电力电子技术教学模式探讨

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一、仿真软件的选择

国内高校电类专业都已引入各种仿真软件，如MATLAB、EWB、Protel、Saber、PISM及PSpice等，[4]其中MATLAB、Saber、PISM及PSpice等是在电力电子领域使用较多的仿真软件，并取得了一定成效。仿真软件的选择是根据笔者所在上海电机学院（以下简称“我校”）的实际情况来确定的。我校的“电力电子技术”课程是这样设置的：普通班级共64学时，其中理论58学时、实验6学时，而人才实验创新实验区试点班级设置的“电力电子技术”课程共64学时，其中理论48学时、实验16学时。人才实验创新实验区试点班级的教学模式应以不删减教学内容、不增加学时以及契合我校学生实际情况为前提，因此，仿真软件必须具有易学易用、运算快速等特点，同时结合我校学生在学习高等数学时已经接触到了MATLAB软件的情况，因此选用MATLAB软件。MATLAB/Simulink中提供的SimPowerSystem模型库，是进行电力电子系统仿真的理想工具，SimPowerSystem模型库中包含了常用的电源模块、电力电子器件模块等。通过使用这些模块可以搭接各种电路，能方便得到电路中的电流、电压等各种波形，并能方便改变电路参数而得到不同的波形。

二、MATLAB/Simulink软件在理论教学活动中的应用

利用MATLAB/Simulink软件能够非常容易地构建与实际相符合的教学场景。教师在教学中引入仿真软件，在讲授基本变流理论时，利用MATLAB/SIMLINK软件构建电力电子电路进行仿真演示，电力电子变换与控制领域所遇到的多数典型开关电路均可建立仿真模型，通过对模型的仿真，可直观展示各种参数变化对电路波形图的影响以及数值计算，以便学生全面准确理解教学内容，可以为教学现场营造一种真实的电力电子电路工作场景，既具体又生动。除此以外，还可以利用软件提供的参数设置功能，通过改变器件参数值，学生在学习的时候，可以先自己分析某种参数值条件下电路的工作情况和对应的波形图，然后再在仿真模型中输入相应的参数值，把自己分析的结果与仿真结果相对比。同时，在电路仿真时，可以模拟各种电力电子器件故障，如开路、短路或脉冲丢失等，能够清晰地展示各种电力电子电路的工作过程，使学生能够直观、全面地掌握课程学习内容，同时将学习活动情境化、趣味化，这大大加深了学生对所学知识的理解，使学生能够将隐性的理论知识转化为显性的技能。在教学设计上，教学初期，刚刚讲授电路变换时，学生初次接触，实际的感观并不多，对电路电压、电流波形、管子的切换、工作原理等理解有些困难，需要构建一个与实际相符合的情境，并且学生对MATLAB仿真软件的应用还不熟练，需要在课堂上现场建立仿真模型。以单相半控桥式整流电路为例，把电路图投影到大屏幕上，教师首先要分析电路的组成和工作原理，然后再一步一步建立MATLAB单相半控桥式整流电路仿真模型，该电路的仿真过程可以分为建立仿真模型、设置模型参数和观察仿真结果。

1.建立仿真模型

（1）建立一个仿真模型的新文件。从MATLAB窗口进入Simulink环境有三种方式，我们选择其中一种：在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。（2）提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击图标调出模型库浏览器，找到Simulink／PowerSystem的模型窗口，在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。组成单相半控桥式整流电路的元器件有交流电源、晶闸管、二极管、脉冲发生器、RLC负载、示波器等。（3）将电路元器件模块按单相半控桥式整流电路原理图连接起来组成仿真电路，如图1所示。

2.设置模型参数

设置模型参数是保证仿真准确和顺利进行的重要一步。有些参数由仿真任务决定，如电压、电流等，有些参数是需要通过仿真来确定的。设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然后按框中提示输入，若有不清楚的地方可以借助help帮助。在本例中，参数设置交流电源、晶闸管、二极管、负载、脉冲等。以下以交流电源参数设置为例：双击交流电源模块，弹出对话框，设置电压为220V，频率为50Hz，初始相位为0°。

