榮 軍,湛騰西,嚴(yán)太山,萬(wàn) 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(yáng) 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(yán)太山,萬(wàn) 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(yáng) 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(shí)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(jì)算機(jī)仿真軟件驗(yàn)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(yàn),采用波形分析法進(jìn)行教學(xué),具體做法就是將各種電路每個(gè)工作過程及每一個(gè)階段利用圖形表現(xiàn)出來(lái),然后對(duì)電路的工作波形進(jìn)行詳細(xì)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(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)其工作原理進(jìn)行仿真驗(yàn)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(jì)算機(jī)仿真軟件的演示,不僅是對(duì)教師課堂所講理論知識(shí)的當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)證,也是對(duì)所學(xué)理論知識(shí)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(shí)點(diǎn)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(gè)教學(xué)過程展現(xiàn)出來(lái).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(dòng)信號(hào)時(shí),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(shí),開關(guān)管V開通,二極管VD截止,L儲(chǔ)存能量,電源E向負(fù)載供電,負(fù)載電壓uo=E,負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升.當(dāng)開關(guān)V沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),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(shí),開關(guān)管V關(guān)斷,二極管VD導(dǎo)通續(xù)流.uo近似為零,負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降,通常串接較大電感L,使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)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(shí)等效電路及工作波形圖

圖3 降壓斬波電路V關(guān)斷時(shí)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(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小.電感足夠大,電流連續(xù).則電路穩(wěn)態(tài)時(shí),負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等,所以負(fù)載電壓平均值

其中ton為V通的時(shí)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(jì)算機(jī)仿真軟件MATALB來(lái)驗(yàn)證課堂所學(xué)理論知識(shí)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(shí),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(shí),其輸出電壓為160V,按照前面的理論計(jì)算其輸出電壓Uo=80%×200=160V ,理論計(jì)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(shí),其輸出電壓為40V,按照前面的理論計(jì)算其輸出電壓Uo=20%×200=40V,理論計(jì)算與仿真結(jié)果完全一致.這樣通過MATLAB仿真軟件對(duì)課堂上所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行了驗(yàn)證,替代了實(shí)驗(yàn)課的功能,省時(shí)省力,同時(shí)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(yǔ)

本文介紹了對(duì)降壓斬波電路課堂教學(xué)進(jìn)行的改革,首先給出了開關(guān)管處于開通和關(guān)斷時(shí)的兩個(gè)等效電路和工作波形圖,然后推導(dǎo)其輸出電壓的理論計(jì)算公式,最后通過計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證.整個(gè)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(xiàng)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(bào),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(jì)算機(jī)教育,2012(4): 74～75

[3]王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京: 機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京: 機(jī)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(xiàng)目(湘教通[2016]400號(hào)); 岳陽(yáng)市社會(huì)科學(xué)課題(2017y26)

榮 軍(1978? ),男,湖南岳陽(yáng)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(jī)控制技術(shù)