葉云洋 蔣燕 陳文明

湖南電氣職業(yè)技術學院，湖南 湘潭 411101

基于MATLAB的高職《電力電子技術》課程改革探索

葉云洋 蔣燕 陳文明

湖南電氣職業(yè)技術學院，湖南 湘潭 411101

《電力電子技術》是高職強電類專業(yè)中一門實踐性較強的專業(yè)基礎課程，為改善該門課的教學效果和實踐條件，本課題組提出了一種基于MATLAB的虛擬實現(xiàn)的設計思想，開發(fā)出相應的仿真平臺。該仿真軟件既可用于教師的課堂教學和實驗模擬，又可作為學生自學的輔助工具。

MATLAB；虛擬仿真；電力電子技術；課程改革

作為高職學院，學校的辦學定位以工程應用為主導，人才培養(yǎng)目標是為地方工業(yè)培養(yǎng)高技能應用型人才?！峨娏﹄娮蛹夹g》是我校自動化、風力發(fā)電設備制造與那種、電機與電器三個專業(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、控制技術的多學科互相滲透的綜合性技術課程，本課程在我校這幾個強電專業(yè)中的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)學生電力電子器件的應用能力，使學生掌握電力電子電路的設計、制作與調試的基本技能。該課程與實際聯(lián)系較多，原理比較抽象，傳統(tǒng)的教學模式和方法不能適應該課程在高職教育中的發(fā)展。為改善教學效果，課程組堅持將學科優(yōu)勢和成果轉化為優(yōu)質的教學資源的思路，開展教學改革，采用現(xiàn)代教育手段進行，加強課件的建設，以充分調動學生學習的積極性，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

一、課程的研究現(xiàn)狀分析

電力電子技術是20世紀后半葉誕生與發(fā)展的一門嶄新技術,它日新月異的發(fā)展,使該門課程處于不斷充實、更新之中。目前的電力電子技術教材與前幾版相比,大都實現(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變,這使得該課程內容多,信息量大。但隨著教學改革的不斷深入以及人才培養(yǎng)計劃的調整,專業(yè)課程的課時大多被壓縮,為達到預期的教學效果,在教學過程中必須有新的教學手段和方法來支持。

隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展和高等教育規(guī)模的不斷擴大，建立虛擬實驗室已經(jīng)成為了電力電子技術課程發(fā)展的熱點和必然趨勢，目前，虛擬實驗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軟件應用擴展受到限制。而MATLAB軟件被認作是進行該項研究、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)已成為國際公認的優(yōu)秀科技應用軟件；在實際的工程應用中，MATLAB也已經(jīng)被確認為準確、可靠的科學計算仿真軟件，基于該軟件的系統(tǒng)運行性能好，效益高。

目前，研究將MATLAB引入高職院校學生學習電力電子技術的教學研究較少，只有部分本科院校在他們的教學中使用了這種基于MATLAB軟件的電力電子實驗教學，并有相關的參考文獻，如周淵深教授編寫的《電力電子技術與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、應用性強等特點，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起點。他們的計算機模擬存在以下問題：零散、操作麻煩、內容不完整、運行不能離開MATLAB環(huán)境。為了更高效的利用該軟件，不斷地有新控制技術和算法出現(xiàn)，致力于建立一套適應高職院校學生學習的電力電子技術實驗仿這真系統(tǒng)。

二、課程的改革內容

本課程組所建立的電力電子技術虛擬實驗平臺是以我校實驗室現(xiàn)有的電力電子技術綜合實驗臺(DJDK-1)為原型設計的，通過對原型的提煉和抽象，提出了構建電力電子技術虛擬實驗平臺的基本要素和建立電力電子技術虛擬實驗平臺的原則和方法。

