數字仿真在電力電子實驗課中的應用

楊小品

摘 要 本文針對電力電子實驗課傳統實驗方法存在的問題進行分析，說明其存在有不足之處。針對這些不足在課堂上適當引入數字仿真實驗加以完善，以二者相結合的方式改進原有教學模式，并通過例證及教學效果說明該方法的可行性和有效性。

關鍵詞 電力電子 實驗課 仿真

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

實驗課在課程教學過程中占很重要的地位，尤其是工科課程，理論分析比較抽象，很難讓學生有直觀的認識。此時適時加入實驗課程不僅鍛煉學生的動手能力，而且有利于學生對所學理論課程形成較為完整的認識，以便于對相關知識更深入地理解和掌握。然而在電力電子技術這門課程的實際教學過程中卻發現使用傳統硬件設備的實驗課有諸多局限之處。為了達到更好的教學效果，可采用仿真實驗與設備器材實驗相結合的方法，力求結合二者優點、消除二者缺點，最大限度地發揮實驗課的作用。本方法采用的數字仿真軟件為美國MathWorks公司出品的Matlab仿真軟件，該軟件提供功能比較強大的專業仿真平臺，對電力電子電路有足夠的處理能力。

1 實驗分析

1.1 實驗安全性差

電力電子技術是針對電能變換的技術，實驗電路有真實的電壓電流通過，實驗所用元器件要經受高電壓大電流，稍有不慎極易引起事故。由于實驗中需要采取電能變換的控制策略，而控制策略需要由學生自己整定，調整失誤時小則保護裝置動作中斷實驗，大則燒毀器件設備；不僅實驗無法完成，還會給實驗帶來經濟損失并給學生帶來精神創傷。

數字仿真實驗過程為復現實際系統中發生的本質過程，完全為軟件計算，沒有任何的危險性。

1.2 實驗接線復雜，費時費力

實驗臺如圖1中a圖所示，采用模塊化設計、面板插孔連線。在組合不同的電路時容易連錯線，而且由于連接線全部垂在面板前，接完線后不易查線。即使一組實驗教師檢查查線及指導時間只要五分鐘，十五套設備也需七十五分鐘，九十分鐘的實驗課時間根本不夠用。如果不查線，學生可能會損壞設備或者做不出相應的結果。而分組過少每組人數多的話，又會導致很多學生無法親自動手而對實際設備認識不足，對實驗現象和結果觀察思考不夠。

MATLAB里面的simulink部分可以利用模塊進行系統模型搭建，其建立過程跟實際接線過程非常相似。圖1中b所示即為三相整流橋電路的仿真模型。仿真模型預先編制調試好，課堂直接說明結構并演示結果，然后再去指導學生做設備實驗。時間緊張可以少分幾組爭取能全部指導，這樣既鍛煉了學生的動手能力，又避免學生做不出實驗無法觀測實驗結果，又可提高學生學習MATLAB的積極性。

a b

圖1

1.3 現象觀察

在觀察實驗結果時，有效值可以用電壓表電流表直接獲得，但是大量需要檢測瞬態變化的量需要用示波器跟蹤觀察。目前所用示波器沒有多路檢測通道，所用雙蹤示波器只能觀察兩路信號，而理論分析時則多是多信號對比分析，因此在檢測結果時對比很不直觀。

圖2 圖3 圖 4

仿真的圖形顯示為自定義，可把觀察信號單獨顯示，也可多波形同時顯示以利于分析對比。圖2中實線為三相橋式整流電路晶閘管承受電壓的理論分析結果，圖3 中黃色為仿真實驗結果其余為參考曲線，圖4為傳統實驗中示波器觀測到的信號。由三圖對比可以看出，多了圖3，從圖2到圖4的認識和理解就比較容易過渡。

1.4 實驗類別少

實驗臺只能做指定的實驗，屬于驗證性實驗，故障情況因其為破壞性在實驗中屬于禁止情況，所以在實驗中根本無法進行。因此在實驗設置中不能進行故障情況分析和模擬類的綜合性實驗。因電力電子實際裝置的特殊性，在實驗和實際應用中極易損壞，學生在學習過程中體會不到故障情況的危害和現象，用仿真可以把故障情況模擬出來并可在數值上進行分析，使學生對故障有直觀的認識。圖5為單相半波整流電路中負載和晶閘管電壓波形，其中a圖為正常情況，b圖為脈沖丟失情況。在工程實際中經常用到的故障情況分析在本課程中屬于高級能力培養，可進行針對性授課。

