基于MATLAB的“電力電子技術”仿真實驗教學系統

［摘 要］ 在當前高等教育數字化背景下，設計基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統，通過教學系統可以進行基本電路的仿真，如整流電路、交流調壓、逆變電路和PWM變換等，便于更好地幫助學生理解電力電子技術的運作原理和應用，提高學生的實踐能力。結合MATLAB的特點和優勢，基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統可實現電路參數靈活設置和實驗結果的圖形化實時顯示，有利于信息技術與課堂教學的有機融合，能夠充分激發學生的學習興趣，為學生提供關于輔學的資料，進一步推進“電力電子技術”課程教學資源數字化建設。

［關鍵詞］ MATLAB；電力電子技術；Simulink仿真實驗；教學系統設計

［基金項目］ 2022年度教育部產學合作協同育人項目“基于開放式的電力電子技術課程實踐教學平臺建設”（220604171144855）；2022年度塔里木大學一流本科專業建設項目“電氣工程及其自動化”（YLZYXJ202205）；2023年度塔里木大學第三批課程思政示范課程項目“電力電子技術”（TDKCSZ122317）

［作者簡介］ 鄒夢麗（1988—），女，河南南陽人，碩士，塔里木大學機械電氣化工程學院副教授（通信作者），主要從事農業電氣化研究；俞 彬（2001—），男，安徽宿州人，學士，塔里木大學機械電氣化工程學院2019級電氣工程及其自動化專業本科生，研究方向為電氣工程；張治娟（1987—），女，甘肅白銀人，碩士，塔里木大學機械電氣化工程學院副教授，主要從事機電一體化系統控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）24-0039-04 ［收稿日期］ 2023-05-26

一、研究背景和意義

電力電子技術作為一門新興的交叉學科，已經在現代電力系統中得到了廣泛應用。電力電子技術的發展極大地推動了電力系統的現代化和智能化，也為人們的生活提供了更加便捷和高效的電力服務。同時，電力電子技術也成了電氣工程教育中不可或缺的一部分，為培養高素質的電氣工程人才提供了重要的技術支撐［1］。

電力電子技術實驗在教學中有著舉足輕重的作用［2］，傳統的電力電子技術實驗存在實驗過程復雜、實驗結果難以觀測、實驗設備價格昂貴等問題，且學生操作不當時極易損壞實驗設備，不僅會造成實驗誤差還有可能危及人身安全。

隨著計算機技術的發展，電力電子仿真技術逐漸成為電力電子教育中的一項重要內容。通過電力電子仿真實驗，可以有效地提高學生的實踐能力和創新能力，加深學生對電力電子技術原理的理解和掌握。因此，建立一套基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統，具有非常重要的現實意義和發展前景。在此背景下，本研究基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統設計，以期提高“電力電子技術”課程教育的教學質量和水平。

二、國內外研究現狀

“電力電子技術”是電氣工程及其自動化專業的一門十分重要的專業知識核心必修課程，主要以整流電路、逆變電路、PWM電路、AC-AC交流調壓、DC-DC斬波電路等幾種典型電路為例分析電力電子器件的作用。然而，從這些復雜、抽象的電路原理圖中學生很難直觀地感受波形的變化效果。目前國內外許多高校在課堂上采用虛擬仿真平臺進行教學，通過這些虛擬仿真平臺學生可以更加清楚地了解這些電子器件的變化情況。各高校采用的仿真平臺也不盡相同，有基于Flash MX開發的EC Ware教學軟件，有基于PSpic、Simulink的實驗仿真平臺，有些高校采用Matlab和LabVIEW雙仿真實驗平臺鍛煉學生的自主學習和編程能力，還有些高校采用PSIM等虛擬仿真平臺。

南京航空航天大學開發了基于Flash MX的EC Ware l1.0軟件［3］，該軟件生動形象地利用Flash動畫向學生展示電力電子拓撲結構在不同條件下波形的變化形式，在增加課堂活躍度的同時還調動了學生學習的積極性。

