導(dǎo)語(yǔ)：電力電子技術(shù)教學(xué)模式探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀(guān)點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

一、仿真軟件的選擇

國(guó)內(nèi)高校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)都已引入各種仿真軟件，如MATLAB、EWB、Protel、Saber、PISM及PSpice等，[4]其中MATLAB、Saber、PISM及PSpice等是在電力電子領(lǐng)域使用較多的仿真軟件，并取得了一定成效。仿真軟件的選擇是根據(jù)筆者所在上海電機(jī)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我校”）的實(shí)際情況來(lái)確定的。我校的“電力電子技術(shù)”課程是這樣設(shè)置的：普通班級(jí)共64學(xué)時(shí)，其中理論58學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)，而人才實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)試點(diǎn)班級(jí)設(shè)置的“電力電子技術(shù)”課程共64學(xué)時(shí)，其中理論48學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。人才實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)試點(diǎn)班級(jí)的教學(xué)模式應(yīng)以不刪減教學(xué)內(nèi)容、不增加學(xué)時(shí)以及契合我校學(xué)生實(shí)際情況為前提，因此，仿真軟件必須具有易學(xué)易用、運(yùn)算快速等特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合我校學(xué)生在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)時(shí)已經(jīng)接觸到了MATLAB軟件的情況，因此選用MATLAB軟件。MATLAB/Simulink中提供的SimPowerSystem模型庫(kù)，是進(jìn)行電力電子系統(tǒng)仿真的理想工具，SimPowerSystem模型庫(kù)中包含了常用的電源模塊、電力電子器件模塊等。通過(guò)使用這些模塊可以搭接各種電路，能方便得到電路中的電流、電壓等各種波形，并能方便改變電路參數(shù)而得到不同的波形。

二、MATLAB/Simulink軟件在理論教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用

利用MATLAB/Simulink軟件能夠非常容易地構(gòu)建與實(shí)際相符合的教學(xué)場(chǎng)景。教師在教學(xué)中引入仿真軟件，在講授基本變流理論時(shí)，利用MATLAB/SIMLINK軟件構(gòu)建電力電子電路進(jìn)行仿真演示，電力電子變換與控制領(lǐng)域所遇到的多數(shù)典型開(kāi)關(guān)電路均可建立仿真模型，通過(guò)對(duì)模型的仿真，可直觀(guān)展示各種參數(shù)變化對(duì)電路波形圖的影響以及數(shù)值計(jì)算，以便學(xué)生全面準(zhǔn)確理解教學(xué)內(nèi)容，可以為教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)造一種真實(shí)的電力電子電路工作場(chǎng)景，既具體又生動(dòng)。除此以外，還可以利用軟件提供的參數(shù)設(shè)置功能，通過(guò)改變器件參數(shù)值，學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候，可以先自己分析某種參數(shù)值條件下電路的工作情況和對(duì)應(yīng)的波形圖，然后再在仿真模型中輸入相應(yīng)的參數(shù)值，把自己分析的結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)比。同時(shí)，在電路仿真時(shí)，可以模擬各種電力電子器件故障，如開(kāi)路、短路或脈沖丟失等，能夠清晰地展示各種電力電子電路的工作過(guò)程，使學(xué)生能夠直觀(guān)、全面地掌握課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時(shí)將學(xué)習(xí)活動(dòng)情境化、趣味化，這大大加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，使學(xué)生能夠?qū)㈦[性的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為顯性的技能。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，教學(xué)初期，剛剛講授電路變換時(shí)，學(xué)生初次接觸，實(shí)際的感觀(guān)并不多，對(duì)電路電壓、電流波形、管子的切換、工作原理等理解有些困難，需要構(gòu)建一個(gè)與實(shí)際相符合的情境，并且學(xué)生對(duì)MATLAB仿真軟件的應(yīng)用還不熟練，需要在課堂上現(xiàn)場(chǎng)建立仿真模型。以單相半控橋式整流電路為例，把電路圖投影到大屏幕上，教師首先要分析電路的組成和工作原理，然后再一步一步建立MATLAB單相半控橋式整流電路仿真模型，該電路的仿真過(guò)程可以分為建立仿真模型、設(shè)置模型參數(shù)和觀(guān)察仿真結(jié)果。

