基于MATLAB的電力電子技術實驗教學改革

韓 濤，肖 波，詹習生，涂 建

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

電力電子技術是高等院校電氣類專業的核心課程之一，集電力、電子、控制技術為一體，它是一門跨學科的利用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，包括對電壓、電流、頻率和相位的變換[1]。該課程的突出特征是理論教學和實踐教學并重，要求理論必須和操作密切結合，強調技術應用。電力電子技術實驗作為學習電力電子技術的一個重要實踐環節，可以使學生更好地理解和掌握課程所學知識，較系統地學習電力電子技術的實驗技術和方法，進一步熟悉它們在電力電子領域中的應用和發展。但目前地方性應用型本科院校的實驗經費有限、實驗設備難以滿足實驗教學的需求。同時電力電子技術實驗教學大多數還是采用傳統的填鴨式教學模式，即課前實驗預習-教師講解實驗原理-教師演示實驗-學生完成實驗-學生交實驗報告。學生基本上是處于被動接受知識和實驗結果的學習狀態，缺乏主動性和創新性。這不利于新型應用型本科人才的培養，也不利于應對工程教育專業認證的考驗。隨著計算機技術的發展，虛擬仿真技術已成為輔助教學的熱點。因此，對電力電子實驗教學進行改革顯得十分有必要。

1 實驗存在的問題

結合本校的電力電子實驗教學現狀，目前實驗教學存在的問題主要包括以下幾個方面：1)實驗設備使用年限長，實驗設備破舊老化嚴重，實驗設備昂貴，受實驗教學經費的影響，實驗設備更新很慢；2)學生良莠不齊，存在誤操作，導致電力電子器件的損耗性比較大；3)學生在做實驗的時候由于設備有限，基本上是幾個人一組，有些惰性比較強的學生，基本上是處于玩手機、混實驗課的狀態，積極性不高；4)由于實驗設備老化、實驗器件損壞，學生要花很長時間在實驗故障排除上，學生的實驗效率和成功率比較低，教學效果不好； 5) 現有實驗掛箱是模塊化、封閉的掛箱，在實驗過程中只能按照電路圖進行接線，用示波器驗證實驗結果，學生對于實驗的內部結構和電力電子器件了解較少，缺乏創新性；6)電力電子實驗過程中既有強電，也有弱電，實驗具有一定的危險性，加上學生的安全意識不強、對實驗原理理解不夠深入，存在安全隱患；7)電力電子實驗只能在固定的實驗室進行，實驗課時有限，對于想進一步提高電力電子實踐能力的學生無法滿足其要求。

2 教學模式改革

2.1 基于線上線下的混合式教學

電力電子技術是一門理論性和實踐性都很強的課程，任何實踐都需要理論進行指導，電力電子的實踐教學也是這樣。因此，要開展好實踐教學，首先要重視理論教學，以理論教學為基礎[2]。對于地方應用型本科院校，學生的基礎知識比較薄弱，學生學習起來有一定的困難。僅僅依靠課堂上的教學形式，學習效果不是很好。在現有多媒體教學的基礎上，豐富理論教學形式，如基于線上線下的混合式教學。線上線下教學相結合，以線下教學為主，線上教學作為線下教學的有利補充。目前我校已經開發了電力電子技術在線課程，該課程由學院電力電子技術課程教學團隊參與建設錄制，目前已經在智慧樹上開課3學期，選課人數累計2 766人，累計學校17所，累計互動2 493次。在線學習可以很好地與學生進行在線互動，激發學生學習興趣，提高學生的主動性。該在線課程設有作業測試、章節測試，期末考試等環節，可以在線統計學生的學習情況，優化考核體系，并及時做好反饋。

根據學生學習情況，教師在開展理論課的過程中，借助于在線課程平臺，中間穿插章節實驗，在線進行案例演示，把電力電子技術課程中需要動手的部分，通過實驗的方式，引導學生開展實驗。綜合考慮學生理論和實驗學習實際情況以及學生的差異性，教師在原有實驗基礎上優化實驗內容，保留一些基礎性實驗，適當增加一些開放性和綜合性的實驗。學生可以根據教師提供的題目自由選擇，有基礎的還可以根據實際情況進行自主設計。

