子学”课程教学中的应用

朱景伟，赵红，姚玉斌

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连　116026)

MATLAB 仿真技术在“电力电子学”课程教学中的应用

朱景伟，赵红，姚玉斌

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连116026)

摘要：介绍“电力电子学”课程在船舶电子电气工程专业课程体系中的地位和MATLAB仿真技术的特点，讨论单相桥式全控整流电路的工作原理并建立了相应的MATLAB仿真模型，通过在“电力电子学”课程教学中结合MATLAB仿真技术，采用输出波形动态比较、疑难问题解答和实验内容拓展等方法，克服了传统教学存在的不足，达到提高理论教学质量和培养学生工程实践能力的目的。

关键词：船舶电子电气专业；电力电子学；课程教学；MATLAB仿真技术

一、引言

船舶电子电气工程专业是大连海事大学航海类特色专业之一，该专业的目标是培养能够胜任现代化船舶中电子电气设备管理、维护与修理等任务的高级工程技术人才[1]。“电力电子学”是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。在现代化程度高的船舶中，电力电子变换器在船舶电站、船上电源控制设备及控制各种泵及推进电动机的变频调速装置中得到越来越广泛的应用。因此，“电力电子学”是船舶电子电气工程专业的一门重要的技术基础课，同时又是后续“交流变频调速”“船舶电力拖动系统”等课程学习的基础，在整个专业课程体系结构中占有举足轻重的位置。

“电力电子学”课程是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，具有非常强的理论性、综合性和实践性。[2-3]在该课程的教学中，常常需要借助大量的波形来分析各种能量转换过程。由于课程理论性强，影响输出波形的因素较多，导致学生感到课程内容抽象、理解不深刻，教学效率低下。实验在该课程的教学中占有十分重要的地位，但是，由于实验学时不足和实验设备的短缺等原因，往往造成实验项目选择面较窄、实验数量少且简单等问题。

Matlab/Simulink仿真软件具有建模资源丰富、设计过程简单、输出形式多元和感受直观深刻等优点。[4-5]在“电力电子学”课程的理论教学中使用该软件可以克服传统教学中讲解内容抽象、图形显示不直观、教学内容难以扩展等方面的不足。此外，使用该仿真软件进行模拟实验，可以大大减少实验设备资金的投入，完全避免实验中因接线错误等原因而造成的设备损坏问题，同时易于实验内容的拓展，起到事半功倍的效果。本文讨论Matlab/Simulink仿真技术在“电力电子学”课程教学中的应用及拓展。

二、整流电路工作原理及仿真建模

整流电路是电力电子系统中出现最早、应用最广泛的变换电路。单相桥式全控整流电路如图1所示，电路由整流变压器T、四个晶闸管VT1～VT4和负载组成。根据应用场合不同，整流电路的负载可能是纯电阻性负载R、阻感负载R和L、电阻反电动势负载R和E等[6]。图1中晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在工作中，一对桥臂的晶闸管由同一个触发信号触发，因此VT1和VT4同时导通或关断。

在MATLAB/Simulink环境中，应用相关工具箱可建立如图2所示的单相桥式全控整流电路的仿真模型。图中显示的负载R和L是阻感负载，当对纯电阻负载和电阻反电动势负载进行仿真时，只要将图中的阻感负载替换成相应负载即可。图中U2和Ud是电压测量模块，分别用于测量输入电压u2和负载电压ud；IVT1和Id为电流测量模块，分别用于测量晶闸管VT1电流iVT1和负载电流id。

图1　单相桥式全控整流电路图

图2　单相桥式全控整流电路仿真模型图

三、仿真技术在教学中的应用

1．输出波形动态比较

在课程教学中应用仿真技术的目的是提高理论教学效果及效率。由于Matlab仿真软件具有参数设置灵活的特点，因此在单相桥式全控整流电路的教学中可以方便地动态比较不同触发角时的输出电压和电流波形、相同触发角不同负载时的输出电压和电流波形等，这样可以使学生清晰地理解触发角对整流电路输出特性的影响、负载对整流电路输出特性的影响。

如图3所示为纯电阻负载时不同触发角对应的整流输出电压波形。由图3可知，在负载相同时，触发角越大，一个周期内负载电压与横轴所围面积越小，整流电路平均输出电压越小。当触发角为0°时，整流电路平均输出电压最大；当触发角为180°时，整流电路平均输出为零。因此得出该整流电路触发角的变化范围为0°～180°。

如图4所示为触发角保持不变，不同电感值对应的整流输出电压和电流波形。其中图4(a)中电感为零，整流器输出电压电流波形变化趋势一致。图4(b)中电感值较小，虽然输出电压有小于零的区间，但是输出电流值仍然是断续的。图4(c)中输出电流是连续波形，但电流具有较大的纹波。图4(d)中的输出电流基本保持恒定。由图4可知，在触发角相同的情况下，单相桥式全控整流电路的平均输出电压随着负载电感的增大而减小，输出电流的波纹随着电感的减小而增大。

