《電力電子技術(shù)》課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革探索

劉麗萱，錢步仁，張萍，魏學(xué)良

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，提出了PPT動(dòng)畫+課堂板書+計(jì)算機(jī)仿真3位一體的課堂教學(xué)模式及虛擬實(shí)驗(yàn)+裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式?；贛ATLAB/SIMULINK及PSIM電路仿真軟件開發(fā)了教學(xué)仿真實(shí)例及虛擬實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用到課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式改革；計(jì)算機(jī)仿真；電力電子技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）15-0034-03

一、前言

《電力電子技術(shù)》是一門面向機(jī)械電子、自動(dòng)化等專業(yè)開設(shè)的實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)型專業(yè)基礎(chǔ)課程。其主要研究?jī)?nèi)容為電能的變換和控制，涉及各種電力半導(dǎo)體器件及變流裝置，如整流、逆變、直流斬波、交-交變換等電能變換及PWM控制和軟開關(guān)技術(shù)等內(nèi)容[1-2]。在該課程的課堂理論教學(xué)中，有大量的電路波形分析及電量計(jì)算內(nèi)容，需要畫出相應(yīng)的電壓、電流信號(hào)波形圖并作相關(guān)電量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)及諧波分析。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中主要采用PPT動(dòng)畫及課堂板書等教學(xué)方式，不僅費(fèi)力費(fèi)時(shí)，且電路波形的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)不足，交互性很差，尤其對(duì)電路的諧波分析非常抽象、復(fù)雜而不易理解。特別是當(dāng)需要改變電路參數(shù)及負(fù)載性質(zhì)時(shí)，所有的波形圖必須重新畫出，非常不方便，不僅使得教學(xué)課時(shí)緊張，而且內(nèi)容單調(diào)枯燥，大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，難于達(dá)到理想的教學(xué)效果。為了克服傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的缺點(diǎn)，形象直觀地進(jìn)行教學(xué)，變抽象為具體，變枯燥為生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，有必要將MATLAB/SIMULINK及PSIM等計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到課堂教學(xué)中，作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段的補(bǔ)充，對(duì)現(xiàn)有課堂教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)及完善[3-6]。

《電力電子技術(shù)》課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)課程教學(xué)中占有非常重要的地位。實(shí)驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證課堂教學(xué)講授的理論、加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，而且可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力及解決實(shí)際問題的能力，在整個(gè)課程教學(xué)中具有不可或缺的作用。本課程所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)均是依托“電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”完成的。由于該實(shí)驗(yàn)裝置操作復(fù)雜，加之每個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，使得學(xué)生不易熟練掌握裝置的使用，在實(shí)驗(yàn)中存在以下幾方面的問題：（1）由于操作不當(dāng)容易造成器件損壞，查找故障及更換損壞器件又會(huì)減少學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，影響實(shí)驗(yàn)效果。（2）由于每臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置只配備了一臺(tái)雙蹤示波器，同一時(shí)刻只能觀察分析最多倆路電壓、電流或驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)波形，難于對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的各處波形有一個(gè)全面的觀察，影響對(duì)電路工作情況的整體理解。（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元器件的老化等問題可能使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析出現(xiàn)較大差異甚至異常情況，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。（4）每次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及觀察的波形需先記錄在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)由指導(dǎo)教師檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形是否正確并給出成績(jī)。但若實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確，則學(xué)生沒有時(shí)間去糾正，還需另約時(shí)間重新完成實(shí)驗(yàn)，不利于提高實(shí)驗(yàn)效率。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，需要對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式加以改進(jìn)和完善，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，開發(fā)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，并提供給學(xué)生，作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的輔助實(shí)驗(yàn)手段，達(dá)到及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的目的，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[7-10]。

二、《電力電子技術(shù)》課程課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的思路

基于傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和不足，引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)《電力電子技術(shù)》課程課堂教學(xué)模式及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革。