構建電力電子技術虛擬實驗平臺，電力電子電路的計算機仿真方法是它的基礎。由于建立電力電子技術虛擬實驗室的目的是培養(yǎng)學生對電力電子技術的實際動手能力和感性認識，對于不涉及器件特性的實驗，電路中的開關元件則可視為理想開關，并將其作為一個電路元件包含在電路中，這樣就可以應用電路分析的一般理論建立起此類電力電子電路的方程。通過拓撲法和改進節(jié)點法建立起電路的拓撲結構與電路方程的聯(lián)系，即通過電網(wǎng)絡理論中電路的表矩陣方程，實現(xiàn)電路的圖與電路方程的轉換，通過軟件編程實現(xiàn)從電路的圖形化連接到相應電路方程的自動生成。對生成的電路的表矩陣方程，應用Euler法或Runge-Kutta法進行求解，從而得到各支路的電流和電壓信息。

電力電子技術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。這個命令將打開simulink窗口。同時展示了電力系統(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，異步機，變壓器，直流機，線性和非線性，有名的和標示值系統(tǒng)的，不同仿真精度的設備模型庫，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)的負荷模型，電力半導體器件庫以及控制測量環(huán)節(jié)，信號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”軟件實驗系統(tǒng)就是給學生提供一個軟件模擬環(huán)境, 在MATLAB具有專門的仿真工具和電力系統(tǒng)模塊庫，運用MATLAB/Simulink對整流、斬波、逆變等幾種常見的電力電子電路進行建模和仿真,觀測電路波形，設置參數(shù)并觀察參數(shù)變化對電路波形圖的影響,分析結果一目了然，從而大大地方便了學生研究器件的工作特性和電路的動態(tài)特性。

三、采取的研究方法和技術路線

在電力電子技術教學過程中，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，因此本虛擬實驗系統(tǒng)設計時著重考慮了這一點：一、可以在虛擬實驗系統(tǒng)中對具體的實驗電路以及電路中的各種參數(shù)進行設置，并得出不同的仿真波形；二、具體的實驗波形可以通過數(shù)字示波器存儲，在MATLAB中處理并存儲，可供學生調出參考。本虛擬實驗系統(tǒng)設計完成后即可掛在實驗室服務器上，并通過MATLABWebServer配置服務器，即可實現(xiàn)網(wǎng)內用戶登錄訪問。具體研究方法和技術路線如下：

（一）建立電力電子技術虛擬實驗平臺的主界面

1、設置系統(tǒng)主界面：用“歡迎進入電力電子技術虛擬實驗系統(tǒng)”為一個按鈕相應區(qū)，只要用戶按下鼠標，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，否則關閉系統(tǒng)。

2、設置用戶管理界面：用戶登錄到可操作界面后，對用戶信息進行管理，也可以選擇要進行的實驗項目。演示實驗是虛擬實驗的主要部分之一，它包括了實驗內容、原理、意義、注意事項等的講解、實驗電路的計算機仿真、實驗結果的實時顯示等。利用演示實驗環(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，仿真電路是已達建好的，教師在上課時只需點擊鼠標就可以完成實驗結果的顯示，利用鼠標和鍵盤可以對系統(tǒng)的參數(shù)進行修改，能方便地觀測到同一系統(tǒng)不同參數(shù)對輸出結果的影響。

3、設置實驗項目界面：操作實驗作為虛擬實驗室的一個重要組成部分，操作實驗為教師、同學提供了一個自己動手，用計算機模擬實驗過程、分析實驗結果的平臺。使用者可以用鼠標拖動微機上的虛擬實驗儀器,按照實驗要求、組裝成為一個完整的實驗系統(tǒng).同時，可以在這個系統(tǒng)上完成整個實驗，包括實驗參數(shù)的改變,數(shù)據(jù)采集以及實驗結果的模擬、分析等等。

（二）典型電路的建模與仿真

電力電子技術虛擬實驗系統(tǒng)結合具體的實驗設備和實驗內容預計設置八個實驗項目，分別與教材的相關內容一一對應。在用戶登錄后，選擇實驗項目中的實驗則會出現(xiàn)相應實驗的仿真模型。當然此處還應設一個選擇入口，仿真/實驗，這樣就可以選擇是進入仿真系統(tǒng)還是進入實際實驗演示系統(tǒng)，這一塊將在后續(xù)研究工作中加入。

