MATLAB仿真在職業(yè)學(xué)校電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：電力電子技術(shù)是職業(yè)院校電氣專業(yè)的一門重要課程。分析了該課程在職業(yè)學(xué)校教學(xué)中遇到的難題，針對這些難題提出將MATLAB仿真軟件引入到該課程的教學(xué)中，并用MATLAB的SIMULINK組件搭建了一個仿真電路，通過對該電路的仿真演示論證了MATLAB在電力電子技術(shù)教學(xué)中的獨(dú)到優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；職業(yè)學(xué)校；MATLAB仿真；SIMULINK組件

作者簡介：俞騁（1984-），男，浙江寧波人，寧波第二技師學(xué)院電氣工程系，講師。（浙江 寧波 315012）

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0092-02

一、電力電子技術(shù)在職業(yè)學(xué)校教學(xué)中的問題

電力電子技術(shù)融合了電力學(xué)、電子學(xué)及控制理論，是電氣工程及相關(guān)電類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程。[1]隨著電力電子器件的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)在電力生產(chǎn)實(shí)踐中的作用日益突出。不僅在本科院校，許多職業(yè)學(xué)校的電氣及相關(guān)專業(yè)也陸續(xù)開設(shè)了電力電子技術(shù)這門課程。

由于該課程涉及的內(nèi)容多而復(fù)雜，對所學(xué)者又需要較高的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如何讓職業(yè)學(xué)校的學(xué)生較好地掌握這門課的基本知識和相應(yīng)的實(shí)踐技能，是教師們所面臨的一大難題。

與本科院校的學(xué)生相比，職業(yè)學(xué)校的學(xué)生在運(yùn)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行分析解決問題的能力上有明顯的差距。許多學(xué)生對抽象的數(shù)學(xué)公式心生反感，這將嚴(yán)重影響他們在這門課程學(xué)習(xí)中的積極性。雖然鑒于職業(yè)學(xué)校學(xué)生的學(xué)情，在職業(yè)學(xué)校所使用的電力電子技術(shù)教材中，已經(jīng)在一定程度上弱化了以數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)、計算為依托的定量分析，但由于這門課程本身具有較強(qiáng)的理論性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中仍可能感到力不從心。

雖然抽象的數(shù)學(xué)計算是職業(yè)學(xué)校學(xué)生的短板，但他們?nèi)匀粨碛休^好的形象思維能力和動手操作能力，對新事物也具有很強(qiáng)的好奇心。[2]針對這些特點(diǎn)，可以嘗試用圖形、圖像作為載體，通過直觀的圖形變化培養(yǎng)學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，[3]并在此基礎(chǔ)上使他們對相關(guān)知識有基本的、定性的認(rèn)識，從而為他們學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的實(shí)踐操作技能打下良好的基礎(chǔ)。

二、MATLAB仿真的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

MATLAB是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計算語言。由于它在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、自動控制、通信系統(tǒng)、航天航空、金融分析等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及自身的獨(dú)特優(yōu)勢，目前MATLAB受到各研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。[4]由于MATLAB具有圖像界面友好，操作簡單，節(jié)省時間和儀器設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，而與其它同類的EDA仿真軟件相比，該仿真又具有精確度高的優(yōu)點(diǎn)，[5，6]因而在工程類專業(yè)課程的課堂教學(xué)中，該軟件也越來越多地被應(yīng)用其中，成為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充。

1993年出現(xiàn)的SIMULINK是基于框圖的仿真平臺。SIMULINK

依托MATLAB語言環(huán)境，以MATLAB強(qiáng)大的計算功能為基礎(chǔ)，以直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真計算，在SIMULINK環(huán)境中提供了各種仿真工具。在SIMULINK平臺上，通過拖拉和連接模塊庫里的模塊就可以繪制仿真對象的模型，并對模型進(jìn)行仿真。[7]在SIMULINK中，SimPowerSystem 模型庫是進(jìn)行電力電子仿真的理想工具，它包含了常用的電源、電力電子器件和模塊、電機(jī)模型及相應(yīng)的驅(qū)動、控制和測量模塊。使用這些模塊進(jìn)行電力電子電路系統(tǒng)的仿真能夠簡化編程工作，以直觀易用的圖形方式對電氣系統(tǒng)進(jìn)行模型描述。基于以上優(yōu)點(diǎn)，這里選擇MATLAB作為電力電子技術(shù)教學(xué)中的仿真軟件。

