虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究與實(shí)踐

王波+鄭鵬飛+李時(shí)輝

摘要：在分析了電力電子技術(shù)課程教學(xué)的現(xiàn)狀后，提出虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可提高該門課程的教學(xué)效果。比較眾多虛擬仿真軟件后，認(rèn)為Matlab軟件尤為適用于電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的仿真。最后，以直流升壓斬波電路為例，詳細(xì)介紹了使用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真的方法和步驟。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；Matlab；電力電子技術(shù)；實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）02-0134-02

一、引言

電力電子技術(shù)是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新興學(xué)科，且廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、IT、通信、國防以及民用電器、新能源發(fā)電等領(lǐng)域，它的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門。

二、電力電子技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前高職院校基本都采取理論教學(xué)加實(shí)踐操作的模式進(jìn)行電力電子技術(shù)課程的教學(xué)。首先，講解電力電子器件的工作原理、特性以及使用方法；然后對各種變流電路（包括整流、逆變、斬波和交流變換等）的電路構(gòu)成、工作原理和波形等進(jìn)行分析；最后在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)臺上進(jìn)行實(shí)操、搭建電路、觀察波形等進(jìn)行驗(yàn)證。

電力電子技術(shù)課程本身屬于電類各專業(yè)課程中較難的課程之一，教學(xué)對象又為高職學(xué)生，他們理論基礎(chǔ)差，計(jì)算能力弱，因此教學(xué)重心一定偏向?qū)嵅佟Ｈ缓螅趯﹄娏﹄娮与娐愤M(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)分析的過程中，由于電力電子器件具有非線性等特點(diǎn)以及電力電子電路的復(fù)雜性，造成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)結(jié)果不明顯，單從示波器顯示波形不能很好地檢測電路的正確性。而且電力電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)都涉及到220V或者380V的高電壓，具有一定的危險(xiǎn)性。往往造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目做得迷迷糊糊，不知道結(jié)果是否正確，即使知道錯(cuò)誤了也很難進(jìn)行排故，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣減低，形成惡性循環(huán)。

三、虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展而逐步形成的一類實(shí)驗(yàn)研究的新技術(shù)，它在各類專業(yè)各種類型的課程當(dāng)中被廣泛應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）實(shí)驗(yàn)硬件門檻低，基本不需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只需要普通計(jì)算機(jī)即可；（2）實(shí)驗(yàn)過程安全可靠，不涉及高電壓、高電流；（3）實(shí)驗(yàn)過程迅速、結(jié)果清晰明顯，能快速地在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示所需要的所有結(jié)果，一目了然；（4）糾錯(cuò)排故簡單，基本的仿真實(shí)驗(yàn)修改只需要在仿真環(huán)境下進(jìn)行器件或者連接的修改。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，虛擬仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用十分合適，并能有效地提高電力電子技術(shù)課程的教學(xué)效果。目前，可對電力電子電路及系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真的軟件較多，如Matlab、Pspise、Saber以及Multisim等。這些模擬仿真軟件的出現(xiàn)，為電力電子電路及系統(tǒng)的分析提供了方便、有效的手段，大大簡化了電力電子電路及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過程。其中Matlab軟件由于其Simulink環(huán)境下提供的SimPowerSystems工具箱在電力系統(tǒng)分析、電力電子電路分析中令人滿意的表現(xiàn)、友好的界面和模塊化的形式受到廣大用戶的青睞。

根據(jù)電力電子技術(shù)課程教學(xué)的要求，結(jié)合課程實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容，我們設(shè)計(jì)、建立并實(shí)現(xiàn)了涵蓋高職教學(xué)要求的十五個(gè)電力電子技術(shù)Matlab仿真項(xiàng)目。下面以直流升壓斬波電路為例，詳細(xì)介紹使用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真的方法和步驟。

四、仿真實(shí)例

本節(jié)以直流升壓斬波電路為例，詳細(xì)介紹使用Matlab軟件進(jìn)行電力電子電路仿真的方法和步驟。直流升壓斬波電路是典型的直流斬波電路之一，它通過電容、電感元件的儲(chǔ)能以及電力電子器件（此處使用IGBT）的通斷控制，使負(fù)載上得到比電源電壓高的電壓，其電路原理圖如下所示。

根據(jù)電路原理圖，在Matlab的Simulink中建立直流升壓斬波電路仿真模型，步驟如下：

1.仿真平臺建立。啟動(dòng)MATLAB，進(jìn)入MATLAB環(huán)境，點(diǎn)擊工具欄中的Simulink選項(xiàng)，進(jìn)入所需的仿真環(huán)境，點(diǎn)擊File/New/Model新建一個(gè)仿真平臺。

2.模塊提取。在Simulink環(huán)境中拉取所需要的模塊到仿真平臺中，具體做法是點(diǎn)擊左邊的器件分類，電力電子仿真實(shí)驗(yàn)一般只用到Simulink和SimPowerSystems兩個(gè)，分別在它們的下拉選項(xiàng)中找到我們所需的模塊，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊所需的模塊不放，然后直接拉到仿真平臺中。本電路圖所需要的模塊及提取路徑如下表所示。

3.仿真模型建立。將提取的各模塊，按照原理圖布局好位置并進(jìn)行連線。具體做法是移動(dòng)鼠標(biāo)到一個(gè)模塊的連接點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“+”字型光標(biāo)，按住鼠標(biāo)左鍵不放，一直拉到所要連接的另一個(gè)模塊的連接點(diǎn)上，放開左鍵，連線就完成了。本電路圖的仿真模型如下圖所示。

4.參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置分為模塊參數(shù)設(shè)置和仿真參數(shù)設(shè)置。模塊參數(shù)設(shè)置如下：直流電壓源的幅值設(shè)置為100V。電阻負(fù)載設(shè)置為1Ω。控制脈沖電壓由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，電壓幅值設(shè)置為3V，周期設(shè)置為0.001S，脈沖寬度比的大小設(shè)置可改變輸出負(fù)載電壓的大小。IGBT、功率二極管、信號分解器、電感和電容可保持默認(rèn)設(shè)置。示波器根據(jù)需要輸出的波形個(gè)數(shù)設(shè)置輸入端口數(shù)。仿真參數(shù)設(shè)置如下：將開始時(shí)間設(shè)置為0，終止時(shí)間設(shè)置為0.01，算法設(shè)置為ode23tb。

5.仿真。完成以上步驟后便可以開始仿真，仿真結(jié)束后雙擊示波器觀察波形。直流升壓斬波電路在控制脈沖電壓寬度比為80%和40%時(shí)的仿真波形如圖3所示，與理論分析值一致。

五、小結(jié)

虛擬仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在近些年得到了長足的發(fā)展，越來越多的課程在教學(xué)中引入了虛擬仿真技術(shù)，它對課程教學(xué)效果的提供具有較大的作用。文章在分析教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，引入了使用Matlab軟件的虛擬仿真技術(shù)，并以直流升壓斬波電路為例，詳細(xì)介紹使用Matlab軟件進(jìn)行電力電子電路仿真的方法和步驟。

參考文獻(xiàn)：

[1]王波.虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)一體的電力電子技術(shù)課程改革的探索與實(shí)踐[J].時(shí)代教育，2015，（7）.

[2]牛天林，樊波，張強(qiáng)，等.Matlab/Simulink仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)中應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（2）.

[3]荊紅莉，趙鵬.MATLAB在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，25（4）.