Matlab仿真在電力電子技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

范茂彥 張麗芳

摘要：針對(duì)“電力電子技術(shù)”課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生感覺抽象，理解起來難度大，將Matlab軟件引入課程教學(xué)過程，對(duì)電力電子典型電路建立仿真模型，開展計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，觀察仿真及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使教學(xué)過程更直觀性和高效性。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；Matlab仿真；教學(xué)改革；應(yīng)用型人才

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）33-0059-02

一、引言

“電力電子技術(shù)”是工科院校電氣類級(jí)自動(dòng)化專業(yè)的一門核心專業(yè)必修課，它集電子、電力和控制技術(shù)于一體，具有非常強(qiáng)的理論性、應(yīng)用性和實(shí)踐性。傳統(tǒng)課堂教學(xué)直觀性不強(qiáng)、效率低、學(xué)生理解不夠深刻、實(shí)踐及應(yīng)用能力差等問題。應(yīng)用型院校的電力電子技術(shù)人才培養(yǎng)涉及領(lǐng)域廣，應(yīng)用產(chǎn)品種類多，使用領(lǐng)域廣。在教學(xué)過程中需要培養(yǎng)學(xué)生綜合技能，地方高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備有限，需要探索新的教學(xué)方法。

二、教學(xué)改革思路

1.電力電子仿真技術(shù)。采用Matlab中Simulink仿真軟件為理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輔助的教學(xué)，將復(fù)雜的分析過程通過波形圖形式直觀地展現(xiàn)在學(xué)生的面前，仿真軟件Matlab/Simulink軟件被廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)輔助教學(xué)中。Simulink是Matlab最重要的組件之一，功能模塊包括動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真，結(jié)構(gòu)和流程清晰，仿真精細(xì)，靈活，效率高等優(yōu)點(diǎn)，可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。工具箱中提供了電力電子器件、電機(jī)、電氣傳動(dòng)、電路、電力系統(tǒng)等常用元件和系統(tǒng)的仿真模型。提供典型的電源模塊、電力器件模塊、電機(jī)控制和檢測(cè)模塊及應(yīng)用模塊。選擇這些模塊開展電力電子器件應(yīng)用、主電路與驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、電力與電力傳動(dòng)系統(tǒng)等仿真，電氣系統(tǒng)仿真結(jié)果通過直觀的圖形方式描述，能夠簡(jiǎn)化編程工作，是進(jìn)行電力電子技術(shù)輔助教學(xué)建模和仿真的先進(jìn)工具。

2.仿真輔助教學(xué)的必要性。Matlab/Simulink仿真調(diào)試和設(shè)計(jì)靈活，最大限度地發(fā)揮創(chuàng)新思維，開闊學(xué)生視野，增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，利用虛擬仿真教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)更高水平的“教、學(xué)、做”一體化。電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)大學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)該把提高綜合素質(zhì)作為重點(diǎn)。傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程基本是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)興趣不高。一些創(chuàng)新和綜合性實(shí)驗(yàn)，研究點(diǎn)能夠結(jié)合當(dāng)今產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、柔性交流輸電、變頻調(diào)速控制等。這些具有一定的創(chuàng)新性和前瞻性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，無法完成。探索以Matlab仿真技術(shù)應(yīng)用到電力電子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，彌補(bǔ)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的不足，將仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充，觀察電力電子電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，從而改變實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的制約，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。

三、仿真教學(xué)過程實(shí)例分析

《電力電子技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容中三相橋式全控整流電路在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，是電力電子技術(shù)課程的重點(diǎn)內(nèi)容。仿真輔助教學(xué)過程，首先讓學(xué)生理解工作原理，掌握電路結(jié)構(gòu)，再針對(duì)不同負(fù)載情況學(xué)會(huì)波形分析及參數(shù)定量計(jì)算。

1.三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)。三相橋式全控整流電路的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）陰極連接在一起稱為共陰極組；的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）陽極連接在一起稱為共陽極組。共陰極組中的3個(gè)晶閘管分別為VT1，VT3，VT5與a，b，c三相電源相接，共陽極組中的3個(gè)晶閘管分別為VT4，VT6，VT2與a，b，c三相電源相接。晶閘管的導(dǎo)通邏輯順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，晶閘管觸發(fā)脈沖相位間隔60度。三相橋式全控整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，具有功率大、直流脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。該電路中包含六個(gè)晶閘管元件，采用Matlab仿真軟件搭建三相橋式全控整流電路原理圖，三相橋式全控整流電路原理圖和仿真圖，要求學(xué)生掌握觸發(fā)六個(gè)晶閘管器件的邏輯關(guān)系。