哈爾濱工業大學給學生提供了基于PSpic、Simulink的實驗仿真平臺［4］，充分培養了學生的動手能力和獨立思考能力。在該仿真平臺上學生可以親自動手操作，進一步加深了學生對復雜電路的理解，并增加了學生對獨立學習的興趣。

華北電力大學采用Matlab和LabVIEW雙仿真實驗平臺［5］，幫助學生理解電力電子電路，該方法不僅節省了大量實驗設備的投入，而且不受空間和時間的限制，學生只需獨立構建仿真模型，并編寫LabVIEW的管理界面，充分鍛煉了學生的動手實踐能力，教學效果顯著。

中國石油大學（華東）利用PSIM軟件［6］與教學實踐相結合，直觀地展示電力電子器件波形的動態變化，加深學生對電路原理的理解，提高學生的學習效果。

浙江大學電氣工程學院、湖北民族學院、山東理工大學國防教育學院等高校均利用Matlab軟件設計GUI（graphical user interface）界面［7-9］，通過GUI界面的直觀性、簡潔性，向學生傳授電力系統實驗原理和過程的相關知識。

三、基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統總體設計

（一）實驗教學系統的需求分析

實驗教學系統在進行仿真時需要滿足以下幾個條件：（1）系統中所包含的各種元器件必須能夠正確地模擬實際運行過程，并且要保證仿真的真實度和可靠性。（2）要做到各個電路模型中重要參數的可調性，清晰地展示電路模型在不同的參數和運行環境下的變化情況。（3）在運行期間要保證電路模型的準確性和運行環境的穩定性，以確保仿真過程的正常和穩定［10］。（4）運行結束后快速將獲得的信息進行整理并正確無誤地將電源電壓、負載電壓、負載電流、開關器件等波形進行輸出。（5）通過Simulink提前搭建各個電路的物理模型，對電路原理有一個直觀、清晰且準確的了解，通過App Designer編寫回調函數直接保存并調用Simulink仿真，分析系統是否有故障發生，或者其影響程度以及可能出現情況下應采取什么安全措施，以確保仿真的成功。

（二）仿真實驗系統的總體設計

該仿真教學系統由電力電子實驗項目群仿真和GUI圖形用戶界面兩部分組成。其中電力電子項目仿真借助Simulink工具完成，GUI圖形用戶界面則通過App Designer工具進行創建，在創建前要先確定好各個電路模塊界面以及仿真系統的布局。最后通過編寫回調函數將仿真好的實驗項目調用出來并嵌入GUI圖形用戶界面［11］，仿真實驗系統的總體設計如圖1所示。

（三）電力電子技術仿真實驗教學系統的設計方案

1.電力電子實驗項目群仿真設計。電力電子實驗項目群由整流電路、交流調壓電路、直流斬波電路、逆變電路、PWM電路、軟開關電路六部分組成，每部分通過其實驗要求和特性進行細化，共搭建出單相半波可控整流電路、單相橋式全控整流電路、單相交流調壓電路電阻性負載電路、諧振直流環電路等13個Simulink仿真項目［12］。

2.GUI圖形用戶界面設計。在MATLAB軟件中創建GUI界面通常有兩種方法：第一是利用UIControl等句柄函數直接進行編寫產生GUI［13］，該方法的優點是效率高，缺點是難度較大不容易上手，并且需要配置GUI圖形位置等。第二是通過MTALAB自帶的App Designer進行創建界面，該方法編程語言少且代碼簡單，對新手十分友好，可以快速入門。本課題采用第二種方法，GUI圖形用戶界面設計框架如圖2所示。

四、電力電子技術仿真實驗教學系統分析

隨著電力電子技術的不斷發展，傳統的教學方式已經無法滿足要求，人機交互式的新型教學方式已經成為主流。本文設計基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統，借助MATLAB軟件對整流、逆變、交流調壓電路等共計13個基本電路進行仿真與演示。通過對電路進行仿真，將仿真結果和開關管的變化情況以動態圖形的形式直觀地展現給學生，不僅可以讓學生加深對電路原理的理解和掌握，還能有效鍛煉學生的創新與實踐能力。