1.課堂教學(xué)模式改革思路。在傳統(tǒng)的PPT加板書授課的基礎(chǔ)上，引入專用電力電子仿真軟件MATLAB/SIMULINK和PSIM，針對(duì)課程主要教學(xué)知識(shí)點(diǎn)和重要電路開發(fā)若干課堂教學(xué)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)例。通過在課堂教學(xué)中引入MATLAB及PSIM教學(xué)仿真實(shí)例，對(duì)關(guān)鍵的電力電子電路進(jìn)行交互式動(dòng)態(tài)波形分析，幫助學(xué)生理解課堂所講理論內(nèi)容。采用PPT動(dòng)畫+課堂板書+計(jì)算機(jī)仿真等三位一體的教學(xué)模式，提高課堂利用率，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將相關(guān)MATLAB及PSIM教學(xué)仿真實(shí)例提供給學(xué)生，以便學(xué)生能夠在課前熟悉及課后復(fù)習(xí)課堂講授內(nèi)容，達(dá)到提高學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量的目的，同時(shí)讓學(xué)生熟悉電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真方法，為以后在實(shí)際工作的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革思路。在傳統(tǒng)裝置實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用MATLAB仿真軟件中的SIMULINK工具箱開發(fā)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前提供給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的電路及需要觀察的波形有一個(gè)直觀、感性的認(rèn)識(shí)。將MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)程序預(yù)存在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上并對(duì)學(xué)生開放，以使學(xué)生隨時(shí)能夠針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行仿真，觀察正確的波形，以便于幫助確定問題所在，達(dá)到快速解決問題的目的，提高實(shí)驗(yàn)效率。通過虛擬實(shí)驗(yàn)+裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。為了配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，還需編寫一套內(nèi)容完整、難易度適中、針對(duì)不同專業(yè)特點(diǎn)的《電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，以使不同專業(yè)的學(xué)生能有針對(duì)性地選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而使學(xué)生更好地得到實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，提高專業(yè)技術(shù)水平。

三、《電力電子技術(shù)》課堂教學(xué)模式的改革

根據(jù)《電力電子技術(shù)》課堂教學(xué)改革的思路及漸進(jìn)式的設(shè)計(jì)思想，從易到難，從簡(jiǎn)到繁，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB/SIMULINK及PSIM開發(fā)設(shè)計(jì)了12個(gè)相關(guān)的教學(xué)仿真實(shí)例[11-12]。分別為單相橋式全控整流電路、三相半波可控整流電路、三相橋式全控整流電路、三相半波有源逆變電路、三相橋式有源逆變電路、BUCK降壓斬波電路、BUCK濾波降壓斬波電路、BOOST升壓斬波電路、升降壓斬波電路、CUK斬波電路、單相電壓型PWM逆變電路及三相電壓型SPWM逆變電路等課堂教學(xué)仿真實(shí)例。這12個(gè)實(shí)例基本涵蓋了《電力電子技術(shù)》課程的主要教學(xué)內(nèi)容和重要知識(shí)點(diǎn)，通過在課堂教學(xué)中加以應(yīng)用，能夠直觀、動(dòng)態(tài)、形象及交互地對(duì)電力電子電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓、電流波形分析，提供了一種圖形化的交互環(huán)境，從而使得復(fù)雜的電力電子電路仿真和分析及波形觀察變得十分容易，改進(jìn)及完善了以往僅用PPT動(dòng)畫及課堂板書的教學(xué)方式，構(gòu)成了PPT動(dòng)畫+課堂板書+計(jì)算機(jī)仿真等三位一體的新課堂教學(xué)模式。為達(dá)到更好的教學(xué)效果，進(jìn)一步提高課堂的教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量，在課程開始時(shí)，就將教學(xué)仿真實(shí)例的源程序提供給學(xué)生，使得學(xué)生可以課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，課后進(jìn)行復(fù)習(xí)，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且還可培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，同時(shí)使學(xué)生逐步熟悉和掌握MATLAB和PSIM這兩種常見的電力電子電路仿真設(shè)計(jì)軟件的使用，為以后在實(shí)際工作的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