三、基于MATLAB的仿真電路設(shè)計

1.電力電子典型電路在SIMULINK中的搭建

半導(dǎo)體變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容，單相全控橋式整流電路是半導(dǎo)體變流技術(shù)中最典型，使用最為廣泛的一個電路。下面就以單相全控橋式整流電路為例，闡述基于MATLAB的仿真電路設(shè)計。

單相全控橋式整流電路的原理圖如1所示。根據(jù)該原理圖，在SIMULINK的SimPowerSystem模型庫中找到單相全控橋式整流電路所需的基本元器件模塊，搭建仿真電路如圖2所示。

為使設(shè)計的電路更加接近工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，在圖2中，交流電源（AC Voltage Source）通過單相變壓器（Linear Transformer）降壓后的二次電壓向晶閘管橋式電路供電。鑒于集成脈沖觸發(fā)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電力電子電路中，也為了簡化電路，突出主干模塊，這里選用脈沖發(fā)生模塊（Synchronized 6-Pulse Generator）為電路提供觸發(fā)脈沖。通過電壓測量模塊（Voltage Measurement）取得的變壓器二次電壓信號作為觸發(fā)器的同步信號。同步信號從觸發(fā)器AB端輸入，觸發(fā)器的BC，CA端和Block端用常數(shù)模塊置“0”。脈沖觸發(fā)模塊產(chǎn)生的六路脈沖信號，通過模塊Demux分解并與變壓器二次電壓的相位比較。四個晶閘管模塊（VT1～VT4）構(gòu)成橋式整流電路，其中，第6路觸發(fā)脈沖與晶閘管VT1和VT4的門極連接，第4路脈沖與晶閘管VT2和VT3的門極連接。用模塊RLC串聯(lián)電路（Series RLC Branch）作為電路的負(fù)載。在本例中分析單相全控橋式整流電路在純電阻負(fù)載中的特點(diǎn)，因此通過參數(shù)設(shè)置使RLC串聯(lián)電路模塊為純阻性負(fù)載。

在該電路中，通過連接示波器模塊（Scope）來觀測不同連接點(diǎn)上的電流、電壓波形。其中，示波器ivt1和uvt1分別觀測晶閘管VT1兩端的電壓和電流。示波器id通過電流測量模塊（Current Measurement）觀測流過負(fù)載的電流波形，示波器ud通過電壓測量模塊（Voltage Measurement）觀測負(fù)載兩端的電壓波形。模塊Measure Value計算出負(fù)載兩端的平均電壓并通過示波器Ud顯示。

比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用MATLAB的SIMULINK 元器件庫搭建的仿真電路中，各主要元器件與電路原理圖中的元器件一一對應(yīng)，學(xué)生能夠較為容易地讀懂該仿真電路圖，而不需要花時間學(xué)習(xí)MATLAB的相關(guān)知識。

圖2所示的仿真電路包含了單相全控橋式整流電路正常工作所需要的全部模塊，即不僅展示了該電路中的核心部分——晶閘管橋式整流電路，也展示了電源輸入模塊以及脈沖觸發(fā)模塊。通過該仿真電路，學(xué)生能夠更加全面系統(tǒng)地了解單相全控橋式整流電路正常工作所必需的各個模塊及其在整個電路中的作用，彌補(bǔ)了在傳統(tǒng)教學(xué)中各章節(jié)只針對一個主題闡述（如將脈沖觸發(fā)電路另置一章）而導(dǎo)致知識點(diǎn)之間缺乏系統(tǒng)聯(lián)系的缺點(diǎn)。