1.建立仿真模型

（1）建立一個(gè)仿真模型的新文件。從MATLAB窗口進(jìn)入Simulink環(huán)境有三種方式，我們選擇其中一種：在MATLAB的菜單欄上點(diǎn)擊File，選擇New，再在彈出菜單中選擇Model，這時(shí)出現(xiàn)一個(gè)空白的仿真平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以繪制電路的仿真模型。（2）提取電路元器件模塊。在仿真模型窗口的菜單上點(diǎn)擊圖標(biāo)調(diào)出模型庫(kù)瀏覽器，找到Simulink／PowerSystem的模型窗口，在模型庫(kù)中提取所需的模塊放到仿真窗口。組成單相半控橋式整流電路的元器件有交流電源、晶閘管、二極管、脈沖發(fā)生器、RLC負(fù)載、示波器等。（3）將電路元器件模塊按單相半控橋式整流電路原理圖連接起來(lái)組成仿真電路，如圖1所示。

2.設(shè)置模型參數(shù)

設(shè)置模型參數(shù)是保證仿真準(zhǔn)確和順利進(jìn)行的重要一步。有些參數(shù)由仿真任務(wù)決定，如電壓、電流等，有些參數(shù)是需要通過(guò)仿真來(lái)確定的。設(shè)置模型參數(shù)可以雙擊模塊圖標(biāo)彈出參數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框，然后按框中提示輸入，若有不清楚的地方可以借助help幫助。在本例中，參數(shù)設(shè)置交流電源、晶閘管、二極管、負(fù)載、脈沖等。以下以交流電源參數(shù)設(shè)置為例：雙擊交流電源模塊，彈出對(duì)話(huà)框，設(shè)置電壓為220V，頻率為50Hz，初始相位為0°。

3.觀(guān)察仿真結(jié)果

在模型開(kāi)始仿真前還必須首先設(shè)置仿真參數(shù)。在菜單中選擇Simulation，在下拉菜單中選擇Simulationparameters，在彈出的對(duì)話(huà)框中設(shè)置的項(xiàng)目很多，主要有開(kāi)始時(shí)間、終止時(shí)間、仿真類(lèi)型等。在參數(shù)設(shè)置完畢后即可以開(kāi)始仿真。在菜單Simulation下選擇Start，立即開(kāi)始仿真，若要中途停止仿真可以選擇Stop。在仿真計(jì)算完成后即可以通過(guò)示波器來(lái)觀(guān)察仿真的結(jié)果。在需要觀(guān)察的點(diǎn)上放置示波器，雙擊示波器圖標(biāo)，即彈出示波器窗口顯示輸出波形，同時(shí)在Display模塊可以看到輸出電壓的平均值。以下是不同負(fù)載時(shí)的仿真波形圖。（1）Rd負(fù)載時(shí)的仿真波形。如圖2所示為控制角α=60°單相半控橋式整流電路電阻負(fù)載時(shí)二次側(cè)電壓、觸發(fā)脈沖、負(fù)載的電壓和電流及管子VT1兩端的電壓波形。（2）Rd+Ld負(fù)載時(shí)的仿真波形。研究阻感性負(fù)載時(shí)電路工作情況，只需重新設(shè)置負(fù)載參數(shù)。再次啟動(dòng)仿真，在單相半控整流電路中，阻感性負(fù)載時(shí)電路的二次側(cè)電壓、觸發(fā)脈沖、負(fù)載的電壓以及管子二端的電壓波形都同阻性負(fù)載時(shí)相同，如圖2所示。與阻性負(fù)載不同的是負(fù)載電流波形不同，阻性負(fù)載時(shí)負(fù)載電流波形為斷續(xù)的，而阻感負(fù)載時(shí)負(fù)載電流的波形為連續(xù)的。（3）失控時(shí)的仿真。在研究單相半控橋式整流電路電阻電感負(fù)載時(shí)，當(dāng)觸發(fā)脈沖丟失會(huì)發(fā)生失控現(xiàn)象，只需斷開(kāi)一個(gè)觸發(fā)脈沖，再次啟動(dòng)仿真，得到如圖3所示波形。通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程，使學(xué)生在腦海里深深留下了電路的各點(diǎn)波形形狀，電壓波形為什么會(huì)變化，電壓波形變化同哪些參數(shù)有關(guān)？控制角與輸出電壓波形有著怎樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系？怎樣的情況下發(fā)生失控，失控時(shí)電路的工作情況又是如何？引導(dǎo)學(xué)生自然地進(jìn)入單相半控橋式整流電路的知識(shí)學(xué)習(xí)。在教學(xué)過(guò)程的中后期，學(xué)生已經(jīng)熟悉MATLAB/Simulink軟件使用，就不必在課堂上現(xiàn)場(chǎng)建立電路的仿真模型。為了節(jié)約時(shí)間，把《電力電子技術(shù)》教材各個(gè)電路的仿真模型都事先建好備用，當(dāng)講解到哪個(gè)電路時(shí)就可以運(yùn)行這個(gè)模型，改變參數(shù)看電路仿真結(jié)果。通過(guò)這樣一個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能夠把電力電子變換器的工作原理、物理波形及數(shù)學(xué)關(guān)系等緊密聯(lián)系在一起，從而全面掌握變換器的工作過(guò)程，為學(xué)生提供一種直接感性的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生更深刻地理解這門(mén)課程。