下面以三相電壓型SPWM逆變電路仿真實(shí)例為例介紹計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。三相電壓型SPWM逆變電路是《電力電子技術(shù)》課程非常重要的一個(gè)教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)知識(shí)點(diǎn)除了需要介紹電路工作原理外，還包括大量的波形分析、公式推導(dǎo)及諧波分析和相關(guān)電量的計(jì)算。采用傳統(tǒng)的PPT+板書教學(xué)模式時(shí)，學(xué)生普遍反映內(nèi)容復(fù)雜、抽象、枯燥、不易理解，教學(xué)效果不理想。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的不足，利用MATLAB/SIMULINK開發(fā)了三相電壓型SPWM逆變電路教學(xué)仿真實(shí)例，其MATLAB仿真電路模型如圖1所示，相應(yīng)的仿真結(jié)果示于圖2中。

MATLAB仿真軟件具有豐富的電路波形分析功能，可方便地利用MATLAB/SIMULINK的Scope示波器觀察多路指定信號(hào)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)波形。圖2中示出了三相對(duì)稱的SPWM輸出電壓ua、ub、uc的波形及三相對(duì)稱輸出電流ia、ib及ic的波形。通過仿真波形可清楚地動(dòng)態(tài)觀察到對(duì)應(yīng)波形間的幅值及相位關(guān)系，并可根據(jù)需要放大局部波形，而這在傳統(tǒng)教學(xué)模式中是難于做到的。MATLAB軟件另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，特別適合電力電子電路的諧波分析及相關(guān)電量計(jì)算。利用FFT功能模塊可對(duì)輸出SPWM電壓波形作指定次數(shù)諧波的幅值及相角計(jì)算，利用RMS功能模塊可對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算。圖1中示出了利用FFT模塊及RMS模塊對(duì)輸出電壓ua進(jìn)行諧波分析及有效值計(jì)算的方法，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果通過Display數(shù)字顯示器可直接給出。通過以上實(shí)例可以看出，在課堂教學(xué)中，利用計(jì)算機(jī)仿真作為教學(xué)的輔助手段，可有助于將煩瑣、枯燥、抽象的理論分析及推導(dǎo)變得生動(dòng)、直觀且易于理解，可有效引起學(xué)生的關(guān)注和學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到提高教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量的目的。

四、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革

依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革思路并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體情況，本課程共開設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)：三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)、三相半波有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、直流變換電路實(shí)驗(yàn)等。所有實(shí)驗(yàn)均可在“電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成。不同專業(yè)的學(xué)生可根據(jù)專業(yè)需要選擇其中3個(gè)作為必做實(shí)驗(yàn)，1個(gè)為選做實(shí)驗(yàn)。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限的問題，編寫了與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的《電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)均詳細(xì)說明了實(shí)驗(yàn)要求、電路的工作原理及實(shí)際操作過程等內(nèi)容。利用MATLAB仿真軟件中的SIMULINK工具箱開發(fā)了每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)程序。分別為：三相半波可控整流電路虛擬實(shí)驗(yàn)、三相半波有源逆變電路虛擬實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路虛擬實(shí)驗(yàn)、BUKE降壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)、BOOST升壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)、升降壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)及CUK斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)等，對(duì)應(yīng)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，均編寫了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)前，將相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真程序提供給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)、電路元器件連接關(guān)系、相關(guān)的電壓、電流波形等有一個(gè)直觀、感性的認(rèn)識(shí)，以提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)效果。所開發(fā)的所有虛擬實(shí)驗(yàn)程序均安裝在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可隨時(shí)調(diào)用相關(guān)仿真程序，通過對(duì)相應(yīng)電路波形的對(duì)比，幫助確定實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的原因，找到解決問題的方法。圖3為三相橋式全控整流電路虛擬實(shí)驗(yàn)MATLAB仿真模型，其仿真波形示于圖4中。

