基于MATLAB的高職《電力電子技術(shù)》課程改革探索

葉云洋 蔣燕 陳文明

湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101

基于MATLAB的高職《電力電子技術(shù)》課程改革探索

葉云洋 蔣燕 陳文明

湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101

《電力電子技術(shù)》是高職強(qiáng)電類專業(yè)中一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為改善該門課的教學(xué)效果和實(shí)踐條件，本課題組提出了一種基于MATLAB的虛擬實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思想，開發(fā)出相應(yīng)的仿真平臺(tái)。該仿真軟件既可用于教師的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，又可作為學(xué)生自學(xué)的輔助工具。

MATLAB；虛擬仿真；電力電子技術(shù)；課程改革

作為高職學(xué)院，學(xué)校的辦學(xué)定位以工程應(yīng)用為主導(dǎo)，人才培養(yǎng)目標(biāo)是為地方工業(yè)培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才。《電力電子技術(shù)》是我校自動(dòng)化、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造與那種、電機(jī)與電器三個(gè)專業(yè)的一門專業(yè)核心課，它是一門綜合電力電子器件、電力變換、控制技術(shù)的多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)課程，本課程在我校這幾個(gè)強(qiáng)電專業(yè)中的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生電力電子器件的應(yīng)用能力，使學(xué)生掌握電力電子電路的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的基本技能。該課程與實(shí)際聯(lián)系較多，原理比較抽象，傳統(tǒng)的教學(xué)模式和方法不能適應(yīng)該課程在高職教育中的發(fā)展。為改善教學(xué)效果，課程組堅(jiān)持將學(xué)科優(yōu)勢和成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源的思路，開展教學(xué)改革，采用現(xiàn)代教育手段進(jìn)行，加強(qiáng)課件的建設(shè)，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

一、課程的研究現(xiàn)狀分析

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生與發(fā)展的一門嶄新技術(shù),它日新月異的發(fā)展,使該門課程處于不斷充實(shí)、更新之中。目前的電力電子技術(shù)教材與前幾版相比,大都實(shí)現(xiàn)了從以半控的晶閘管電路為主體向以全控型器件電路為主體的轉(zhuǎn)變,這使得該課程內(nèi)容多,信息量大。但隨著教學(xué)改革的不斷深入以及人才培養(yǎng)計(jì)劃的調(diào)整,專業(yè)課程的課時(shí)大多被壓縮,為達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果,在教學(xué)過程中必須有新的教學(xué)手段和方法來支持。

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展和高等教育規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為了電力電子技術(shù)課程發(fā)展的熱點(diǎn)和必然趨勢，目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室所采用的仿真軟件有Pspice軟件、Multisim軟件以及MATLAB軟件。然而，Pspice軟件在電力電子領(lǐng)域由于器件的特殊性和非線性狀態(tài)下,仿真使用起來不太容易,應(yīng)用在三相可控整流電路和直流斬波電路中較麻煩，而Multisim軟件應(yīng)用擴(kuò)展受到限制。而MATLAB軟件被認(rèn)作是進(jìn)行該項(xiàng)研究、開發(fā)的首選軟件工具。MATLAB仿真軟件自1984年由美國MathWorks公司推向市場以來,經(jīng)過多年的發(fā)展,現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件；在實(shí)際的工程應(yīng)用中，MATLAB也已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算仿真軟件，基于該軟件的系統(tǒng)運(yùn)行性能好，效益高。

目前，研究將MATLAB引入高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的教學(xué)研究較少，只有部分本科院校在他們的教學(xué)中使用了這種基于MATLAB軟件的電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并有相關(guān)的參考文獻(xiàn)，如周淵深教授編寫的《電力電子技術(shù)與MATLAB仿真》（中國電力出版社出版）。但這些研究都凸現(xiàn)出難度高、專業(yè)深、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，不具有普及性。

他們的研究取得了一定的成就，也是本課程改革的一個(gè)起點(diǎn)。他們的計(jì)算機(jī)模擬存在以下問題：零散、操作麻煩、內(nèi)容不完整、運(yùn)行不能離開MATLAB環(huán)境。為了更高效的利用該軟件，不斷地有新控制技術(shù)和算法出現(xiàn)，致力于建立一套適應(yīng)高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿這真系統(tǒng)。

二、課程的改革內(nèi)容

本課程組所建立的電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以我校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(DJDK-1)為原型設(shè)計(jì)的，通過對(duì)原型的提煉和抽象，提出了構(gòu)建電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本要素和建立電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原則和方法。

