導(dǎo)語：電力電子技術(shù)教學(xué)模式探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、仿真軟件的選擇

國內(nèi)高校電類專業(yè)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(lǐng)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(jù)筆者所在上海電機學(xué)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(shù)”課程是這樣設(shè)置的：普通班級共64學(xué)時，其中理論58學(xué)時、實驗6學(xué)時，而人才實驗創(chuàng)新實驗區(qū)試點班級設(shè)置的“電力電子技術(shù)”課程共64學(xué)時，其中理論48學(xué)時、實驗16學(xué)時。人才實驗創(chuàng)新實驗區(qū)試點班級的教學(xué)模式應(yīng)以不刪減教學(xué)內(nèi)容、不增加學(xué)時以及契合我校學(xué)生實際情況為前提，因此，仿真軟件必須具有易學(xué)易用、運算快速等特點，同時結(jié)合我校學(xué)生在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)時已經(jīng)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(jìn)行電力電子系統(tǒng)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(shù)而得到不同的波形。

二、MATLAB/Simulink軟件在理論教學(xué)活動中的應(yīng)用

利用MATLAB/Simulink軟件能夠非常容易地構(gòu)建與實際相符合的教學(xué)場景。教師在教學(xué)中引入仿真軟件，在講授基本變流理論時，利用MATLAB/SIMLINK軟件構(gòu)建電力電子電路進(jìn)行仿真演示，電力電子變換與控制領(lǐng)域所遇到的多數(shù)典型開關(guān)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(shù)變化對電路波形圖的影響以及數(shù)值計算，以便學(xué)生全面準(zhǔn)確理解教學(xué)內(nèi)容，可以為教學(xué)現(xiàn)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(shù)設(shè)置功能，通過改變器件參數(shù)值，學(xué)生在學(xué)習(xí)的時候，可以先自己分析某種參數(shù)值條件下電路的工作情況和對應(yīng)的波形圖，然后再在仿真模型中輸入相應(yīng)的參數(shù)值，把自己分析的結(jié)果與仿真結(jié)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(xué)生能夠直觀、全面地掌握課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時將學(xué)習(xí)活動情境化、趣味化，這大大加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，使學(xué)生能夠?qū)㈦[性的理論知識轉(zhuǎn)化為顯性的技能。在教學(xué)設(shè)計上，教學(xué)初期，剛剛講授電路變換時，學(xué)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(gòu)建一個與實際相符合的情境，并且學(xué)生對MATLAB仿真軟件的應(yīng)用還不熟練，需要在課堂上現(xiàn)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(shè)置模型參數(shù)和觀察仿真結(jié)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(jìn)入Simulink環(huán)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(xiàn)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(biāo)調(diào)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(fā)生器、RLC負(fù)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(shè)置模型參數(shù)

設(shè)置模型參數(shù)是保證仿真準(zhǔn)確和順利進(jìn)行的重要一步。有些參數(shù)由仿真任務(wù)決定，如電壓、電流等，有些參數(shù)是需要通過仿真來確定的。設(shè)置模型參數(shù)可以雙擊模塊圖標(biāo)彈出參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)置交流電源、晶閘管、二極管、負(fù)載、脈沖等。以下以交流電源參數(shù)設(shè)置為例：雙擊交流電源模塊，彈出對話框，設(shè)置電壓為220V，頻率為50Hz，初始相位為0°。

3.觀察仿真結(jié)果

在模型開始仿真前還必須首先設(shè)置仿真參數(shù)。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(shè)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(shù)設(shè)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(jié)果。在需要觀察的點上放置示波器，雙擊示波器圖標(biāo)，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(fù)載時的仿真波形圖。（1）Rd負(fù)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(fù)載時二次側(cè)電壓、觸發(fā)脈沖、負(fù)載的電壓和電流及管子VT1兩端的電壓波形。（2）Rd+Ld負(fù)載時的仿真波形。研究阻感性負(fù)載時電路工作情況，只需重新設(shè)置負(fù)載參數(shù)。再次啟動仿真，在單相半控整流電路中，阻感性負(fù)載時電路的二次側(cè)電壓、觸發(fā)脈沖、負(fù)載的電壓以及管子二端的電壓波形都同阻性負(fù)載時相同，如圖2所示。與阻性負(fù)載不同的是負(fù)載電流波形不同，阻性負(fù)載時負(fù)載電流波形為斷續(xù)的，而阻感負(fù)載時負(fù)載電流的波形為連續(xù)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(fù)載時，當(dāng)觸發(fā)脈沖丟失會發(fā)生失控現(xiàn)象，只需斷開一個觸發(fā)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(xué)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(shù)有關(guān)？控制角與輸出電壓波形有著怎樣的對應(yīng)關(guān)系？怎樣的情況下發(fā)生失控，失控時電路的工作情況又是如何？引導(dǎo)學(xué)生自然地進(jìn)入單相半控橋式整流電路的知識學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程的中后期，學(xué)生已經(jīng)熟悉MATLAB/Simulink軟件使用，就不必在課堂上現(xiàn)場建立電路的仿真模型。為了節(jié)約時間，把《電力電子技術(shù)》教材各個電路的仿真模型都事先建好備用，當(dāng)講解到哪個電路時就可以運行這個模型，改變參數(shù)看電路仿真結(jié)果。通過這樣一個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能夠把電力電子變換器的工作原理、物理波形及數(shù)學(xué)關(guān)系等緊密聯(lián)系在一起，從而全面掌握變換器的工作過程，為學(xué)生提供一種直接感性的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生更深刻地理解這門課程。