2.2 引入啟發創新性模式—電子仿真

電子仿真具有運行成本低，操作可控性高，實驗重復性好和整體實驗效果高等特點。針對實驗教學建設經費有限、實驗場地不足，電力電子實驗裝置價格昂貴，實驗設備老化更新跟不上等問題，學生實驗效果不好的問題，可以引入啟發創新性教學模式，教師引導學生利用專業仿真軟件對電力電子技術實驗進行仿真[3]。根據我院電氣專業人才培養計劃和課程教學大綱，教師可以通過案例教學的方式，啟發學生獨立完成相關實驗的設計和仿真，培養學生獨立分析問題、解決問題的能力。實驗教學案例可以線下進行，也可以借助于已運行的在線課程平臺智慧樹開展，這樣可以與理論課進行有效銜接。借助專業仿真軟件的強大功能，教師營造一種“虛擬現實”的實驗環境，為學生能夠驗證設計方案的可行性和進一步優化設計方案提供便利。

當前能被用于電力電子技術的仿真軟件很多，如PSPICE、ALTIUM DESIGNER、PROTEUS、POWERSIM、MATLAB/SIMULINK、MULTISIM等[4]。MATLAB/SIMULINK仿真軟件有著極其豐富的電力電子器件模塊以及強大的仿真能力，不用搭建專門的仿真平臺，可以直接在該軟件上方便地搭建仿真模型。新建仿真文件后，可以直接從對應模塊庫里拖拽相應模塊，根據電路結構進行連接即可搭建仿真模型。結合我校教學實際，電氣專業課程體系中設置有MATLAB課程，學生具備一定的MATLAB軟件操作基礎，這樣上手起來也比較容易。模型的建立過程可以加深學生對電力電子器件和電路的理解。學生通過仿真可以直觀地、形象地看到電路結構和波形，其參與度得到提升、積極性和主動性也自然得到提高。除此之外，實驗操作風險也大大降低，而且實驗過程不受實驗場地的限制。

2.3 翻轉課堂、教學過程延伸

針對學生主動性和參與度不高的問題，在開展教學的過程中，教師可以選擇班級人數少的班級進行翻轉課堂，以學生為中心開展教學，將學習的主動權交給學生，調動學生的積極性。安排部分學生進行翻轉課堂，他們的實驗操作可以采取翻轉講授。電力電子技術的實踐環節還可以進一步延伸，教師鼓勵學生積極參加電子設計競賽、虛擬仿真大賽、挑戰杯系列競賽等，延伸電力電子實踐環節。通過參加各類競賽，可以更好地提升學生分析問題、解決實際問題的能力，培養學生工程實踐應用能力，從而更好地提高學生的實踐動手能力。不定期開放學院的新能源實驗室、多機器人協同實驗室、智能創新實驗室等，讓學生在課外時間多走進實驗室，在教師的指導下開展一些實驗，培養學生刻苦鉆研的能力。除了利用學校已有資源，還可以和地方企業展開校企合作，如網安科技、湖北(華電)西塞山發電有限公司、湖北三豐智能輸送裝備股份有限公司等。通過設立校外實訓基地，“把車間建在學校，把課堂設到車間”，不斷促進教學模式改革，切實提高人才培養的實效性。一方面，讓學生提前進入這些企業實習，提前適應社會，培養學生良好的職業意識；另一方面，聘請企業技術專家、高技能人才和能工巧匠到學校兼職，直接參與到教學、教研工作中去，進一步培養和提高學生的實際工作能力。

2.4 加強師資隊伍建設

重視師資隊伍建設，加強理論業務知識學習。組織年輕教師多參加電力電子技術課程論壇的培訓，參觀其他兄弟院校的實驗室，加強與其他兄弟院校的交流和合作。在交流中學習借鑒其他兄弟院校的良好經驗。選派教師定期進企業掛職鍛煉和參與實踐，以實現教師的知識更新和技能提升，不斷提高教師的能力水平。此外，發揮骨干教師的作用，實現傳-幫-帶，讓年輕教師更快地成長。

