Matlab仿真在“電力電子技術(shù)實驗”課程教學(xué)中的應(yīng)用

李 瑾，王 翠

(南昌工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

“電力電子技術(shù)”課程是自動化專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課[1]，也是專業(yè)核心課程，該課程的綜合性、應(yīng)用性、實踐性都很強(qiáng)，原來4個學(xué)時的課內(nèi)實驗已不能滿足實驗教學(xué)的要求，為了加強(qiáng)實驗教學(xué)，從2020年開始執(zhí)行的新版課程教學(xué)大綱中，“電力電子技術(shù)”課程由原來的理論44學(xué)時調(diào)整為40學(xué)時，實驗由原來4個學(xué)時的課內(nèi)實驗調(diào)整為8個學(xué)時的獨立設(shè)課的“電力電子技術(shù)實驗”課，目的就是加強(qiáng)師生對實驗教學(xué)的重視程度，把實驗教學(xué)放在與理論教學(xué)同樣重要的位置。

由于疫情原因，學(xué)生無法在實驗室里完成“電力電子技術(shù)實驗”課程中的實物實驗，這就需要學(xué)生在線利用Matlab 軟件進(jìn)行仿真實驗，以達(dá)到教學(xué)目的。本文以“電力電子技術(shù)實驗”課程中的兩個實驗為例，給出了仿真實驗電路模型和仿真輸出波形。

1 Matlab/Simulink簡介

美國MathWorks公司開發(fā)的Matlab軟件是基于一個易于使用的視窗環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及系統(tǒng)建模和仿真等的功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件[2]。Simulink是Matlab仿真工具之一，主要用來實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。Simulink提供了許多功能模塊，建模時用鼠標(biāo)拖曳所需的功能模塊并連接起來即可，操作簡單方便[3]。

2 實驗教學(xué)的內(nèi)容和基本方法

“電力電子技術(shù)實驗”課程共安排了四個實驗：1)SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性實驗；2)單相半波可控整流電路實驗；3)單相橋式半控整流電路實驗；4)直流斬波電路實驗。自動化專業(yè)的大三學(xué)生大部分沒有接觸過Matlab軟件，因此上學(xué)期開學(xué)初就要求每個同學(xué)在電腦上安裝好Matlab 軟件，將文獻(xiàn)[4]作為實驗課教材并將教材電子版和實驗課時間安排表上傳到課程學(xué)習(xí)QQ群，讓學(xué)生自己在電腦上根據(jù)教材第一章對照練習(xí)Simulink的基本操作并且熟悉Matlab軟件中的電力系統(tǒng)(PowerSystem)工具箱的使用方法，PowerSystem工具箱里面有電力電子器件模塊、電源模塊、測量模塊和連接器模塊等模塊庫，用它們搭建起實驗電路后可觀察并記錄電路的輸出波形，還能清楚地看到當(dāng)電路參數(shù)變化時對輸出波形的影響[5]。另外在實驗課的前一周預(yù)習(xí)“電力電子技術(shù)”理論課上學(xué)過的相關(guān)的知識內(nèi)容，搞懂實驗原理。

實驗教學(xué)在騰訊課堂進(jìn)行，教師用分享屏幕的方式演示如何進(jìn)入Simulink新建文檔，以及在PowerSystem工具箱里不同的模塊庫中找到所需的模塊，再用鼠標(biāo)拖動這些模塊到文檔區(qū)，連接之后設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，搭建起仿真實驗電路，單擊“start”命令進(jìn)行仿真，最后雙擊示波器就可觀察電路的輸出波形，也可以通過改變電路參數(shù)設(shè)置觀察到輸出波形的相應(yīng)變化。演示結(jié)束后學(xué)生自行在電腦上用Matlab 軟件搭建仿真電路模型，觀察并記錄實驗輸出波形。實驗過程中遇到的問題，如由于使用的Matlab軟件版本不一致有些仿真模塊找不到，或者仿真實驗?zāi)Ｐ徒ê煤蠓抡孢^程報錯無法運行等，學(xué)生都可以在QQ上向老師提問，若得到的波形與理論不符也可將所得波形在QQ上發(fā)給老師，由老師幫助查找出問題(如參數(shù)設(shè)置不對、接線錯誤等)，直到得出正確的輸出波形。

3 仿真實例

2.1 單相半波可控整流電路實驗

圖1為單相半波可控整流電路仿真模型。

圖1 單相半波可控整流電路仿真模型

帶純阻性負(fù)載R=1 Ω，控制角α=0°和α=45°時由圖1中示波器得到的兩組波形分別如圖2和圖3所示。

圖2 R=1 Ω, L=0 H，控制角α=0°時的仿真波形

圖3 R=1 Ω, L=0 H，控制角α=45°時的仿真波形

帶阻感負(fù)載R=1 Ω，L=0.01 H，控制角α=0°和α=45°時由圖1中示波器得到的兩組波形分別如圖4和圖5所示。

圖4 R=1 Ω, L=0.01 H，控制角α=0°時的仿真波形

圖5 R=1 Ω, L=0.01 H，控制角α=45°時的仿真波形

2.2 直流斬波電路實驗

圖6是降壓斬波電路仿真模型，其中直流電源電壓為100 V，R=1Ω，L=0.001 H，C=0.7 uF，脈沖發(fā)生器模塊的振幅設(shè)置為1 V，周期為0.001 s，脈沖寬度為50%和80%時由圖6中示波器得到的仿真波形分別如圖7和圖8所示。

圖6 降壓斬波電路仿真模型

圖7 降壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度50%)

圖8 降壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度80%)

圖9是升壓斬波電路仿真模型，其中直流電源電壓為100 V，R=10 Ω，L=0.001 H，C=1 uF，脈沖發(fā)生器模塊的振幅和周期設(shè)置不變，脈沖寬度為20%和60%時由圖9中示波器得到的仿真波形分別如圖10和圖11所示。

圖9 升壓斬波電路仿真模型

圖10 升壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度20%)

圖11 升壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度60%)

4 結(jié)語

將Matlab仿真軟件引入教學(xué)，教師在“電力電子技術(shù)實驗”課上對仿真實驗進(jìn)行簡單介紹和操作演示之后由學(xué)生自行進(jìn)行仿真實驗，不受時間、空間和物質(zhì)條件的限制驗證所學(xué)理論知識的正確性，不僅可有效強(qiáng)化對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，仿真實驗的成功還會使學(xué)生有很大的成就感，提高他們的學(xué)習(xí)興趣[6]。另外，實驗室普通示波器只能同時觀察多路信號，而通過仿真可同時觀察多路波形，且當(dāng)修改電路參數(shù)還有模擬開路、短路或脈沖丟失等故障時都可直觀地觀察到工作電路性能的改變和輸出波形的變化，這樣便于比較還能加深學(xué)生的印象，對培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力也大有好處。

有了Matlab仿真軟件，以后的“電力電子技術(shù)實驗”課教學(xué)都可“虛實結(jié)合”，即在做實物實驗之前，要求學(xué)生先按自己設(shè)計的仿真模型在電腦上完成Matlab仿真實驗，仿真實驗成功的學(xué)生再進(jìn)入實驗室實施已經(jīng)通過仿真驗證的實驗方案。這種虛實結(jié)合的實驗方案不僅可提高實驗效率，大大降低實驗設(shè)備的損壞程度，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也會得到明顯提高。