三、MATLAB/Simulink軟件在實驗教學(xué)活動中的應(yīng)用

傳統(tǒng)本科電力電子技術(shù)實驗大都依托實驗平臺進(jìn)行，實驗平臺的優(yōu)點是安全、方便管理。但是依托實驗平臺進(jìn)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(xué)生誤操作多、實驗裝置損壞較嚴(yán)重，而且出現(xiàn)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(xué)生對所學(xué)知識掌握不夠以及對實驗臺和操作缺少感性認(rèn)識，直接導(dǎo)致誤操作，學(xué)生應(yīng)掌握的知識和應(yīng)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(yīng)用相聯(lián)系，這使得教學(xué)工作比工程實際滯后很多，不能充分實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對于學(xué)生能力的培養(yǎng)和將來的就業(yè)很不利。因此，我們在實踐教學(xué)中采用實物實驗與虛擬實驗技術(shù)手段相結(jié)合的模式，即先仿真實驗后實物實驗的雙實驗環(huán)節(jié)。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)上，依托實驗平臺進(jìn)行，每章精選出1-2個實驗作為必做實驗教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過做這些實驗，熟悉并掌握實驗設(shè)備及儀器儀表的使用方法，在掌握理論知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗，各種電力電子器件的性能特性、各種應(yīng)用電路的工作過程及技術(shù)指標(biāo)也通過實驗得以驗證。同時，在現(xiàn)有條件的情況下，針對電力電子技術(shù)實驗中存在的問題，采用計算機模擬仿真的手段進(jìn)行彌補，用MATLAB/Simlink仿真軟件對電力電子電路進(jìn)行測試，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計了相關(guān)的仿真實驗內(nèi)容（10個課外實驗），教師在課內(nèi)布置要完成的項目，每個項目給學(xué)生提出一個設(shè)計要求（如設(shè)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(biāo)，如輸出電壓的變化范圍、電流大小、電壓紋波系數(shù)等等，要求自己選擇元器件，設(shè)計電路，并最終實現(xiàn)或仿真驗證），要求學(xué)生完成簡單的電路設(shè)計，實現(xiàn)所要求的電路功能，可以讓學(xué)生在課外利用仿真軟件自主完成。教師驗證結(jié)果，做到課內(nèi)和課外實驗相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)自信，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性。同時，通過對實際電路的仿真分析，可進(jìn)一步提高學(xué)生對電路的認(rèn)識分析和創(chuàng)新能力，彌補實物實驗的不足。

四、結(jié)束語

本文提出的基于MATLAB仿真平臺的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式，以MATLAB/Simulink仿真技術(shù)為工具，探究教學(xué)創(chuàng)新模式為手段，形成理論與實踐并進(jìn)，實物實驗與虛擬實驗技術(shù)手段相結(jié)合，課內(nèi)和課外實驗并進(jìn)的教學(xué)模式，將電力電子技術(shù)教學(xué)、實驗及仿真有機結(jié)合起來，為課程的教與學(xué)提供了一種新的思路和模式。該教學(xué)模式已在我校電氣學(xué)院人才培養(yǎng)模式實驗創(chuàng)新實驗區(qū)試點班級中應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)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(yīng)用仿真軟件，還可以幫助學(xué)生學(xué)會使用計算機仿真軟件進(jìn)行電路分析和研究，學(xué)生可以自己設(shè)計電力電子電路并加以驗證，為下一階段的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。也能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，進(jìn)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(xué)生的知識轉(zhuǎn)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(xué)院電氣學(xué)院