由圖4中虛擬實(shí)驗(yàn)仿真波形可以看出，學(xué)生可以同時(shí)觀察到相位依次相差120°的對(duì)稱三相電源線電壓uab、ubc、uca的波形，三相電流ia、ib、ic的波形，6個(gè)晶閘管依次相位相差60°的門極觸發(fā)信號(hào)ug1～ug6的波形，整流輸出電壓ud及輸出電流id的波形等。通過仿真波形，可觀察到全部相關(guān)信號(hào)之間的相位關(guān)系。尤其重要的是可仿真當(dāng)某個(gè)晶閘管的門極觸發(fā)信號(hào)缺失或是晶閘管故障時(shí)電路相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的波形，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí)，可以幫助學(xué)生確定故障原因，提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，而這是實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)中僅利用雙蹤示波器觀察波形時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的。從三相橋式整流電路的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的例子可以看出，虛擬實(shí)驗(yàn)具有裝置實(shí)驗(yàn)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，是裝置實(shí)驗(yàn)的重要輔助手段。采用計(jì)算機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)+實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和不足，在課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革。提出了PPT動(dòng)畫+課堂板書+計(jì)算機(jī)仿真三位一體的課堂教學(xué)模式，基于MATLAB/SIMULINK及PSIM電路仿真軟件開發(fā)了教學(xué)仿真實(shí)例應(yīng)用到課堂教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子電路進(jìn)行電路原理及波形的交互式動(dòng)態(tài)分析，形象直觀，便于理解和掌握?；贛ATLAB/SIMULINK開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)程序，提出了虛擬實(shí)驗(yàn)+裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高了學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)的效率，讓學(xué)生逐步熟悉電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真方法，為以后在實(shí)際工作的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，是一種值得肯定和進(jìn)一步發(fā)展完善的教學(xué)改革方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]洪武.PSIM在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7（1）.

[4]陳宏.基于Matlab的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（1）.

[5]丘東元，張波.基于仿真平臺(tái)的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（2）.

[6]榮軍，萬軍華，陳曦.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)難點(diǎn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）.

[7]汪義旺，索跡.電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（4）.

[8]馬立華，席惠.MATLAB在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（2）.

[9]王武.基于Matlab和PLECS的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（6）.

[10]段曉燕，趙正天，段生成.電力電子技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）.

[11]黃忠霖，黃京.電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版，2009.

[12]野村弘，藤原憲一郎，吉田正伸.使用PSIM學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].胡金庫，賈要勤，王兆安，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)（北京）教學(xué)改革項(xiàng)目（09jgx041）。

作者簡(jiǎn)介：劉麗萱（1965-），女，河北定州人，碩士，講師，研究方向：電力電子教學(xué)、電力電子技術(shù)在石油勘探儀器中的應(yīng)用。

下面以三相電壓型SPWM逆變電路仿真實(shí)例為例介紹計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。三相電壓型SPWM逆變電路是《電力電子技術(shù)》課程非常重要的一個(gè)教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)知識(shí)點(diǎn)除了需要介紹電路工作原理外，還包括大量的波形分析、公式推導(dǎo)及諧波分析和相關(guān)電量的計(jì)算。采用傳統(tǒng)的PPT+板書教學(xué)模式時(shí)，學(xué)生普遍反映內(nèi)容復(fù)雜、抽象、枯燥、不易理解，教學(xué)效果不理想。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的不足，利用MATLAB/SIMULINK開發(fā)了三相電壓型SPWM逆變電路教學(xué)仿真實(shí)例，其MATLAB仿真電路模型如圖1所示，相應(yīng)的仿真結(jié)果示于圖2中。

MATLAB仿真軟件具有豐富的電路波形分析功能，可方便地利用MATLAB/SIMULINK的Scope示波器觀察多路指定信號(hào)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)波形。圖2中示出了三相對(duì)稱的SPWM輸出電壓ua、ub、uc的波形及三相對(duì)稱輸出電流ia、ib及ic的波形。通過仿真波形可清楚地動(dòng)態(tài)觀察到對(duì)應(yīng)波形間的幅值及相位關(guān)系，并可根據(jù)需要放大局部波形，而這在傳統(tǒng)教學(xué)模式中是難于做到的。MATLAB軟件另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，特別適合電力電子電路的諧波分析及相關(guān)電量計(jì)算。利用FFT功能模塊可對(duì)輸出SPWM電壓波形作指定次數(shù)諧波的幅值及相角計(jì)算，利用RMS功能模塊可對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算。圖1中示出了利用FFT模塊及RMS模塊對(duì)輸出電壓ua進(jìn)行諧波分析及有效值計(jì)算的方法，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果通過Display數(shù)字顯示器可直接給出。通過以上實(shí)例可以看出，在課堂教學(xué)中，利用計(jì)算機(jī)仿真作為教學(xué)的輔助手段，可有助于將煩瑣、枯燥、抽象的理論分析及推導(dǎo)變得生動(dòng)、直觀且易于理解，可有效引起學(xué)生的關(guān)注和學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到提高教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量的目的。