構(gòu)建電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真方法是它的基礎(chǔ)。由于建立電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的目的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)的實(shí)際動(dòng)手能力和感性認(rèn)識(shí)，對(duì)于不涉及器件特性的實(shí)驗(yàn)，電路中的開關(guān)元件則可視為理想開關(guān)，并將其作為一個(gè)電路元件包含在電路中，這樣就可以應(yīng)用電路分析的一般理論建立起此類電力電子電路的方程。通過拓?fù)浞ê透倪M(jìn)節(jié)點(diǎn)法建立起電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電路方程的聯(lián)系，即通過電網(wǎng)絡(luò)理論中電路的表矩陣方程，實(shí)現(xiàn)電路的圖與電路方程的轉(zhuǎn)換，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)從電路的圖形化連接到相應(yīng)電路方程的自動(dòng)生成。對(duì)生成的電路的表矩陣方程，應(yīng)用Euler法或Runge-Kutta法進(jìn)行求解，從而得到各支路的電流和電壓信息。

電力電子技術(shù)仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的電力系統(tǒng)模塊環(huán)境中。在MATLAB提示符下鍵入powerlib命令。這個(gè)命令將打開simulink窗口。同時(shí)展示了電力系統(tǒng)模塊工具箱中的不同子模塊工具箱。在psb中幾乎提供了組成電力系統(tǒng)的所有元件，元件模型豐富，包括：同步機(jī)，異步機(jī)，變壓器，直流機(jī)，線性和非線性，有名的和標(biāo)示值系統(tǒng)的，不同仿真精度的設(shè)備模型庫，單相，三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線，單相，三相斷路器及各種電力系統(tǒng)的負(fù)荷模型，電力半導(dǎo)體器件庫以及控制測量環(huán)節(jié)，信號(hào)顯示和模塊連接等一般可以在simulink工具箱中找到?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是給學(xué)生提供一個(gè)軟件模擬環(huán)境, 在MATLAB具有專門的仿真工具和電力系統(tǒng)模塊庫，運(yùn)用MATLAB/Simulink對(duì)整流、斬波、逆變等幾種常見的電力電子電路進(jìn)行建模和仿真,觀測電路波形，設(shè)置參數(shù)并觀察參數(shù)變化對(duì)電路波形圖的影響,分析結(jié)果一目了然，從而大大地方便了學(xué)生研究器件的工作特性和電路的動(dòng)態(tài)特性。

三、采取的研究方法和技術(shù)路線

在電力電子技術(shù)教學(xué)過程中，各種電路在不同條件下的輸出電壓、電流波形的測試和分析是核心，因此本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮了這一點(diǎn)：一、可以在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)電路以及電路中的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并得出不同的仿真波形；二、具體的實(shí)驗(yàn)波形可以通過數(shù)字示波器存儲(chǔ)，在MATLAB中處理并存儲(chǔ)，可供學(xué)生調(diào)出參考。本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后即可掛在實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器上，并通過MATLABWebServer配置服務(wù)器，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)用戶登錄訪問。具體研究方法和技術(shù)路線如下：

（一）建立電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面

1、設(shè)置系統(tǒng)主界面：用“歡迎進(jìn)入電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”為一個(gè)按鈕相應(yīng)區(qū)，只要用戶按下鼠標(biāo)，便出現(xiàn)用戶登錄界面。如果用戶登陸成功，則重新顯示主界面，等待用戶輸入新的命令，否則關(guān)閉系統(tǒng)。

2、設(shè)置用戶管理界面：用戶登錄到可操作界面后，對(duì)用戶信息進(jìn)行管理，也可以選擇要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。演示實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)的主要部分之一，它包括了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、原理、意義、注意事項(xiàng)等的講解、實(shí)驗(yàn)電路的計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示等。利用演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師可以方便、快捷地完成各變換電路各參量的分析，仿真電路是已達(dá)建好的，教師在上課時(shí)只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示，利用鼠標(biāo)和鍵盤可以對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改，能方便地觀測到同一系統(tǒng)不同參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果的影響。

3、設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面：操作實(shí)驗(yàn)作為虛擬實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)重要組成部分，操作實(shí)驗(yàn)為教師、同學(xué)提供了一個(gè)自己動(dòng)手，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)過程、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平臺(tái)。使用者可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)微機(jī)上的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器,按照實(shí)驗(yàn)要求、組裝成為一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).同時(shí)，可以在這個(gè)系統(tǒng)上完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)參數(shù)的改變,數(shù)據(jù)采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬、分析等等。

（二）典型電路的建模與仿真

電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容預(yù)計(jì)設(shè)置八個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別與教材的相關(guān)內(nèi)容一一對(duì)應(yīng)。在用戶登錄后，選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的仿真模型。當(dāng)然此處還應(yīng)設(shè)一個(gè)選擇入口，仿真/實(shí)驗(yàn)，這樣就可以選擇是進(jìn)入仿真系統(tǒng)還是進(jìn)入實(shí)際實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)，這一塊將在后續(xù)研究工作中加入。