通过图3和图4波形的演示，使不同触发角和不同负载时对整流电路的输出特性的影响一目了然，再与定量计算结果进行对比验证，使整个分析过程更加合理严密，使学生对课程内容的理解也更加深刻。

2．疑难问题解答

当整流电路的输出连接蓄电池或直流电动机的电枢时，负载可看成是一个直流电压源，即整流电路连接电阻反电动势负载。在讲授该部分课程内容时，许多学生对于要求触发脉冲具有足够的宽度以及晶闸管何时导通等问题不易理解。借助于MATLAB仿真波形进行讲解，收到良好的教学效果。如图5所示为不同触发角时电阻反电动势负载对应的整流电路仿真波形。图中的脉冲为晶闸管的触发脉冲信号。图中整流器的输入电压峰值为100V，直流反电动势电压E=50V，触发角分别为18°、30°和60°。

晶闸管导通的基本条件是承受正向偏压，图5(a)中，当触发脉冲到来时，整流器的输入电压小于直流反电动势电压E，因此晶闸管不能导通。当输入电压等于直流反电动势电压E时(即30°时)，如果此时有触发脉冲信号，晶闸管能够导通。但是由于触发角为18°，而且触发脉冲的宽度只有7.2°，当输入电压等于E时，触发脉冲信号已经消失，因此晶闸管始终不能导通，整流器的输出电压为反电动势电压50V，输出电流为零。图5(b)中，触发角仍为18°，但是由于触发脉冲足够宽，当输入电压等于E时，触发脉冲仍然存在，因此晶闸管能够导通，导通角为120°。图5(c)中触发角为30°，得到的输出电压和电流波形与图5(b)相同。图5(d)中触发角为60°，晶闸管的导通时间减少，整流器的平均输出电压和电流也随之降低，此时的导通角为90°。通过对仿真波形的分析和解释，学生对触发脉冲的作用及反电动势电压对整流电路输出的影响有了更深刻的认识，解决了课堂教学中的疑难问题。

图3　不同触发角对应的整流输出电压波形

图4　不同电感值对应的整流输出电压和电流波形

图5　不同触发角时电阻反电动势负载对应的整流电路仿真波形

3．实验内容拓展

实验教学是“电力电子学”课程教学的重要环节，是加深学生掌握理论教学内容的主要途径，同时对培养学生的综合素质和实践创新能力具有重要的意义。MATLAB仿真软件具有直观、形象、有趣等优点，利用仿真技术进行实验教学能够弥补传统教学实验设备不足、参数设置受限等问题，并且自身具有安全可靠、成本低、可重复使用以及便于实验内容拓展的优点。目前“电力电子学”的实验设备是十几年前购置的设备，由于设备陈旧，只能开出电力电子器件性能测试实验、三相桥式全控整流电路实验和三相有源逆变电路实验等三个实验项目。采用MATLAB仿真软件后，可以方便地增加单相桥式整流电路实验、DC/DC变换电路实验、三相无源逆变电路实验、AC/AC变换电路实验等。在仿真实验过程中，学生可以任意调整电路的参数，掌握电路参数变化对输出特性的影响。采用仿真技术和现有实验相结合的实验模式，拓展了实验项目，达到了提高理论教学质量和培养学生创新和实践能力的目的。

四、结论

“电力电子学”课程是船舶电子电气工程专业重要的技术基础课之一，通过在传统教学中结合MATLAB仿真技术，采用输出波形动态比较、疑难问题解答和实验内容拓展等方法，可以克服传统教学讲解内容抽象、难以理解及实验项目少等问题，达到提高理论教学质量和培养学生工程实践能力的目的。MATLAB仿真技术为“电力电子学”课程教学提供了崭新的途径，如何拓展该仿真技术在航海类其他课程教学中的应用还需要在今后的教学实践中不断探索。

参考文献：

[1] 赵红,姚玉斌,朱景伟.航海类专业“电机学”双语教学的实践探讨[J].航海教育研究, 2013,30(4):66-68.

[2] 牛天林,樊波,张强,等. Matlab /Simulink 仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索,2015,34(2):84-87.

[3] 苏良昱,王武,葛瑜.电力电子技术仿真实验教学维拓展[J].实验技术与管理,2013,30(1):170-173.

[4] 汪义旺,索迹.电力电子技术仿真实验教学探讨[J].实验科学与技术,2011,9(4):53-55.

[5] 刘淑荣,庞伟,张红.MATLAB 仿真在“电力电子技术”课程教学中的应用[J].长春工程学院学报,2013,14(2):123-126.

[6] 王兆安,刘进军.电力电子技术：5版[M].北京:机械工业出版社,2009.

收稿日期：2015-10-12

作者简介：朱景伟(1963-),男,教授,博士,主要从事电力电子变换器及电机设计与现代控制技术的研究。

中图分类号：U676.2

文献标识码：A

文章编号：1006-8724(2016)02-0042-04