董冀媛， 董 潔， 王尚君， 李 擎

(北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 北京 100083)

基于Matlab的“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)

董冀媛， 董 潔， 王尚君， 李 擎

(北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院， 北京 100083)

本文比較了傳統(tǒng)教學(xué)模式和基于Matlab/Simulink仿真的教學(xué)模式在課堂教學(xué)中的作用，以三相橋式整流電路為例演示了課堂講授與仿真演示的結(jié)合方式，提出了適合于“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的新型教學(xué)模式，闡明了使用仿真軟件輔助教學(xué)應(yīng)遵循的一般原則和教學(xué)方法。

電力電子技術(shù); 教學(xué)模式; Matlab/Simulink

0 引言

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件組成電力變換電路以實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的技術(shù)，是橫跨電子技術(shù)、控制和電氣工程等多個領(lǐng)域的新興交叉技術(shù)?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程已成為高等院校電氣工程與自動化類本科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，在培養(yǎng)電氣工程、自動化專業(yè)人才過程中具有十分重要的地位[1]。

“電力電子技術(shù)”課程涉及的電路多，波形多，易混淆，一直被學(xué)生認(rèn)為是電類專業(yè)課中最難學(xué)的課程之一。傳統(tǒng)的板書教學(xué)和多媒體教學(xué)方式僅通過演示幾種典型的波形已不能有效地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。目前在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)過程中，將仿真軟件與課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合是改善教學(xué)效果的有效途徑之一。許多教師在這方面做了有益的探索。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于仿真平臺的“電力電子技術(shù)”教學(xué)與實(shí)踐的教學(xué)模式，詳細(xì)介紹了如何利用Matlab /Simulink仿真軟件開展理論課程和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。文獻(xiàn)[3]結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，以交直交變頻電路為例探索了“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中開展 Matlab 仿真訓(xùn)練的方法。文獻(xiàn)[4]借鑒CDIO模式中產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教育理念，提出借助變流器設(shè)計(jì)的題目，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用 Matlab 軟件完成項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)、仿真分析等全部工作流程。

這些寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，仿真軟件的合理運(yùn)用可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體意識，并提供了多個仿真設(shè)計(jì)題目和應(yīng)用范例。然而，這些設(shè)計(jì)題目往往是綜合性的，需要學(xué)生完成一章或多章變換電路的學(xué)習(xí)之后，在課外完成。通?？匣ㄙM(fèi)時間的學(xué)生也是課上吸收較好的學(xué)生。如果課堂教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生沒有激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，那么獨(dú)立完成仿真作業(yè)的積極性就會大打折扣，抄襲現(xiàn)象就不可避免。因此課堂教學(xué)仍是提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。仿真軟件如何在課堂教學(xué)過程中發(fā)揮作用，怎樣根據(jù)教學(xué)內(nèi)容將仿真軟件與板書和多媒體手段結(jié)合充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是值得進(jìn)一步思考和研究的。筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，以整流電路教學(xué)為例探討傳統(tǒng)教學(xué)方法和仿真軟件相互結(jié)合的方式，為仿真軟件在“電力電子技術(shù)”課堂教學(xué)中的運(yùn)用提供借鑒。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方法的作用

對于整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分析電路的工作過程等教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不可或缺。教師借助多媒體課件可以清晰快速地將電路結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給學(xué)生，借助板書可以控制講課的節(jié)奏，留給學(xué)生視覺消化和記憶的時間，并能夠?qū)崿F(xiàn)與學(xué)生的課堂互動[5]。比如講授橋式整流電路時，電路的基本結(jié)構(gòu)、電路輸出電壓、電流、晶閘管承受的電壓等物理量的波形分析都要通過課堂講授完成。當(dāng)負(fù)載由電阻負(fù)載變?yōu)樽韪胸?fù)載時，阻感負(fù)載的特點(diǎn)和各物理量的工作波形的分析也是以教師的講解為主導(dǎo)的。講懂基本原理對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是十分必要的。當(dāng)學(xué)生明白了基本原理之后，電路參數(shù)發(fā)生變化時工作情況的分析就可以由教師引導(dǎo)學(xué)生參與分析，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性了。如果直接讓學(xué)生利用Matlab完成仿真來體會工作原理，對于初學(xué)該課程的大多數(shù)學(xué)生來說，不僅沒有節(jié)省時間，反而因?yàn)闆]有頭緒而浪費(fèi)時間，因此，對于基本概念、基本原理的講解，傳統(tǒng)的教學(xué)方式不能缺失。