此外，在仿真電路圖中，可以不受限制地添加多個示波器連入各待測點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺由儀器有限所帶來的缺陷，同時也不用擔(dān)心實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺由于反復(fù)使用元器件損壞而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的情況。

2.仿真結(jié)果與分析

通過設(shè)置框圖Control angle中的參數(shù)可設(shè)定不同的控制角。啟動仿真后點(diǎn)擊示波器圖標(biāo)即可觀察到相應(yīng)觀測點(diǎn)上的波形。

經(jīng)過SIMULINK仿真運(yùn)行后虛擬示波器中顯示的部分結(jié)果如圖3所示。在圖3左半欄分別顯示了控制角為60°時晶閘管VT1兩端的電流和電壓波形。從該組圖中可以得出，仿真電路中的示波器可以準(zhǔn)確地仿真出各觀測點(diǎn)的電壓，電流波形。改變控制角的設(shè)置，可得出相應(yīng)的波形變化，圖3右半欄所示分別為控制角為60°以及120°時負(fù)載兩端的電壓波形。

由圖3可得出，在仿真結(jié)果的顯示上，虛擬示波器能夠獲得和真實(shí)示波器一樣的檢測波形，而且，由于在仿真電路中能夠形象地顯示每個示波器的鏈接點(diǎn)，學(xué)生能夠更為直觀地將觀測到的電流、電壓等波形與各觀測點(diǎn)聯(lián)系起來，從而掌握整個電路中電流、電壓的波形從輸入到輸出完整的變化規(guī)律。此外，在仿真電路圖中，通過參數(shù)的設(shè)置，可以很容易地改變觸發(fā)脈沖的控制角，由此得出不同控制角時各觀測點(diǎn)的波形。

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，通過手工繪制波形圖缺乏靈活性，而在SIMULINK仿真電路中可以通過對控制角的多次改變，動態(tài)地觀察比較各觀測點(diǎn)的波形變化，從而掌握該電路的功能特點(diǎn)。在晶閘管整流電路中，電壓平均值的概念一直是教學(xué)中的一個難點(diǎn)，傳統(tǒng)教學(xué)中這一概念的闡述只能依靠數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的職業(yè)學(xué)校學(xué)生很難真正理解這一參數(shù)的物理意義。仿真電路中的平均值計算器模塊可自動計算出負(fù)載兩端電壓的平均值并顯示在示波器上，便于學(xué)生更形象直觀地理解電壓平均值的含義，而不必借助于復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。該仿真電路還具有很好的兼容性，若將電路中的RLC串聯(lián)電路模塊的Branch Type 項(xiàng)參數(shù)設(shè)置為“L”，即可用于仿真大電感負(fù)載電路的相關(guān)波形。

四、結(jié)論

SIMULINK搭建的仿真電路能夠準(zhǔn)確、直觀、形象地仿真電力電子技術(shù)中的各種電路的重要參數(shù)的波形變化情況。將MATALB引入電力電子技術(shù)的課堂教學(xué)能夠彌補(bǔ)職業(yè)學(xué)校的學(xué)生由于抽象思維能力較弱而在該課程學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的不足，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助他們掌握電力電子技術(shù)的基本知識，為培養(yǎng)他們在該課程中的實(shí)踐操作能力奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳宏.基于Matlab的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，（1）：54-57.

[2]吳曙光，李新生.基于知識+技能的高職教學(xué)模式構(gòu)建[J].職業(yè)技術(shù)教育，2013，（5）：29-31.

[3]李慶余.EDA技術(shù)在《電力電子》教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技信息，

2013，（27）：27-68.

[4]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].中國電力出版社，2009.

[5]馮興田，王艷松，劉希臣.電力電子技術(shù)教學(xué)中電力仿真軟件的選擇與應(yīng)用[J].中國電力教育，2013，（4）：65-66.

[6]劉恒娟.MATLAB仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)上的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動化，2012，（6）：154-155.

[7]洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

（責(zé)任編輯：王意琴）