MATLAB/simulink在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：根據(jù)“電力電子技術(shù)”課程的特點(diǎn)及教學(xué)過程中存在的問題，對(duì)理論結(jié)合實(shí)際的教學(xué)方式進(jìn)行了討論，提出了利用MATLAB/simulink仿真軟件輔助課堂教學(xué)的改革措施。以三相橋式全控整流電路為教學(xué)實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生利用MATLAB/simulink進(jìn)行建模及仿真分析。實(shí)踐證明，本教學(xué)方法提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，顯著提升了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力電子；MATLAB；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：王宇（1984-），男，山西太原人，山西大學(xué)工程學(xué)院，助教。（山西 太原 030013）

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0055-02

一、課程特點(diǎn)

“電力電子技術(shù)”就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，著重于研究利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和變換。[1，2]“電力電子技術(shù)”是電氣工程及相關(guān)專業(yè)課程體系中一門重要的專業(yè)課。該課程一般以“電路”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”為先修課程，同時(shí)開設(shè)的課程有“自動(dòng)控制理論”、“電機(jī)學(xué)”等。作為一門聯(lián)系電子學(xué)、電力學(xué)、控制理論的交叉學(xué)科課程，其知識(shí)涵蓋范圍廣，更新速度快，理論抽象，學(xué)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(diǎn)，使得該課程成為電氣工程專業(yè)眾多課程中聯(lián)系“弱電”與“強(qiáng)電”的一條紐帶。如何使學(xué)生更清晰地建立起“電力電子系統(tǒng)”的概念，并深刻理解“電力電子系統(tǒng)”的運(yùn)行原理及過程，是廣大教師普遍關(guān)心的重要問題。筆者針對(duì)教學(xué)方式的改革進(jìn)行了一定的探索和研究。

二、課程教學(xué)方法改革

該課程的主要內(nèi)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(diǎn)，理論與實(shí)踐并重，在課程教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了一定整合，由于仿真環(huán)節(jié)的加入以及原有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的保留，需要對(duì)原有的課時(shí)編排做出調(diào)整。

1.課程主要內(nèi)容安排

課程為48學(xué)時(shí)，按照教學(xué)環(huán)節(jié)分為課堂理論教學(xué)、機(jī)房仿真教學(xué)、實(shí)驗(yàn)。

課堂理論教學(xué)占用32學(xué)時(shí)，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(shù)，共6章。主要講述每種變流電路的工作原理、參數(shù)計(jì)算、性能特點(diǎn)，為仿真環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。

機(jī)房仿真教學(xué)占用10學(xué)時(shí)，安排5次，每次2學(xué)時(shí)。內(nèi)容分別為：MATLAB/simulink基礎(chǔ)知識(shí)；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(huán)節(jié)在各章對(duì)應(yīng)的理論教學(xué)完成后進(jìn)行，在學(xué)生具備了一定的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，并且在教師的講述和引導(dǎo)下，獨(dú)立完成相應(yīng)的仿真題目設(shè)置。

實(shí)驗(yàn)占用6學(xué)時(shí)，安排3次，每次2學(xué)時(shí)。根據(jù)理論教學(xué)及仿真教學(xué)效果選擇學(xué)生較難理解的3種變流電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.課程考核方式改革

傳統(tǒng)的考核方式通常以“期末考試成績(jī)”或“期末成績(jī)+平時(shí)成績(jī)”為考核辦法。引入計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)后可以將學(xué)生仿真題目的完成情況作為考核內(nèi)容的一部分，再加入實(shí)驗(yàn)成績(jī)，最終形成“期末考試成績(jī)+仿真題目成績(jī)+實(shí)驗(yàn)成績(jī)”的綜合考核方式。

三、仿真軟件介紹

MATLAB是美國(guó)Math Works公司于1976年開發(fā)的Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）軟件的簡(jiǎn)稱。[3]其最初定位于解決繁重的數(shù)學(xué)運(yùn)算問題，后經(jīng)過逐年不斷的擴(kuò)充和更新，涵蓋了系統(tǒng)建模、自動(dòng)控制、語言處理、信號(hào)分析、圖像處理、電力系統(tǒng)分析、機(jī)械系統(tǒng)分析等諸多方面，成為了一款集工程應(yīng)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(shí)用性最強(qiáng)的部分，simulink仿真包具有自動(dòng)控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)諸多分支模塊，針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程，主要應(yīng)用simpowersystem模塊組進(jìn)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(xué)實(shí)例