2 Matlab在課堂教學(xué)的作用

Matlab所提供的 Simulink 仿真環(huán)境具有建模資源豐富、設(shè)計(jì)過程簡單、輸出形式多元和感受直觀深刻等優(yōu)點(diǎn)[5]。Matlab /Simulink包含了專用于電力系統(tǒng)和電力電子電路建模仿真的 SimPower systems 模塊庫,具體包括電源( Electrical resources)、元件(Elements)、連接器( Connectors )、電機(jī)(Machines)、測量儀表( Measurements)、電力電子器件(Power electronics)等功能子模塊集。教師在講解完電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理之后，如果能夠利用Simulink搭建電路模型加以仿真，讓學(xué)生通過觀察電路各物理點(diǎn)的工作波形驗(yàn)證教授的內(nèi)容，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信將會大大激發(fā)出來。尤其是改變電路參數(shù)，讓學(xué)生觀察電路各物理點(diǎn)的工作波形的變化，學(xué)生會對電路整體有深入的感知和體會，必然加深對工作原理的理解，比如相控整流電路觸發(fā)角的變化引起的輸出電壓、電流波形的變化，阻感負(fù)載下輸出電壓和電流的變化。此外，教材分析的工作波形都是進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后的波形，而仿真結(jié)果展示的是從零時刻開始的由暫態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的全部過程，可以促使學(xué)生對電路的工作過程有全面的認(rèn)識，加深對物理過程的理解。同時電感等元件取值對波形的影響也可以通過仿真讓學(xué)生有感性認(rèn)識，這為將來設(shè)計(jì)整流電路時選取元器件參數(shù)做了很好的經(jīng)驗(yàn)積累。總之，課堂教學(xué)重要的是講解基本的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，在講解原理之后增加Simulink搭建的驗(yàn)證理論的教學(xué)環(huán)節(jié)可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，改善學(xué)習(xí)效果。

在開始學(xué)習(xí)“電力電子技術(shù)”這門課時，學(xué)生需要對SimPower systems 模塊庫有一個熟悉的過程。課堂上，教師可以在講完一個電路拓?fù)渲?，給學(xué)生演示使用Simulink/SimPower systems搭建電路模型的過程，從電力電子器件的選取、電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、電路元件參數(shù)的設(shè)置，包括電壓源有效值、負(fù)載、元件參數(shù)的設(shè)置等。之后要讓學(xué)生自己依照步驟獨(dú)立完成一次。通常情況下學(xué)生會因?yàn)槟承┉h(huán)節(jié)的理解疏忽，并不能一次做對，需要反復(fù)檢查每一個環(huán)節(jié)的設(shè)置情況，這個反復(fù)修改的過程是學(xué)生深入理解整流電路工作原理的過程。隨著課程的進(jìn)行，學(xué)生對Simulink搭建電路模型的過程已經(jīng)熟練掌握，對于新的整流電路，教師就可以更加自由地組織課堂教學(xué)的形式，可以先講授、再驗(yàn)證，也可以先提出問題，讓學(xué)生自己先仿真，再分析討論?？傊?，將學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性激發(fā)出來，課堂教學(xué)的效果就會水到渠成。

仿真項(xiàng)目最好由小到大，循序漸進(jìn)。仿真不是以難以偏為目的，而是以幫助學(xué)生建立基本概念、理解工作原理、掌握基本分析方法為目的。教師備課時要精心設(shè)計(jì)仿真環(huán)節(jié)，最好從小處著手，以點(diǎn)帶面。比如，單相半波整流電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是卻包含了整套相控整流電路的基本概念和分析方法。建議教師可以先從單相半波整流電路的仿真入手，引導(dǎo)學(xué)生掌握利用Simulink/SimPower systems模塊庫完成仿真驗(yàn)證的過程。而后，單相橋式整流電路、三相橋式整流電路的仿真便可以結(jié)合課后的習(xí)題，通過理論計(jì)算與仿真結(jié)果的比較，加深學(xué)生的理解。