三、MATLAB/Simulink軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)本科電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)大都依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是安全、方便管理。但是依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)基本都屬于演示性或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，硬件實(shí)驗(yàn)條件很難覆蓋知識(shí)點(diǎn)的各個(gè)方面，動(dòng)手能力提高較慢，同時(shí)，學(xué)生誤操作多、實(shí)驗(yàn)裝置損壞較嚴(yán)重，而且出現(xiàn)問(wèn)題不知道如何分析解決，只能等老師來(lái)解決[4]，其主要原因是學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握不夠以及對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和操作缺少感性認(rèn)識(shí)，直接導(dǎo)致誤操作，學(xué)生應(yīng)掌握的知識(shí)和應(yīng)具備的能力沒(méi)能落到實(shí)處。同時(shí)實(shí)驗(yàn)基本上局限于對(duì)教材中部分理論的驗(yàn)證，不能很好地與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，這使得教學(xué)工作比工程實(shí)際滯后很多，不能充分實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)和將來(lái)的就業(yè)很不利。因此，我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)中采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段相結(jié)合的模式，即先仿真實(shí)驗(yàn)后實(shí)物實(shí)驗(yàn)的雙實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)上，依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，每章精選出1-2個(gè)實(shí)驗(yàn)作為必做實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)做這些實(shí)驗(yàn)，熟悉并掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器儀表的使用方法，在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各種電力電子器件的性能特性、各種應(yīng)用電路的工作過(guò)程及技術(shù)指標(biāo)也通過(guò)實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。同時(shí)，在現(xiàn)有條件的情況下，針對(duì)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的手段進(jìn)行彌補(bǔ)，用MATLAB/Simlink仿真軟件對(duì)電力電子電路進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（10個(gè)課外實(shí)驗(yàn)），教師在課內(nèi)布置要完成的項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目給學(xué)生提出一個(gè)設(shè)計(jì)要求（如設(shè)計(jì)一個(gè)三相交流電到直流電的變換電路，給出這個(gè)直流電源的具體性能指標(biāo)，如輸出電壓的變化范圍、電流大小、電壓紋波系數(shù)等等，要求自己選擇元器件，設(shè)計(jì)電路，并最終實(shí)現(xiàn)或仿真驗(yàn)證），要求學(xué)生完成簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)所要求的電路功能，可以讓學(xué)生在課外利用仿真軟件自主完成。教師驗(yàn)證結(jié)果，做到課內(nèi)和課外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，培養(yǎng)自信，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)際電路的仿真分析，可進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)電路的認(rèn)識(shí)分析和創(chuàng)新能力，彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不足。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于MATLAB仿真平臺(tái)的“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式，以MATLAB/Simulink仿真技術(shù)為工具，探究教學(xué)創(chuàng)新模式為手段，形成理論與實(shí)踐并進(jìn)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段相結(jié)合，課內(nèi)和課外實(shí)驗(yàn)并進(jìn)的教學(xué)模式，將電力電子技術(shù)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)及仿真有機(jī)結(jié)合起來(lái)，為課程的教與學(xué)提供了一種新的思路和模式。該教學(xué)模式已在我校電氣學(xué)院人才培養(yǎng)模式實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)試點(diǎn)班級(jí)中應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生在理論知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力兩方面都得到很大提高，通過(guò)應(yīng)用仿真軟件，還可以幫助學(xué)生學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行電路分析和研究，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)電力電子電路并加以驗(yàn)證，為下一階段的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。也能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，進(jìn)一步鍛煉了他們自主分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

本文作者：龔建芳工作單位：上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院