四、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革

依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革思路并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體情況，本課程共開設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)：三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)、三相半波有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、直流變換電路實(shí)驗(yàn)等。所有實(shí)驗(yàn)均可在“電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成。不同專業(yè)的學(xué)生可根據(jù)專業(yè)需要選擇其中3個(gè)作為必做實(shí)驗(yàn)，1個(gè)為選做實(shí)驗(yàn)。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限的問題，編寫了與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的《電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)均詳細(xì)說明了實(shí)驗(yàn)要求、電路的工作原理及實(shí)際操作過程等內(nèi)容。利用MATLAB仿真軟件中的SIMULINK工具箱開發(fā)了每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)程序。分別為：三相半波可控整流電路虛擬實(shí)驗(yàn)、三相半波有源逆變電路虛擬實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路虛擬實(shí)驗(yàn)、BUKE降壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)、BOOST升壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)、升降壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)及CUK斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)等，對(duì)應(yīng)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，均編寫了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)前，將相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真程序提供給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)、電路元器件連接關(guān)系、相關(guān)的電壓、電流波形等有一個(gè)直觀、感性的認(rèn)識(shí)，以提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)效果。所開發(fā)的所有虛擬實(shí)驗(yàn)程序均安裝在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可隨時(shí)調(diào)用相關(guān)仿真程序，通過對(duì)相應(yīng)電路波形的對(duì)比，幫助確定實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的原因，找到解決問題的方法。圖3為三相橋式全控整流電路虛擬實(shí)驗(yàn)MATLAB仿真模型，其仿真波形示于圖4中。

由圖4中虛擬實(shí)驗(yàn)仿真波形可以看出，學(xué)生可以同時(shí)觀察到相位依次相差120°的對(duì)稱三相電源線電壓uab、ubc、uca的波形，三相電流ia、ib、ic的波形，6個(gè)晶閘管依次相位相差60°的門極觸發(fā)信號(hào)ug1～ug6的波形，整流輸出電壓ud及輸出電流id的波形等。通過仿真波形，可觀察到全部相關(guān)信號(hào)之間的相位關(guān)系。尤其重要的是可仿真當(dāng)某個(gè)晶閘管的門極觸發(fā)信號(hào)缺失或是晶閘管故障時(shí)電路相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的波形，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí)，可以幫助學(xué)生確定故障原因，提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，而這是實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)中僅利用雙蹤示波器觀察波形時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的。從三相橋式整流電路的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的例子可以看出，虛擬實(shí)驗(yàn)具有裝置實(shí)驗(yàn)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，是裝置實(shí)驗(yàn)的重要輔助手段。采用計(jì)算機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)+實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和不足，在課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革。提出了PPT動(dòng)畫+課堂板書+計(jì)算機(jī)仿真三位一體的課堂教學(xué)模式，基于MATLAB/SIMULINK及PSIM電路仿真軟件開發(fā)了教學(xué)仿真實(shí)例應(yīng)用到課堂教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子電路進(jìn)行電路原理及波形的交互式動(dòng)態(tài)分析，形象直觀，便于理解和掌握?；贛ATLAB/SIMULINK開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)程序，提出了虛擬實(shí)驗(yàn)+裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高了學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)的效率，讓學(xué)生逐步熟悉電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真方法，為以后在實(shí)際工作的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，是一種值得肯定和進(jìn)一步發(fā)展完善的教學(xué)改革方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]洪武.PSIM在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7（1）.

