Matlab仿真在電力電子技術應用型人才培養中的應用

范茂彥 張麗芳

摘要：針對“電力電子技術”課程理論性較強，學生感覺抽象，理解起來難度大，將Matlab軟件引入課程教學過程，對電力電子典型電路建立仿真模型，開展計算機輔助教學，觀察仿真及實驗現象，使教學過程更直觀性和高效性。

關鍵詞：電力電子技術；Matlab仿真；教學改革；應用型人才

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0059-02

一、引言

“電力電子技術”是工科院校電氣類級自動化專業的一門核心專業必修課，它集電子、電力和控制技術于一體，具有非常強的理論性、應用性和實踐性。傳統課堂教學直觀性不強、效率低、學生理解不夠深刻、實踐及應用能力差等問題。應用型院校的電力電子技術人才培養涉及領域廣，應用產品種類多，使用領域廣。在教學過程中需要培養學生綜合技能，地方高校實驗實訓設備有限，需要探索新的教學方法。

二、教學改革思路

1.電力電子仿真技術。采用Matlab中Simulink仿真軟件為理論實驗平臺輔助的教學，將復雜的分析過程通過波形圖形式直觀地展現在學生的面前，仿真軟件Matlab/Simulink軟件被廣泛應用于電力電子技術輔助教學中。Simulink是Matlab最重要的組件之一，功能模塊包括動態系統建模與仿真，結構和流程清晰，仿真精細，靈活，效率高等優點，可構造出復雜的仿真系統。工具箱中提供了電力電子器件、電機、電氣傳動、電路、電力系統等常用元件和系統的仿真模型。提供典型的電源模塊、電力器件模塊、電機控制和檢測模塊及應用模塊。選擇這些模塊開展電力電子器件應用、主電路與驅動電路系統、電力與電力傳動系統等仿真，電氣系統仿真結果通過直觀的圖形方式描述，能夠簡化編程工作，是進行電力電子技術輔助教學建模和仿真的先進工具。

2.仿真輔助教學的必要性。Matlab/Simulink仿真調試和設計靈活，最大限度地發揮創新思維，開闊學生視野，增強就業競爭力，利用虛擬仿真教學資源實現更高水平的“教、學、做”一體化。電力電子技術實驗教學作為培養大學生應用能力和創新意識的關鍵教學環節，應該把提高綜合素質作為重點。傳統的電力電子技術實驗課程基本是驗證性實驗，學生做實驗興趣不高。一些創新和綜合性實驗，研究點能夠結合當今產業發展，如電動汽車、新能源發電、柔性交流輸電、變頻調速控制等。這些具有一定的創新性和前瞻性實驗項目，受到實驗設備的局限性，無法完成。探索以Matlab仿真技術應用到電力電子實驗驗證及綜合設計實驗教學中，彌補模擬實驗裝置的不足，將仿真實驗教學作為傳統實踐教學的有益補充，觀察電力電子電路的動態響應和穩態響應，從而改變實驗臺實驗教學過程對創新實驗的制約，培養學生創造性思維和創新能力。

三、仿真教學過程實例分析

《電力電子技術》教學內容中三相橋式全控整流電路在工業生產中具有重要地位，是電力電子技術課程的重點內容。仿真輔助教學過程，首先讓學生理解工作原理，掌握電路結構，再針對不同負載情況學會波形分析及參數定量計算。

1.三相橋式全控整流電路結構。三相橋式全控整流電路的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）陰極連接在一起稱為共陰極組；的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）陽極連接在一起稱為共陽極組。共陰極組中的3個晶閘管分別為VT1，VT3，VT5與a，b，c三相電源相接，共陽極組中的3個晶閘管分別為VT4，VT6，VT2與a，b，c三相電源相接。晶閘管的導通邏輯順序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，晶閘管觸發脈沖相位間隔60度。三相橋式全控整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，具有功率大、直流脈動小等優點。該電路中包含六個晶閘管元件，采用Matlab仿真軟件搭建三相橋式全控整流電路原理圖，三相橋式全控整流電路原理圖和仿真圖，要求學生掌握觸發六個晶閘管器件的邏輯關系。