圖5

1.5 參數不易修改

實驗電路中只要器件連接完畢，除了少數參數可調器件，大部分器件參數都不可調。元件參數選取無論是對電路分析還是對以后設備開發時元器件的選取都是至關重要的。某些場合即使原理正確，器件參數選取不當也會導致實驗或者設備開發失敗。在電子電路中，參數不同，同一電路實現功能就可能不同，比如三相橋式整流電路可工作在整流或者源逆變狀態。觸發角不同，工作狀態就不同，產生的結果和影響也不同。再比如負載類型不同響應也不同，如果在實驗中則需頻繁更改接線換器材，十分不便。而在仿真中元器件參數可以任意改動，在仿真模型中直接可以修改參數觀察現象，由于參數改動而造成的不同結果也均一目了然。圖6中abcd圖為三相橋式整流電路輸出由整流到逆變狀態的幾個變化過程，參數修改非常簡單。而傳統實驗時由于實際情況所限為防止逆變顛覆在觸發角調整上必須十分小心。

圖6

盡管仿真實驗有諸多優點，其缺點也是顯而易見的，那就是沒有真實的設備。學生對原理和現象掌握了以后跟工程實際還是有一定的差距，比如元器件的認識、示波器等一些必須設備的使用等。在傳統實驗過程中學生只是忙于接線，觀察波形，記錄數據，對于原理和電路構造及參數處理沒有深刻的認識。只鍛煉了觀察能力和動手能力，而思考能力和分析能力都沒有得到相應的提高。綜合二者優點，用數字仿真軟件搭建仿真模型，把仿真實驗和器材實驗結合起來取長去短，發揮各自的優勢。以期更好地提高學生的綜合能力。

2 教法設計

根據仿真和真實設備相結合實驗的思路，實驗課時間分配為：理論講解十分鐘，實驗演示十五分鐘，仿真對比十五分鐘，故障分析五分鐘，學生自己做實驗四十五分鐘。

2.1 演示法

實驗演示為實驗課必有流程，應根據實驗大綱和實驗說明書把整個實驗完整地做一遍給學生觀摩。學生可由此獲得比較直觀的印象，減少對實驗器材的熟悉時間。

2.2 對比法

此處應把理論課程的理論分析結果和仿真實驗結果以及實際實驗的結果對比，讓學生可以從理論到仿真再到工程實際的各種有一個遞推的漸進認識，從而對所學知識更容易接受和掌握。

2.3 分析法

分析法主要是針對電力電子的電路故障分析，適用于學習能力強，程度比較好的學生。可作為提高部分有針對性地教學，也可結合理論講解當作最后的思考題目。

3 效果分析

認識到傳統實驗的不足之后在實驗課上引入了仿真實驗，由幾個年級的實驗課后情況統計表明：對于只做傳統實驗的班級，可以明顯看出該年級學生實驗報告只有步驟和部分結果，對實驗分析思考很少。在課堂提問和考試上可以看出對知識的掌握程度不夠。

對于引入仿真實驗后和傳統實驗共同進行實驗的班級，學生對實驗興趣提高了很多，很樂意兩種方法對照著去做實驗并進行對比分析和思考，在實驗報告中也可以看到觀察力、理解力和分析能力有了很大的提高，在課堂上提問回答邏輯性和條理性增強了不少，考試的時候答題思路和方法也拓展了很多。

4 結束語

盡管在實驗課上引入仿真實驗，還是以實驗為主，仿真為輔，確立仿真是為傳統實驗服務的原則。因傳統實驗跟工程應用緊密聯系，仿真模型搭建方便，調試安全，容易完善，可以重復利用，使二者相輔相成后可以把實驗課進行得生動有趣又理論深入。通過對三個年級實驗課的效果進行對比，可以看出仿真實驗在實驗課上和傳統實驗相結合，能取得更好的教學效果。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術.北京：機械工業出版社，2008.

[2] 張志涌.MATLAB教程.北京航空航天大學出版社，2012.