電力電子技術教學模式探討

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一、仿真軟件的選擇

國內高校電類專業都已引入各種仿真軟件，如MATLAB、EWB、Protel、Saber、PISM及PSpice等，[4]其中MATLAB、Saber、PISM及PSpice等是在電力電子領域使用較多的仿真軟件，并取得了一定成效。仿真軟件的選擇是根據筆者所在上海電機學院（以下簡稱“我?！保┑膶嶋H情況來確定的。我校的“電力電子技術”課程是這樣設置的：普通班級共64學時，其中理論58學時、實驗6學時，而人才實驗創新實驗區試點班級設置的“電力電子技術”課程共64學時，其中理論48學時、實驗16學時。人才實驗創新實驗區試點班級的教學模式應以不刪減教學內容、不增加學時以及契合我校學生實際情況為前提，因此，仿真軟件必須具有易學易用、運算快速等特點，同時結合我校學生在學習高等數學時已經接觸到了MATLAB軟件的情況，因此選用MATLAB軟件。MATLAB/Simulink中提供的SimPowerSystem模型庫，是進行電力電子系統仿真的理想工具，SimPowerSystem模型庫中包含了常用的電源模塊、電力電子器件模塊等。通過使用這些模塊可以搭接各種電路，能方便得到電路中的電流、電壓等各種波形，并能方便改變電路參數而得到不同的波形。

二、MATLAB/Simulink軟件在理論教學活動中的應用

利用MATLAB/Simulink軟件能夠非常容易地構建與實際相符合的教學場景。教師在教學中引入仿真軟件，在講授基本變流理論時，利用MATLAB/SIMLINK軟件構建電力電子電路進行仿真演示，電力電子變換與控制領域所遇到的多數典型開關電路均可建立仿真模型，通過對模型的仿真，可直觀展示各種參數變化對電路波形圖的影響以及數值計算，以便學生全面準確理解教學內容，可以為教學現場營造一種真實的電力電子電路工作場景，既具體又生動。除此以外，還可以利用軟件提供的參數設置功能，通過改變器件參數值，學生在學習的時候，可以先自己分析某種參數值條件下電路的工作情況和對應的波形圖，然后再在仿真模型中輸入相應的參數值，把自己分析的結果與仿真結果相對比。同時，在電路仿真時，可以模擬各種電力電子器件故障，如開路、短路或脈沖丟失等，能夠清晰地展示各種電力電子電路的工作過程，使學生能夠直觀、全面地掌握課程學習內容，同時將學習活動情境化、趣味化，這大大加深了學生對所學知識的理解，使學生能夠將隱性的理論知識轉化為顯性的技能。在教學設計上，教學初期，剛剛講授電路變換時，學生初次接觸，實際的感觀并不多，對電路電壓、電流波形、管子的切換、工作原理等理解有些困難，需要構建一個與實際相符合的情境，并且學生對MATLAB仿真軟件的應用還不熟練，需要在課堂上現場建立仿真模型。以單相半控橋式整流電路為例，把電路圖投影到大屏幕上，教師首先要分析電路的組成和工作原理，然后再一步一步建立MATLAB單相半控橋式整流電路仿真模型，該電路的仿真過程可以分為建立仿真模型、設置模型參數和觀察仿真結果。

1.建立仿真模型

（1）建立一個仿真模型的新文件。從MATLAB窗口進入Simulink環境有三種方式，我們選擇其中一種：在MATLAB的菜單欄上點擊File，選擇New，再在彈出菜單中選擇Model，這時出現一個空白的仿真平臺，在這個平臺上可以繪制電路的仿真模型。（2）提取電路元器件模塊。在仿真模型窗口的菜單上點擊圖標調出模型庫瀏覽器，找到Simulink／PowerSystem的模型窗口，在模型庫中提取所需的模塊放到仿真窗口。組成單相半控橋式整流電路的元器件有交流電源、晶閘管、二極管、脈沖發生器、RLC負載、示波器等。（3）將電路元器件模塊按單相半控橋式整流電路原理圖連接起來組成仿真電路，如圖1所示。

2.設置模型參數

設置模型參數是保證仿真準確和順利進行的重要一步。有些參數由仿真任務決定，如電壓、電流等，有些參數是需要通過仿真來確定的。設置模型參數可以雙擊模塊圖標彈出參數設置對話框，然后按框中提示輸入，若有不清楚的地方可以借助help幫助。在本例中，參數設置交流電源、晶閘管、二極管、負載、脈沖等。以下以交流電源參數設置為例：雙擊交流電源模塊，彈出對話框，設置電壓為220V，頻率為50Hz，初始相位為0°。

