MATLAB/simulink在“電力電子技術”課程教學中的應用

摘要：根據“電力電子技術”課程的特點及教學過程中存在的問題，對理論結合實際的教學方式進行了討論，提出了利用MATLAB/simulink仿真軟件輔助課堂教學的改革措施。以三相橋式全控整流電路為教學實例，引導學生利用MATLAB/simulink進行建模及仿真分析。實踐證明，本教學方法提高了學生的動手能力，增強了學生的學習興趣，加深了學生對知識點的理解，顯著提升了教學質量。

關鍵詞：電力電子；MATLAB；教學改革

作者簡介：王宇（1984-），男，山西太原人，山西大學工程學院，助教。（山西 太原 030013）

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0055-02

一、課程特點

“電力電子技術”就是應用于電力領域的電子技術，著重于研究利用電力電子器件對電能進行控制和變換。[1，2]“電力電子技術”是電氣工程及相關專業課程體系中一門重要的專業課。該課程一般以“電路”、“數字電子技術”、“模擬電子技術”為先修課程，同時開設的課程有“自動控制理論”、“電機學”等。作為一門聯系電子學、電力學、控制理論的交叉學科課程，其知識涵蓋范圍廣，更新速度快，理論抽象，學生普遍反映理解及掌握難度較大。然而也正是由于上述特點，使得該課程成為電氣工程專業眾多課程中聯系“弱電”與“強電”的一條紐帶。如何使學生更清晰地建立起“電力電子系統”的概念，并深刻理解“電力電子系統”的運行原理及過程，是廣大教師普遍關心的重要問題。筆者針對教學方式的改革進行了一定的探索和研究。

二、課程教學方法改革

該課程的主要內容包括電力電子器件、主要的電力電子變流電路、控制方法三部分，為了在授課中突出重點，理論與實踐并重，在課程教學內容上進行了一定整合，由于仿真環節的加入以及原有實驗環節的保留，需要對原有的課時編排做出調整。

1.課程主要內容安排

課程為48學時，按照教學環節分為課堂理論教學、機房仿真教學、實驗。

課堂理論教學占用32學時，主要包括：電力電子器件、整流電路、逆變電路、直-直變流電路、交-交變流電路、PWM控制技術，共6章。主要講述每種變流電路的工作原理、參數計算、性能特點，為仿真環節打下基礎。

機房仿真教學占用10學時，安排5次，每次2學時。內容分別為：MATLAB/simulink基礎知識；整流電路仿真；逆變電路仿真；直-直變流電路仿真；交-交變流電路仿真。仿真環節在各章對應的理論教學完成后進行，在學生具備了一定的理論知識基礎上，并且在教師的講述和引導下，獨立完成相應的仿真題目設置。

實驗占用6學時，安排3次，每次2學時。根據理論教學及仿真教學效果選擇學生較難理解的3種變流電路進行實驗研究。

2.課程考核方式改革

傳統的考核方式通常以“期末考試成績”或“期末成績+平時成績”為考核辦法。引入計算機仿真教學后可以將學生仿真題目的完成情況作為考核內容的一部分，再加入實驗成績，最終形成“期末考試成績+仿真題目成績+實驗成績”的綜合考核方式。

三、仿真軟件介紹

MATLAB是美國Math Works公司于1976年開發的Matrix Laboratory（矩陣實驗室）軟件的簡稱。[3]其最初定位于解決繁重的數學運算問題，后經過逐年不斷的擴充和更新，涵蓋了系統建模、自動控制、語言處理、信號分析、圖像處理、電力系統分析、機械系統分析等諸多方面，成為了一款集工程應用和理論研究于一體的綜合性軟件。而simulink仿真軟件包則是其實用性最強的部分，simulink仿真包具有自動控制系統、電力系統、機械系統諸多分支模塊，針對“電力電子技術”課程，主要應用simpowersystem模塊組進行仿真模型的搭建。目前，MATLAB的最新版本為2013b，筆者采用的版本為2009a，兩者差別微小，具備向下兼容功能。