現(xiàn)以一個實驗項目為例，演示具體的實驗內容。如一個由晶閘管組成的三相全控電路，電路由三相對稱電源、晶閘管整流橋、負載、六路出發(fā)脈沖、顯示以及實驗相關信息組成。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驗所使用的電力電子器件，雙擊顯示模塊可以觀看仿真實驗的相關波形，此外雙擊模型的右下角處，就可以獲得實驗的其他相關信息，本實驗的另一部分是有源逆變部分，在實驗相關信息中給出了這部分實驗仿真設計的建議，學生可以根據(jù)提示自己完成這部分的仿真模型的建立、仿真，并對照參照波形來檢驗所見模型的正確性。

（三）編寫虛擬操作系統(tǒng)指導書

完成了典型實驗的建模與仿真后,為了方便學生正確使用該系統(tǒng)及自學的需要,本課題組將組織編寫實驗系統(tǒng)指導書,該書面向高職學生，簡單易掌握，突出實踐教學內容，采用基于MATLAB軟件、面向電氣系統(tǒng)原理結構圖的圖形化仿真技術，系統(tǒng)地針對典型電力變換電路介紹仿真實驗。其內容如下：

實訓一 單結晶體管觸發(fā)電路的仿真與實驗

實訓二 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路的仿真與實驗

實訓三 單相半波可控整流及有源逆變電路的仿真與實驗

實訓四 單相橋式全控整流及有源逆變電路的仿真與實驗

實訓五 三相橋式全控整流及有源逆變電路的仿真與實驗

實訓六 單相、三相交流調壓電路的仿真與實驗

實訓七 直流斬波電路仿的真與仿真與實驗

實訓八 常用電力電子器件的驅動與保護電路仿真與實驗

附錄 MATLAB/Simulink/Power System仿真基礎

四、項目完成后的經(jīng)濟效益和理論意義

基于 MATLAB 開發(fā)的 “電力電子技術”虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應用于課堂和實驗教學，克服了傳統(tǒng)教學中講解內容抽象、手畫圖形不準確和不直觀、教學內容難以擴展等方面的不足。該系統(tǒng)可以使該課程的課堂教學更加結合工程實際,仿真環(huán)節(jié)可以為理論教學提高波形演示，提高理論教學效果，能極大地調動學生的學習積極性和探索欲望，提高了學生學習的興趣，

其次，虛擬仿真系統(tǒng)對實驗有良好的指導作用,可以彌補實驗和實習環(huán)節(jié)的不足。在電力電子的實際試驗中用的都是功率器件，費用高、費時，危險性大。引入了虛擬實驗系統(tǒng)，避免了對儀器、元器件使用不當所造成的損壞,緩解了目前實驗課學時較少和實驗設備不足的局限。并且學生在課前對實驗進行預習，對整個實驗的框架、實驗元件有一個總體的把握，可減少實驗過程中的不當操作，從而減少了實驗室的開支。

同時，虛擬實驗系統(tǒng)以開放實驗室的形式,擺脫了傳統(tǒng)實驗對儀器設備、元器件的依賴。學生在課后只需要一臺電腦就可以自己進行仿真，并且可以方便地改變系統(tǒng)的參數(shù)設置，進行分析和思考。這對于加深其課堂所學知識，開闊思路具有重要意義。并可讓學生提出自己的思想，設計自己的產(chǎn)品,可充分發(fā)揮自己的設計才能，獨立完成綜合性、設計性實驗。同時也為學生以后走上社會工作崗位多提供了一種解決工程問題的科學方法。

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

[2]韓唏春.《電力電子技術》課程的教學改革與實踐[J].南京：南京工程學院學報.2004（4）：55-58

[3]楊奕．《電力電子技術》課程教學改革初[J].江蘇南通：南通大學學報——教育科學版.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)技術學院，講師，工學碩士.主要研究方向：電力電子技術及應用；

蔣燕（1981-）男.漢族.湖南邵陽人.湖南電氣職業(yè)技術學院，講師，工學碩士.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)技術學院，講師，工學碩士.主要研究方向：風力與發(fā)電。.