在仿真教學(xué)開始以前，務(wù)必確保已經(jīng)完成了本章的課堂理論教學(xué)任務(wù)，學(xué)生已經(jīng)初步掌握了所要仿真內(nèi)容的基本知識(shí)。選定1～2個(gè)已學(xué)習(xí)過的變流電路帶領(lǐng)學(xué)生集體完成仿真模型的搭建并進(jìn)行仿真運(yùn)算分析，解決仿真過程中的問題，指導(dǎo)學(xué)生觀察仿真波形，從而加深對(duì)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(xué)生自己完成仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收與評(píng)價(jià)，將此作為其仿真成績(jī)。

下面以三相橋式全控整流電路為例，介紹MATLAB/simulink的仿真教學(xué)過程。三相橋式全控整流電路在中頻爐感應(yīng)加熱、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、自動(dòng)控制、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其主要結(jié)構(gòu)包括：三相交流電源、6個(gè)晶閘管組成的3相整流橋、脈沖發(fā)生電路、負(fù)載。

1.仿真模型的建立

在MATLAB環(huán)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(gè)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(duì)應(yīng)接入；控制電路采用同步6脈沖發(fā)生器Synchronized 6-Pulse Generator模塊，時(shí)鐘從0時(shí)刻開始，觸發(fā)延遲角，并將三個(gè)線電壓對(duì)應(yīng)接入；通過Multimeter萬用表模塊測(cè)量每個(gè)晶閘管的電壓；通過電壓測(cè)量模塊與電流測(cè)量模塊接入示波器，測(cè)量相應(yīng)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(tǒng)仿真所獨(dú)有，無此模塊仿真無法運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)不太復(fù)雜時(shí)可以設(shè)置powergui為continuous模式。建立好的仿真模型如圖1所示。

2.仿真結(jié)果分析

設(shè)置交流電源峰值220V，負(fù)載電阻，仿真時(shí)間0.1s，求解器為ode23tb，取消示波器點(diǎn)數(shù)限制，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，所得整流輸出電壓和電流波形如圖2所示。

將負(fù)載更改為阻感負(fù)載，，，仿真時(shí)間0.2s，所得結(jié)果如圖3所示。

在觸發(fā)延遲角的情況下，無論是電阻負(fù)載還是阻感負(fù)載，整流輸出電壓波形都是連續(xù)的，且平均值都是。電阻負(fù)載時(shí)，整流輸出電流的平均值為，且波形與電壓完全相同；阻感負(fù)載時(shí)，整流輸出電流的平均值為，且由于時(shí)間常數(shù)較大，需要經(jīng)過0.15s的上升時(shí)間才能過渡為穩(wěn)態(tài)值。

除的情況外，引導(dǎo)學(xué)生改變觸發(fā)延遲角，分別觀察，60°，90°，120°時(shí)，整流輸出電壓和電流波形。與課堂教學(xué)知識(shí)相聯(lián)系，提出問題讓學(xué)生解釋為什么會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波形。

3.仿真結(jié)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(guān)心的問題，下面以時(shí)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(shí)間0.04s，F(xiàn)FT分析結(jié)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(shù)為6，12，18……，即6k次，（k=1，2，3……），驗(yàn)證了理論教學(xué)結(jié)論。

4.仿真擴(kuò)展

在引導(dǎo)學(xué)生完成上述問題的分析后，提出新的仿真題目，例如：將已經(jīng)掌握的三相橋式整流電路仿真模型加以發(fā)展，實(shí)現(xiàn)12脈波多重化整流電路的仿真分析。將此作業(yè)布置下去，完成情況記入仿真成績(jī)中。

五、結(jié)束語

結(jié)合MATLAB仿真軟件進(jìn)行的“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)方式增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和分析能力，加深了學(xué)生對(duì)具體電路工作原理的理解，使教學(xué)環(huán)節(jié)更加生動(dòng)化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。仿真環(huán)節(jié)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的相互支撐更強(qiáng)化了學(xué)生知識(shí)掌握的扎實(shí)度。成績(jī)考核方式的改變也引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法從一味“啃書本”轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚撀?lián)系實(shí)際”。隨著不斷的調(diào)整與完善，這種教學(xué)方式也可以推廣到更多的專業(yè)課教學(xué)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]孟慶波，王輝.電力電子技術(shù)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，

2008.

[3]李維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

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

（責(zé)任編輯：王意琴）