四、仿真教學實例

在仿真教學開始以前，務必確保已經完成了本章的課堂理論教學任務，學生已經初步掌握了所要仿真內容的基本知識。選定1～2個已學習過的變流電路帶領學生集體完成仿真模型的搭建并進行仿真運算分析，解決仿真過程中的問題，指導學生觀察仿真波形，從而加深對此種變流電路工作原理的理解。最后提出一種變流電路讓學生自己完成仿真，對結果進行驗收與評價，將此作為其仿真成績。

下面以三相橋式全控整流電路為例，介紹MATLAB/simulink的仿真教學過程。三相橋式全控整流電路在中頻爐感應加熱、發電機勵磁、自動控制、交通運輸、電力系統等領域有著廣泛應用，其主要結構包括：三相交流電源、6個晶閘管組成的3相整流橋、脈沖發生電路、負載。

1.仿真模型的建立

在MATLAB環境中打開simulink軟件包，新建MDL文件，利用simpowersystem模塊組搭建三相橋式全控整流電路。三相電源模型采用三個單相交流電壓源接成星型接法；整流橋選用Universal Bridge模塊，將三相電壓對應接入；控制電路采用同步6脈沖發生器Synchronized 6-Pulse Generator模塊，時鐘從0時刻開始，觸發延遲角，并將三個線電壓對應接入；通過Multimeter萬用表模塊測量每個晶閘管的電壓；通過電壓測量模塊與電流測量模塊接入示波器，測量相應的電壓與電流波形；最后在仿真模型中加入powergui模塊，此模塊為電力系統仿真所獨有，無此模塊仿真無法運行，當系統不太復雜時可以設置powergui為continuous模式。建立好的仿真模型如圖1所示。

2.仿真結果分析

設置交流電源峰值220V，負載電阻，仿真時間0.1s，求解器為ode23tb，取消示波器點數限制，點擊“運行”按鈕，所得整流輸出電壓和電流波形如圖2所示。

將負載更改為阻感負載，，，仿真時間0.2s，所得結果如圖3所示。

在觸發延遲角的情況下，無論是電阻負載還是阻感負載，整流輸出電壓波形都是連續的，且平均值都是。電阻負載時，整流輸出電流的平均值為，且波形與電壓完全相同；阻感負載時，整流輸出電流的平均值為，且由于時間常數較大，需要經過0.15s的上升時間才能過渡為穩態值。

除的情況外，引導學生改變觸發延遲角，分別觀察，60°，90°，120°時，整流輸出電壓和電流波形。與課堂教學知識相聯系，提出問題讓學生解釋為什么會產生相應的波形。

3.仿真結果后處理

powergui模塊中有眾多后處理功能，而FFT分析是電力電子仿真最為關心的問題，下面以時整流電壓的FFT分析為例。選擇基波為50Hz，采樣周期為1，開始時間0.04s，FFT分析結果如圖4所示，可以看輸出，除直流分量外，主要含有的諧波次數為6，12，18……，即6k次，（k=1，2，3……），驗證了理論教學結論。

4.仿真擴展

在引導學生完成上述問題的分析后，提出新的仿真題目，例如：將已經掌握的三相橋式整流電路仿真模型加以發展，實現12脈波多重化整流電路的仿真分析。將此作業布置下去，完成情況記入仿真成績中。

五、結束語

結合MATLAB仿真軟件進行的“電力電子技術”課程教學方式增強了學生的動手能力和分析能力，加深了學生對具體電路工作原理的理解，使教學環節更加生動化，提高了學生的學習興趣和學習效率。仿真環節與實驗環節的相互支撐更強化了學生知識掌握的扎實度。成績考核方式的改變也引導學生的學習方法從一味“啃書本”轉變為“理論聯系實際”。隨著不斷的調整與完善，這種教學方式也可以推廣到更多的專業課教學中。

參考文獻：

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]孟慶波，王輝.電力電子技術[M].北京：北京師范大學出版社，

2008.

[3]李維波.MATLAB在電氣工程中的應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]劉同娟，金能強，馬向國.MATLAB在電力電子整流電路仿真中的應用[J].電力電子，2005，3（1）：34-37.

（責任編輯：王意琴）