[4]陳宏.基于Matlab的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（1）.

[5]丘東元，張波.基于仿真平臺(tái)的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（2）.

[6]榮軍，萬軍華，陳曦.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)難點(diǎn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）.

[7]汪義旺，索跡.電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（4）.

[8]馬立華，席惠.MATLAB在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（2）.

[9]王武.基于Matlab和PLECS的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（6）.

[10]段曉燕，趙正天，段生成.電力電子技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）.

[11]黃忠霖，黃京.電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版，2009.

[12]野村弘，藤原憲一郎，吉田正伸.使用PSIM學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].胡金庫，賈要勤，王兆安，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)（北京）教學(xué)改革項(xiàng)目（09jgx041）。

作者簡(jiǎn)介：劉麗萱（1965-），女，河北定州人，碩士，講師，研究方向：電力電子教學(xué)、電力電子技術(shù)在石油勘探儀器中的應(yīng)用。

下面以三相電壓型SPWM逆變電路仿真實(shí)例為例介紹計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。三相電壓型SPWM逆變電路是《電力電子技術(shù)》課程非常重要的一個(gè)教學(xué)內(nèi)容。該教學(xué)知識(shí)點(diǎn)除了需要介紹電路工作原理外，還包括大量的波形分析、公式推導(dǎo)及諧波分析和相關(guān)電量的計(jì)算。采用傳統(tǒng)的PPT+板書教學(xué)模式時(shí)，學(xué)生普遍反映內(nèi)容復(fù)雜、抽象、枯燥、不易理解，教學(xué)效果不理想。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的不足，利用MATLAB/SIMULINK開發(fā)了三相電壓型SPWM逆變電路教學(xué)仿真實(shí)例，其MATLAB仿真電路模型如圖1所示，相應(yīng)的仿真結(jié)果示于圖2中。

MATLAB仿真軟件具有豐富的電路波形分析功能，可方便地利用MATLAB/SIMULINK的Scope示波器觀察多路指定信號(hào)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)波形。圖2中示出了三相對(duì)稱的SPWM輸出電壓ua、ub、uc的波形及三相對(duì)稱輸出電流ia、ib及ic的波形。通過仿真波形可清楚地動(dòng)態(tài)觀察到對(duì)應(yīng)波形間的幅值及相位關(guān)系，并可根據(jù)需要放大局部波形，而這在傳統(tǒng)教學(xué)模式中是難于做到的。MATLAB軟件另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，特別適合電力電子電路的諧波分析及相關(guān)電量計(jì)算。利用FFT功能模塊可對(duì)輸出SPWM電壓波形作指定次數(shù)諧波的幅值及相角計(jì)算，利用RMS功能模塊可對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算。圖1中示出了利用FFT模塊及RMS模塊對(duì)輸出電壓ua進(jìn)行諧波分析及有效值計(jì)算的方法，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果通過Display數(shù)字顯示器可直接給出。通過以上實(shí)例可以看出，在課堂教學(xué)中，利用計(jì)算機(jī)仿真作為教學(xué)的輔助手段，可有助于將煩瑣、枯燥、抽象的理論分析及推導(dǎo)變得生動(dòng)、直觀且易于理解，可有效引起學(xué)生的關(guān)注和學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到提高教學(xué)效率及教學(xué)質(zhì)量的目的。