2.純電阻性負載分析。純電阻負載時，各自然換相點既是相電壓交點，同時也是線電壓交點。當α≤60°時，ud波形均連續，對于純電阻負載，id波形與ud波形形狀是一樣的，也是連續的。α=0°時，ud為線電壓在正半周的包絡線；α=30°時，晶閘管起始導通時刻推遲了30°，組成ud的每一段線電壓因此推遲30°，ud平均值降低，三相橋式全控整流電路純電阻負載α=30°和α=60°時波形圖。α=60°時，ud波形中每段線電壓波形繼續向后移，ud平均值繼續降低。α=60°時ud出現了為零的點；當α=60°時，因為id與ud一致，一旦ud降為至零，id也降至零，晶閘管關斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不能出現負值。三相橋式全控整流電路每個時刻均需2個晶閘管同時導通，不能為同一相的晶閘管，形成向負載供電的回路，共陰極組的和共陽極組各1個。

啟動Matlab仿真軟件，進入Simulation后新建一個仿真模型的新文件，布置好各元器件。電源參數設置：電壓設置為380V，頻率設為50Hz。要注意初相角的設置，a相的電壓源設為0，b相的電壓源設為-120，c相的電壓源設為-240；負載參數設置：電阻設為1，電感為0，電容無窮大inf。模型仿真設置好后，即可開始仿真。選擇算法為ode23tb，stop time設為0.1，點擊開始控件，仿真完成后就可以通過示波器來觀察仿真的結果。三相橋式全控整流電路帶電阻負載α=30°和α=60°觸發角時仿真結果波形圖。

四、本科應用型電力電子技術教學改革

工科院校培養大學生創新實踐能力是一項重要的任務，在對學生進行專業教育的過程中，實踐創新能力的培養包括創新意識、創新精神、創新能力的培養。實驗教學是培養學生動手能力的最基本途徑，引導學生在實驗中發現問題，分析解決問題的方法[1-2]。

1.創新能力培養教學方式改革。科學分析企業需求及學生特征，在組織教學內容時結合應用型人才培養學習特點、本專業最新技術、一線工程案例和企業需求，借助虛擬仿真技術構建接近現實工作場景的教學情境。通過與企業密切合作改革教學活動，探索出虛擬仿真教學在專業課程中的應用。在課程改革過程中，開發出適合仿真教學及實驗實訓教學軟件，虛擬仿真輔助教學具有較強的擴展性和較大的開放性，提供更真實的工作場景有助于學生技能的掌握，也是對實訓條件的極大改善，校企合作，共建更高水平的實驗、實訓基地[3-4]。

2.教學方式改革擬解決的關鍵問題。根據實際的電路在仿真軟件上搭建仿真模型，從功能設計到電路仿真及數據分析等都可以在課堂上完成，仿真軟件中更換器件和電路要比實際設備上更換容易得多，只需要在軟件中更改元件的參數即可實現。仿真軟件提供的界面和各種工具，能夠觀察到各個環節不同物理參數的仿真結果，教學效果好。高等教育信息化建設，虛擬仿真技術輔助教學是的重要內容，是專業技術與信息技術深度融合的產物。將項目驅動教學與虛擬仿真教學緊密結合起來，實現了“教、學、做”一體化，提高教學效果的同時減少了設備消耗，節省了實驗經費。

3.應用型電力電子技術教學措施。電力電子實踐教學獨立成一門必修課程，從根本上重視實踐環節，加強實踐教學，單獨考核取得學分。電力電子技術課程設計給定的真實任務，提出設計方案，以仿真和實驗的形式驗證設計的正確性。計算機仿真可以讓學生通過仿真波形，加強對電路各個模態之間轉換的理解，也可以解決實驗教學中實驗箱掛件結構不透明問題。

五、結束語

電力電子技術教學中引入了仿真技術，促進教學改革、加強學生能力培養方面起到了積極的推動作用。以計算機仿真輔助教學的復合型教學模式，提高學生學習興趣，增強自主學習能力，不僅提高教學效率，學生的一些創新想法可以通過仿真來驗證，使得更為深入理解電力電子技術課程的學習內容，教學效果好。電力電子技術教學模式的深入改革，對電力電子技術課程設計、開放性實驗和創新實驗、畢業設計工作開展是非常有益的，對培養學生的創新能力有重大意義。

參考文獻：

[1]榮軍，萬軍華，陳曦，等.計算機仿真技術在電力電子技術課堂教學難點中的應用[J].實驗技術與管理，2012，29（8）：103-105.

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[3]王英男，朱鳳武，胡俊海.《電力電子技術》課程教學方法探討[J].教育教學論壇，2014，（15）：86-87.

[4]曹勇，吳峰.電力電子技術復合型教學探索與實踐[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2015，17（2）：129-140.