該電力電子技術仿真實驗教學系統幾乎涵蓋了本科期間“電力電子技術”課程的電路仿真，并且在仿真過程中可以根據仿真需要自行修改觸發角、電源電壓、電阻電感等主要參數，學生可以更加直觀地觀察電力電子開關器件在不同的電路中、不同的條件下的運行狀況和自身的變化情況。教師可以利用該系統輔助教學，在提高課堂活躍度的同時還調動了學生學習的積極性。

五、電力電子技術仿真實驗教學系統的演示

電力電子技術仿真實驗教學系統由整流電路、逆變電路、交流調壓電路、直流斬波電路、PWM電路、軟開關電路六部分電路仿真組成。每部分通過其實驗要求和特性進行細化，共搭建出單相半波可控整流電路、單相橋式全控整流電路、電流型單相逆變電路、單相交流調壓、直流升壓斬波電路、諧振直流環電路等13個電力電子技術仿真實驗。系統目錄如圖3所示。

具體以單相交流電路為例，如圖3所示，該界面由6部分構成，最上面是兩個交流調壓電路的切換按鈕，點擊對應的按鈕即可跳轉到相應的仿真界面。第二行是電路中的主要參數編輯框，可以根據實驗所需自行更改仿真參數，左下角是實驗仿真結果，包含電源電壓波形、開關管波形和負載電壓電流波形。右上角為仿真電路的拓撲結構圖。中間為仿真按鈕，設置好參數后單擊仿真按鈕即可獲得實驗仿真的結果。右下角為返回按鈕，實驗完成后可以跳轉到目錄界面。其他實驗仿真界面的設計基本風格一致，如單相橋式單極性PWM逆變電路和諧振直流環電路等。

六、電力電子技術仿真實驗系統的應用

（一）電力電子技術仿真實驗教學系統的打包與共享

電力電子技術仿真實驗系統搭建完成之后需要將其打包為App，可以方便用戶進行使用。打包App分為選取主文件、描述App、打包為安裝文件三步。首先需要選取主文件，系統會自動分析出包含的其他文件，然后選取輔助的Simulink文件，將所有文件選取完之后需要給App進行命名、添加輔助運行環境，最后選擇輸出文件夾進行打包。

（二）電力電子技術仿真實驗教學系統的安裝與使用

用戶將MATLAB軟件打開，選擇“App”選項卡，點擊“安裝App”，找到軟件所在的文件夾，選擇文件并打開，然后單擊“安裝”按鈕即可。安裝完成后用戶可在“我的App”中找到剛剛安裝好的電力電子技術仿真實驗教學系統，單擊軟件圖標即可啟動電力電子技術仿真實驗教學系統。

結語

基于MATLAB的電力電子技術仿真實驗教學系統可以有效地提高學生的學習興趣，加深學生對電力電子技術原理的理解和掌握。該系統具有真實性強、靈活性高、交互性好、教學效果好等優點。盡管依賴MATLAB軟件和硬件資源需求較高，但本研究所提出的仿真實驗教學系統設計思路和方法也可以為其他相關領域的教學和研究提供參考和借鑒。

參考文獻

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Power Electronic Technology Simulation Experiment Teaching System Based on MATLAB

ZOU Meng-li， YU Bin， ZHANG Zhi-juan

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alaer， Xinjiang 843300， China）

Abstract： Under the current digital background of higher education， this research aims to design the power electronic technology simulation experiment teaching system based on MATLAB. The system can simulate the basic circuits， such as rectifier circuit， AC voltage regulation circuit， inverter circuit and PWM converter， so as to help students better understand the operation principle and application of power electronic technology， and improve students’ practical ability. Combined with the features and advantages of MATLAB， the system can realize the flexible setting of circuit parameters and graphical display of experimental results， which is beneficial to the organic integration of information technology and classroom teaching， fully stimulate students’ interest in learning， provide students with information about auxiliary study， and further promote the construction of digital teaching resources of Power Electronic Technology.

Key words： MATLAB; power electronic technology; simulink simulation experiment; teaching system design