四、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革

依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革思路并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的具體情況，本課程共開設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)：三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)、三相半波有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)驗(yàn)、直流變換電路實(shí)驗(yàn)等。所有實(shí)驗(yàn)均可在“電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置”實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成。不同專業(yè)的學(xué)生可根據(jù)專業(yè)需要選擇其中3個(gè)作為必做實(shí)驗(yàn)，1個(gè)為選做實(shí)驗(yàn)。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限的問題，編寫了與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的《電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)均詳細(xì)說明了實(shí)驗(yàn)要求、電路的工作原理及實(shí)際操作過程等內(nèi)容。利用MATLAB仿真軟件中的SIMULINK工具箱開發(fā)了每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)程序。分別為：三相半波可控整流電路虛擬實(shí)驗(yàn)、三相半波有源逆變電路虛擬實(shí)驗(yàn)、三相橋式全控整流及有源逆變電路虛擬實(shí)驗(yàn)、BUKE降壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)、BOOST升壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)、升降壓斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)及CUK斬波電路虛擬實(shí)驗(yàn)等，對(duì)應(yīng)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，均編寫了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)前，將相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真程序提供給學(xué)生，使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)、電路元器件連接關(guān)系、相關(guān)的電壓、電流波形等有一個(gè)直觀、感性的認(rèn)識(shí)，以提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)效果。所開發(fā)的所有虛擬實(shí)驗(yàn)程序均安裝在實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可隨時(shí)調(diào)用相關(guān)仿真程序，通過對(duì)相應(yīng)電路波形的對(duì)比，幫助確定實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的原因，找到解決問題的方法。圖3為三相橋式全控整流電路虛擬實(shí)驗(yàn)MATLAB仿真模型，其仿真波形示于圖4中。

由圖4中虛擬實(shí)驗(yàn)仿真波形可以看出，學(xué)生可以同時(shí)觀察到相位依次相差120°的對(duì)稱三相電源線電壓uab、ubc、uca的波形，三相電流ia、ib、ic的波形，6個(gè)晶閘管依次相位相差60°的門極觸發(fā)信號(hào)ug1～ug6的波形，整流輸出電壓ud及輸出電流id的波形等。通過仿真波形，可觀察到全部相關(guān)信號(hào)之間的相位關(guān)系。尤其重要的是可仿真當(dāng)某個(gè)晶閘管的門極觸發(fā)信號(hào)缺失或是晶閘管故障時(shí)電路相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的波形，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)相應(yīng)故障時(shí)，可以幫助學(xué)生確定故障原因，提高學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，而這是實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)中僅利用雙蹤示波器觀察波形時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的。從三相橋式整流電路的MATLAB仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的例子可以看出，虛擬實(shí)驗(yàn)具有裝置實(shí)驗(yàn)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，是裝置實(shí)驗(yàn)的重要輔助手段。采用計(jì)算機(jī)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)+實(shí)際裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和不足，在課程教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革。提出了PPT動(dòng)畫+課堂板書+計(jì)算機(jī)仿真三位一體的課堂教學(xué)模式，基于MATLAB/SIMULINK及PSIM電路仿真軟件開發(fā)了教學(xué)仿真實(shí)例應(yīng)用到課堂教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子電路進(jìn)行電路原理及波形的交互式動(dòng)態(tài)分析，形象直觀，便于理解和掌握?；贛ATLAB/SIMULINK開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)程序，提出了虛擬實(shí)驗(yàn)+裝置實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高了學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到課程教學(xué)中，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及教學(xué)的效率，讓學(xué)生逐步熟悉電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真方法，為以后在實(shí)際工作的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，是一種值得肯定和進(jìn)一步發(fā)展完善的教學(xué)改革方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]洪武.PSIM在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7（1）.

[4]陳宏.基于Matlab的電力電子技術(shù)課程的教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（1）.

[5]丘東元，張波.基于仿真平臺(tái)的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（2）.

[6]榮軍，萬軍華，陳曦.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課堂教學(xué)難點(diǎn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）.

[7]汪義旺，索跡.電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（4）.

[8]馬立華，席惠.MATLAB在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（2）.

[9]王武.基于Matlab和PLECS的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（6）.

[10]段曉燕，趙正天，段生成.電力電子技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）.

[11]黃忠霖，黃京.電力電子技術(shù)的MATLAB實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版，2009.

[12]野村弘，藤原憲一郎，吉田正伸.使用PSIM學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].胡金庫，賈要勤，王兆安，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)（北京）教學(xué)改革項(xiàng)目（09jgx041）。

作者簡(jiǎn)介：劉麗萱（1965-），女，河北定州人，碩士，講師，研究方向：電力電子教學(xué)、電力電子技術(shù)在石油勘探儀器中的應(yīng)用。