3.观察仿真结果

在模型开始仿真前还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulationparameters，在弹出的对话框中设置的项目很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型等。在参数设置完毕后即可以开始仿真。在菜单Simulation下选择Start，立即开始仿真，若要中途停止仿真可以选择Stop。在仿真计算完成后即可以通过示波器来观察仿真的结果。在需要观察的点上放置示波器，双击示波器图标，即弹出示波器窗口显示输出波形，同时在Display模块可以看到输出电压的平均值。以下是不同负载时的仿真波形图。（1）Rd负载时的仿真波形。如图2所示为控制角α=60°单相半控桥式整流电路电阻负载时二次侧电压、触发脉冲、负载的电压和电流及管子VT1两端的电压波形。（2）Rd+Ld负载时的仿真波形。研究阻感性负载时电路工作情况，只需重新设置负载参数。再次启动仿真，在单相半控整流电路中，阻感性负载时电路的二次侧电压、触发脉冲、负载的电压以及管子二端的电压波形都同阻性负载时相同，如图2所示。与阻性负载不同的是负载电流波形不同，阻性负载时负载电流波形为断续的，而阻感负载时负载电流的波形为连续的。（3）失控时的仿真。在研究单相半控桥式整流电路电阻电感负载时，当触发脉冲丢失会发生失控现象，只需断开一个触发脉冲，再次启动仿真，得到如图3所示波形。通过这样一个过程，使学生在脑海里深深留下了电路的各点波形形状，电压波形为什么会变化，电压波形变化同哪些参数有关？控制角与输出电压波形有着怎样的对应关系？怎样的情况下发生失控，失控时电路的工作情况又是如何？引导学生自然地进入单相半控桥式整流电路的知识学习。在教学过程的中后期，学生已经熟悉MATLAB/Simulink软件使用，就不必在课堂上现场建立电路的仿真模型。为了节约时间，把《电力电子技术》教材各个电路的仿真模型都事先建好备用，当讲解到哪个电路时就可以运行这个模型，改变参数看电路仿真结果。通过这样一个环节，让学生能够把电力电子变换器的工作原理、物理波形及数学关系等紧密联系在一起，从而全面掌握变换器的工作过程，为学生提供一种直接感性的学习方式，帮助学生更深刻地理解这门课程。

三、MATLAB/Simulink软件在实验教学活动中的应用

传统本科电力电子技术实验大都依托实验平台进行，实验平台的优点是安全、方便管理。但是依托实验平台进行的实验基本都属于演示性或验证性实验，硬件实验条件很难覆盖知识点的各个方面，动手能力提高较慢，同时，学生误操作多、实验装置损坏较严重，而且出现问题不知道如何分析解决，只能等老师来解决[4]，其主要原因是学生对所学知识掌握不够以及对实验台和操作缺少感性认识，直接导致误操作，学生应掌握的知识和应具备的能力没能落到实处。同时实验基本上局限于对教材中部分理论的验证，不能很好地与实际应用相联系，这使得教学工作比工程实际滞后很多，不能充分实现技术应用型本科人才的培养目标，对于学生能力的培养和将来的就业很不利。因此，我们在实践教学中采用实物实验与虚拟实验技术手段相结合的模式，即先仿真实验后实物实验的双实验环节。在实验教学环节上，依托实验平台进行，每章精选出1-2个实验作为必做实验教学内容，使学生通过做这些实验，熟悉并掌握实验设备及仪器仪表的使用方法，在掌握理论知识的基础上进行实验，各种电力电子器件的性能特性、各种应用电路的工作过程及技术指标也通过实验得以验证。同时，在现有条件的情况下，针对电力电子技术实验中存在的问题，采用计算机模拟仿真的手段进行弥补，用MATLAB/Simlink仿真软件对电力电子电路进行测试，根据教学内容设计了相关的仿真实验内容（10个课外实验），教师在课内布置要完成的项目，每个项目给学生提出一个设计要求（如设计一个三相交流电到直流电的变换电路，给出这个直流电源的具体性能指标，如输出电压的变化范围、电流大小、电压纹波系数等等，要求自己选择元器件，设计电路，并最终实现或仿真验证），要求学生完成简单的电路设计，实现所要求的电路功能，可以让学生在课外利用仿真软件自主完成。教师验证结果，做到课内和课外实验相结合，充分发挥学生的主体作用，培养自信，调动了学生学习的主动性、积极性和创造性。同时，通过对实际电路的仿真分析，可进一步提高学生对电路的认识分析和创新能力，弥补实物实验的不足。

四、结束语

本文提出的基于MATLAB仿真平台的“电力电子技术”教学模式，以MATLAB/Simulink仿真技术为工具，探究教学创新模式为手段，形成理论与实践并进，实物实验与虚拟实验技术手段相结合，课内和课外实验并进的教学模式，将电力电子技术教学、实验及仿真有机结合起来，为课程的教与学提供了一种新的思路和模式。该教学模式已在我校电气学院人才培养模式实验创新实验区试点班级中应用，取得了较好的教学效果，学生在理论知识和实践动手能力两方面都得到很大提高，通过应用仿真软件，还可以帮助学生学会使用计算机仿真软件进行电路分析和研究，学生可以自己设计电力电子电路并加以验证，为下一阶段的课程设计和毕业设计打下基础。也能充分发挥学生的创造性，进一步锻炼了他们自主分析问题和解决问题的能力，提高了学生的知识转化能力和实际动手能力。

本文作者：龚建芳工作单位：上海电机学院电气学院