3.觀察仿真結果

在模型開始仿真前還必須首先設置仿真參數。在菜單中選擇Simulation，在下拉菜單中選擇Simulationparameters，在彈出的對話框中設置的項目很多，主要有開始時間、終止時間、仿真類型等。在參數設置完畢后即可以開始仿真。在菜單Simulation下選擇Start，立即開始仿真，若要中途停止仿真可以選擇Stop。在仿真計算完成后即可以通過示波器來觀察仿真的結果。在需要觀察的點上放置示波器，雙擊示波器圖標，即彈出示波器窗口顯示輸出波形，同時在Display模塊可以看到輸出電壓的平均值。以下是不同負載時的仿真波形圖。（1）Rd負載時的仿真波形。如圖2所示為控制角α=60°單相半控橋式整流電路電阻負載時二次側電壓、觸發脈沖、負載的電壓和電流及管子VT1兩端的電壓波形。（2）Rd+Ld負載時的仿真波形。研究阻感性負載時電路工作情況，只需重新設置負載參數。再次啟動仿真，在單相半控整流電路中，阻感性負載時電路的二次側電壓、觸發脈沖、負載的電壓以及管子二端的電壓波形都同阻性負載時相同，如圖2所示。與阻性負載不同的是負載電流波形不同，阻性負載時負載電流波形為斷續的，而阻感負載時負載電流的波形為連續的。（3）失控時的仿真。在研究單相半控橋式整流電路電阻電感負載時，當觸發脈沖丟失會發生失控現象，只需斷開一個觸發脈沖，再次啟動仿真，得到如圖3所示波形。通過這樣一個過程，使學生在腦海里深深留下了電路的各點波形形狀，電壓波形為什么會變化，電壓波形變化同哪些參數有關？控制角與輸出電壓波形有著怎樣的對應關系？怎樣的情況下發生失控，失控時電路的工作情況又是如何？引導學生自然地進入單相半控橋式整流電路的知識學習。在教學過程的中后期，學生已經熟悉MATLAB/Simulink軟件使用，就不必在課堂上現場建立電路的仿真模型。為了節約時間，把《電力電子技術》教材各個電路的仿真模型都事先建好備用，當講解到哪個電路時就可以運行這個模型，改變參數看電路仿真結果。通過這樣一個環節，讓學生能夠把電力電子變換器的工作原理、物理波形及數學關系等緊密聯系在一起，從而全面掌握變換器的工作過程，為學生提供一種直接感性的學習方式，幫助學生更深刻地理解這門課程。

三、MATLAB/Simulink軟件在實驗教學活動中的應用

傳統本科電力電子技術實驗大都依托實驗平臺進行，實驗平臺的優點是安全、方便管理。但是依托實驗平臺進行的實驗基本都屬于演示性或驗證性實驗，硬件實驗條件很難覆蓋知識點的各個方面，動手能力提高較慢，同時，學生誤操作多、實驗裝置損壞較嚴重，而且出現問題不知道如何分析解決，只能等老師來解決[4]，其主要原因是學生對所學知識掌握不夠以及對實驗臺和操作缺少感性認識，直接導致誤操作，學生應掌握的知識和應具備的能力沒能落到實處。同時實驗基本上局限于對教材中部分理論的驗證，不能很好地與實際應用相聯系，這使得教學工作比工程實際滯后很多，不能充分實現技術應用型本科人才的培養目標，對于學生能力的培養和將來的就業很不利。因此，我們在實踐教學中采用實物實驗與虛擬實驗技術手段相結合的模式，即先仿真實驗后實物實驗的雙實驗環節。在實驗教學環節上，依托實驗平臺進行，每章精選出1-2個實驗作為必做實驗教學內容，使學生通過做這些實驗，熟悉并掌握實驗設備及儀器儀表的使用方法，在掌握理論知識的基礎上進行實驗，各種電力電子器件的性能特性、各種應用電路的工作過程及技術指標也通過實驗得以驗證。同時，在現有條件的情況下，針對電力電子技術實驗中存在的問題，采用計算機模擬仿真的手段進行彌補，用MATLAB/Simlink仿真軟件對電力電子電路進行測試，根據教學內容設計了相關的仿真實驗內容（10個課外實驗），教師在課內布置要完成的項目，每個項目給學生提出一個設計要求（如設計一個三相交流電到直流電的變換電路，給出這個直流電源的具體性能指標，如輸出電壓的變化范圍、電流大小、電壓紋波系數等等，要求自己選擇元器件，設計電路，并最終實現或仿真驗證），要求學生完成簡單的電路設計，實現所要求的電路功能，可以讓學生在課外利用仿真軟件自主完成。教師驗證結果，做到課內和課外實驗相結合，充分發揮學生的主體作用，培養自信，調動了學生學習的主動性、積極性和創造性。同時，通過對實際電路的仿真分析，可進一步提高學生對電路的認識分析和創新能力，彌補實物實驗的不足。

四、結束語

本文提出的基于MATLAB仿真平臺的“電力電子技術”教學模式，以MATLAB/Simulink仿真技術為工具，探究教學創新模式為手段，形成理論與實踐并進，實物實驗與虛擬實驗技術手段相結合，課內和課外實驗并進的教學模式，將電力電子技術教學、實驗及仿真有機結合起來，為課程的教與學提供了一種新的思路和模式。該教學模式已在我校電氣學院人才培養模式實驗創新實驗區試點班級中應用，取得了較好的教學效果，學生在理論知識和實踐動手能力兩方面都得到很大提高，通過應用仿真軟件，還可以幫助學生學會使用計算機仿真軟件進行電路分析和研究，學生可以自己設計電力電子電路并加以驗證，為下一階段的課程設計和畢業設計打下基礎。也能充分發揮學生的創造性，進一步鍛煉了他們自主分析問題和解決問題的能力，提高了學生的知識轉化能力和實際動手能力。

本文作者：龔建芳工作單位：上海電機學院電氣學院