現(xiàn)以一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，演示具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如一個(gè)由晶閘管組成的三相全控電路，電路由三相對(duì)稱電源、晶閘管整流橋、負(fù)載、六路出發(fā)脈沖、顯示以及實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息組成。雙擊三相電壓源模塊可以更改電源電壓的初始相位、幅值和頻率，雙擊六路出發(fā)脈沖模塊可以更改出發(fā)電路的觸發(fā)角，雙擊晶閘管整流橋模塊可以更改實(shí)驗(yàn)所使用的電力電子器件，雙擊顯示模塊可以觀看仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)波形，此外雙擊模型的右下角處，就可以獲得實(shí)驗(yàn)的其他相關(guān)信息，本實(shí)驗(yàn)的另一部分是有源逆變部分，在實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息中給出了這部分實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)的建議，學(xué)生可以根據(jù)提示自己完成這部分的仿真模型的建立、仿真，并對(duì)照參照波形來檢驗(yàn)所見模型的正確性。

（三）編寫虛擬操作系統(tǒng)指導(dǎo)書

完成了典型實(shí)驗(yàn)的建模與仿真后,為了方便學(xué)生正確使用該系統(tǒng)及自學(xué)的需要,本課題組將組織編寫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)指導(dǎo)書,該書面向高職學(xué)生，簡單易掌握，突出實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，采用基于MATLAB軟件、面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的圖形化仿真技術(shù)，系統(tǒng)地針對(duì)典型電力變換電路介紹仿真實(shí)驗(yàn)。其內(nèi)容如下：

實(shí)訓(xùn)一 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)二 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)三 單相半波可控整流及有源逆變電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)四 單相橋式全控整流及有源逆變電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)五 三相橋式全控整流及有源逆變電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)六 單相、三相交流調(diào)壓電路的仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)七 直流斬波電路仿的真與仿真與實(shí)驗(yàn)

實(shí)訓(xùn)八 常用電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路仿真與實(shí)驗(yàn)

附錄 MATLAB/Simulink/Power System仿真基礎(chǔ)

四、項(xiàng)目完成后的經(jīng)濟(jì)效益和理論意義

基于 MATLAB 開發(fā)的 “電力電子技術(shù)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中講解內(nèi)容抽象、手畫圖形不準(zhǔn)確和不直觀、教學(xué)內(nèi)容難以擴(kuò)展等方面的不足。該系統(tǒng)可以使該課程的課堂教學(xué)更加結(jié)合工程實(shí)際,仿真環(huán)節(jié)可以為理論教學(xué)提高波形演示，提高理論教學(xué)效果，能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和探索欲望，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，

其次，虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)有良好的指導(dǎo)作用,可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的不足。在電力電子的實(shí)際試驗(yàn)中用的都是功率器件，費(fèi)用高、費(fèi)時(shí)，危險(xiǎn)性大。引入了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，避免了對(duì)儀器、元器件使用不當(dāng)所造成的損壞,緩解了目前實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)較少和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的局限。并且學(xué)生在課前對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的框架、實(shí)驗(yàn)元件有一個(gè)總體的把握，可減少實(shí)驗(yàn)過程中的不當(dāng)操作，從而減少了實(shí)驗(yàn)室的開支。

同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以開放實(shí)驗(yàn)室的形式,擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)儀器設(shè)備、元器件的依賴。學(xué)生在課后只需要一臺(tái)電腦就可以自己進(jìn)行仿真，并且可以方便地改變系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行分析和思考。這對(duì)于加深其課堂所學(xué)知識(shí)，開闊思路具有重要意義。并可讓學(xué)生提出自己的思想，設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品,可充分發(fā)揮自己的設(shè)計(jì)才能，獨(dú)立完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也為學(xué)生以后走上社會(huì)工作崗位多提供了一種解決工程問題的科學(xué)方法。

[1]黃家善．電力電子技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社[M].2009

[2]韓唏春.《電力電子技術(shù)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].南京：南京工程學(xué)院學(xué)報(bào).2004（4）：55-58

[3]楊奕．《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)改革初[J].江蘇南通：南通大學(xué)學(xué)報(bào)——教育科學(xué)版.2006（3）

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.124

葉云洋（1982-） 男.漢族.江西上饒人.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，工學(xué)碩士.主要研究方向：電力電子技術(shù)及應(yīng)用；

蔣燕（1981-）男.漢族.湖南邵陽人.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，工學(xué)碩士.主要研究方向：控制理論與控制工程；

陳文明（1978-）男.漢族.湖南永州人.湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，工學(xué)碩士.主要研究方向：風(fēng)力與發(fā)電。.