2.純電阻性負(fù)載分析。純電阻負(fù)載時(shí)，各自然換相點(diǎn)既是相電壓交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓交點(diǎn)。當(dāng)α≤60°時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于純電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀是一樣的，也是連續(xù)的。α=0°時(shí)，ud為線電壓在正半周的包絡(luò)線；α=30°時(shí)，晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30°，組成ud的每一段線電壓因此推遲30°，ud平均值降低，三相橋式全控整流電路純電阻負(fù)載α=30°和α=60°時(shí)波形圖。α=60°時(shí)，ud波形中每段線電壓波形繼續(xù)向后移，ud平均值繼續(xù)降低。α=60°時(shí)ud出現(xiàn)了為零的點(diǎn)；當(dāng)α=60°時(shí)，因?yàn)閕d與ud一致，一旦ud降為至零，id也降至零，晶閘管關(guān)斷，輸出整流電壓ud為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。三相橋式全控整流電路每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，不能為同一相的晶閘管，形成向負(fù)載供電的回路，共陰極組的和共陽極組各1個(gè)。

啟動(dòng)Matlab仿真軟件，進(jìn)入Simulation后新建一個(gè)仿真模型的新文件，布置好各元器件。電源參數(shù)設(shè)置：電壓設(shè)置為380V，頻率設(shè)為50Hz。要注意初相角的設(shè)置，a相的電壓源設(shè)為0，b相的電壓源設(shè)為-120，c相的電壓源設(shè)為-240；負(fù)載參數(shù)設(shè)置：電阻設(shè)為1，電感為0，電容無窮大inf。模型仿真設(shè)置好后，即可開始仿真。選擇算法為ode23tb，stop time設(shè)為0.1，點(diǎn)擊開始控件，仿真完成后就可以通過示波器來觀察仿真的結(jié)果。三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載α=30°和α=60°觸發(fā)角時(shí)仿真結(jié)果波形圖。

四、本科應(yīng)用型電力電子技術(shù)教學(xué)改革

工科院校培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力是一項(xiàng)重要的任務(wù)，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)教育的過程中，實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)包括創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的最基本途徑，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，分析解決問題的方法[1-2]。

1.創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)方式改革?？茖W(xué)分析企業(yè)需求及學(xué)生特征，在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)學(xué)習(xí)特點(diǎn)、本專業(yè)最新技術(shù)、一線工程案例和企業(yè)需求，借助虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建接近現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景的教學(xué)情境。通過與企業(yè)密切合作改革教學(xué)活動(dòng)，探索出虛擬仿真教學(xué)在專業(yè)課程中的應(yīng)用。在課程改革過程中，開發(fā)出適合仿真教學(xué)及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，虛擬仿真輔助教學(xué)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和較大的開放性，提供更真實(shí)的工作場(chǎng)景有助于學(xué)生技能的掌握，也是對(duì)實(shí)訓(xùn)條件的極大改善，校企合作，共建更高水平的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)基地[3-4]。

2.教學(xué)方式改革擬解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)實(shí)際的電路在仿真軟件上搭建仿真模型，從功能設(shè)計(jì)到電路仿真及數(shù)據(jù)分析等都可以在課堂上完成，仿真軟件中更換器件和電路要比實(shí)際設(shè)備上更換容易得多，只需要在軟件中更改元件的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。仿真軟件提供的界面和各種工具，能夠觀察到各個(gè)環(huán)節(jié)不同物理參數(shù)的仿真結(jié)果，教學(xué)效果好。高等教育信息化建設(shè)，虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)是的重要內(nèi)容，是專業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)緊密結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體化，提高教學(xué)效果的同時(shí)減少了設(shè)備消耗，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

3.應(yīng)用型電力電子技術(shù)教學(xué)措施。電力電子實(shí)踐教學(xué)獨(dú)立成一門必修課程，從根本上重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，單獨(dú)考核取得學(xué)分。電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)給定的真實(shí)任務(wù)，提出設(shè)計(jì)方案，以仿真和實(shí)驗(yàn)的形式驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。計(jì)算機(jī)仿真可以讓學(xué)生通過仿真波形，加強(qiáng)對(duì)電路各個(gè)模態(tài)之間轉(zhuǎn)換的理解，也可以解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)箱掛件結(jié)構(gòu)不透明問題。

五、結(jié)束語

電力電子技術(shù)教學(xué)中引入了仿真技術(shù)，促進(jìn)教學(xué)改革、加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)方面起到了積極的推動(dòng)作用。以計(jì)算機(jī)仿真輔助教學(xué)的復(fù)合型教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力，不僅提高教學(xué)效率，學(xué)生的一些創(chuàng)新想法可以通過仿真來驗(yàn)證，使得更為深入理解電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容，教學(xué)效果好。電力電子技術(shù)教學(xué)模式的深入改革，對(duì)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、開放性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作開展是非常有益的，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有重大意義。

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