3 教學應用案例

將MATLAB/SIMULINK仿真軟件應用到電力電子技術實驗的教學中，通過搭建仿真模型，演示仿真波形，引導學生利用MATLAB/SIMULINK對電力電子技術實驗進行自主設計和驗證。本文以單相交流調壓電路為例，介紹如何將電子仿真融入到實驗教學當中。

交流調壓電路是把兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調節輸出電壓有效值的電路[5]。單相交流調壓電路原理圖如圖1所示。該系統由電壓源、晶閘管、同步脈沖發生器和電阻電感負載等部分組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 單相交流調壓電路原理圖

根據單相交流調壓電路的原理圖，在MATLAB(R2014b)軟件環境下，首先引導學生建立單相交流調壓阻感性負載電路的仿真模型，如圖2所示。搭建好仿真模型，然后設置電路各元件的參數，晶閘管的參數；電源設置峰值電壓為100V，頻率為50Hz；脈沖信號Pulse Generator，Pulse Generator1脈沖高度為15V、周期設置為0.02s，占空比為25%；負載電阻為10Ω，電感為8mH；觸發延遲角α可以調節。設置好各電路元件的參數之后就可以啟動SIMULINK進行仿真，最后通過示波器模塊可以觀測仿真結果。

圖2 單相交流調壓電路仿真模型

當α=30°，可以得到如圖3所示仿真結果，圖3顯示了兩個脈沖信號，電源電壓信號、負載電壓、電流、晶閘管電流波形。其中波形從上到下，依次為脈沖信號、電源信號、負載電壓、負載電流，晶閘管電流和脈沖信號1的波形。

圖3 α=30°單相交流調壓電路仿真波形

同理，我們還可以得到α=45°，α=60°，α=90°等情形下單相交流調壓電路仿真波形，從仿真波形可以看出，負載為阻感負載時，輸出電壓和電流波形不同，負載電流不能突變，負載電流滯后于負載電壓波形；在電源電壓過零時，由于電感具有反電勢作用，當感應電勢大于電源電壓時，晶閘管仍然維持導通條件，所以還能繼續維持一段時間導通，輸出電壓正半周過零時出現一段負電壓，負半周過零時出現一段正電壓，與純電阻負載不同，具有續流作用。仿真結果與教材理論分析結果一致。通過晶閘管觸發延遲角α的控制，可以控制輸出電壓的有效值。

通過在電路中添加示波器，可以將電路中任意節點的電壓電流信號波形顯示出來，更加直觀、方便。

在這個模型中如果考慮負載為阻性負載，只需要在負載電阻模塊SimPower System/Elements/Series RLC Branch中，將電路所帶的負載改成電阻負載即可，非常方便直觀，同時也可以加深學生對單相交流調壓電路結構的理解。

將MATLAB虛擬仿真技術引入到電力電子技術實驗中，通過搭建虛擬仿真模型，可直接觀測仿真波形。這樣比單純的數學公式推導直觀得多，同時可以提高學生的參與度、激發學生的學習熱情，從而可以提高教學效果。通過教師的引導，學生根據所學的理論知識，可以自己動手搭建相關仿真模型，修改模型結構或者設計更綜合的電力電子電路，這對于提高學生的創新能力也有很大幫助。學生的參與度越高，遇到的問題可能更多，發現問題、分析問題和解決問題的能力自然也有所提升。

4 結論

理論和實踐是相輔相成的，要想提高電力電子技術實驗的教學質量，離不開理論的指導，只有把理論基礎知識打牢，才能更好地進行實踐。通過線上線下的混合教學方式，將MATLAB虛擬仿真技術引入到電力電子技術實驗教學中，同時通過翻轉課堂，各類競賽、校企合作等教學過程延伸，可以更好地增強學生對電力電子電路的認識和理解，激發學生的學習熱情；有效彌補傳統實驗教學的不足，有效解決實驗經費場地受限，實驗效果不理想的問題。