3 教學(xué)案例

三相橋式整流電路波形圖復(fù)雜，是相控整流電路的難點(diǎn)[6]。在講解三相橋式電路的工作原理之后，結(jié)合課后的作業(yè)布置仿真任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入自主學(xué)習(xí)的環(huán)境是十分必要的。舉例如下：三相橋式全控整流電路變壓器二次側(cè)電壓U2=100 V，帶電阻電感負(fù)載，R=5 Ω，L值極大，當(dāng)α=60°時，要求：①畫出ud,id,iVT1的波形;②計(jì)算Ud,Id,IdVT和IVT。這道題本來是要求學(xué)生理論計(jì)算的，現(xiàn)在要求使用Simulink仿真，并與理論計(jì)算的值比較。理論計(jì)算的過程此處略去，本文就仿真過程的幾個重要環(huán)節(jié)予以說明。圖1所示為使用Simulink搭建的三相橋式整流電路的仿真模型[7]。

圖1 三相橋式整流電路仿真模型

依據(jù)電路圖畫出這樣的仿真模型并不困難，但是仿真得出輸出波形卻需要費(fèi)點(diǎn)心思。難點(diǎn)在于參數(shù)的設(shè)置環(huán)節(jié)上，可以考察學(xué)生對物理量的理解是否深刻正確。圖2所示為三相電壓源B相電源的參數(shù)設(shè)置。第一項(xiàng)是峰值，題目給出的是有效值，須轉(zhuǎn)換成峰值141.4 V。第二項(xiàng)是電壓的初始相位。如果A相的相電壓的初始相位設(shè)置為30°，B相則滯后120°設(shè)置為-90°，C相則滯后B相120°設(shè)置為-210°。

圖2 B相電源參數(shù)設(shè)置

三相半波和橋式整流電路觸發(fā)角的零點(diǎn)是所對應(yīng)的相電壓30°的時刻，這一時刻是晶閘管開始承受正向壓降的起始點(diǎn)。三相電壓源如圖1所示的設(shè)置情況下，晶閘管觸發(fā)角的初始時刻就可以設(shè)置在原點(diǎn)。VT1的觸發(fā)脈沖設(shè)置的參數(shù)如圖3所示。脈沖類型選擇為“基于時間的”。由于相位延遲的單位是秒，需要把觸發(fā)角轉(zhuǎn)換為時間。題目中觸發(fā)角為60°，相電壓的周期為0.02秒，則VT1的觸發(fā)角60°所對應(yīng)的時間為(60/360)×0.02=0.00333秒，所以相位延遲設(shè)置為0.00333秒。六個晶閘管觸發(fā)角之間依次相差60°，則VT2的觸發(fā)脈沖的相位延遲為(120/360)×0.02=0.00667秒，VT3為(180/360)×0.02=0.01秒，VT4為(240/360)×0.02=0.01333秒，VT5為0.01667秒，VT6為0.02秒。

圖3 VT1觸發(fā)脈沖的設(shè)置

值得注意的是如果在相位延遲參數(shù)這一項(xiàng)直接填入觸發(fā)角60度，則仿真結(jié)果會出現(xiàn)錯誤。因?yàn)槿嗾麟娐分械木чl管承受的電壓是線電壓，所以開始承受正向電壓的時刻是線電壓過零的時刻，所對應(yīng)的是相電壓30°的地方。經(jīng)過這樣的仿真，借助于一道習(xí)題，學(xué)生對三相整流電路的觸發(fā)角與相電壓的關(guān)系有了深刻的認(rèn)識，對于觸發(fā)角零點(diǎn)的確定方法也有了深入的理解，以后遇到含有晶閘管的電路，就可以依據(jù)晶閘管開始承受正向壓降的時刻確定觸發(fā)角的零點(diǎn)。例如，交流變換中的單相交流調(diào)壓電路晶閘管承受正壓的時刻是交流電壓過零的時刻，三相交流調(diào)壓電路晶閘管承受正壓的時刻也是相電壓過零的時刻，因此交流調(diào)壓電路的觸發(fā)角的零點(diǎn)就是相電壓過零的點(diǎn)。這樣，即使是同樣的正弦交流電壓，觸發(fā)角的零點(diǎn)時刻卻不盡相同，但是只要深入理解晶閘管開始承受正向電壓的時刻作為觸發(fā)角的零點(diǎn)這一基本概念，則學(xué)生就會自行確定觸發(fā)角，而不至于混淆。

圖4是負(fù)載的參數(shù)設(shè)置。電阻如題目要求設(shè)置為5 Ω。負(fù)載中沒有電容，所以RLC串聯(lián)時電容設(shè)為無窮小。電感需要使用一個具體的數(shù)來表征無窮大，這時可以建議學(xué)生多試幾個數(shù)值，例如分別取0.1 H、0.2 H、0.5 H、0.8 H時觀察電流的曲線，電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間變長還是變短？穩(wěn)態(tài)之后負(fù)載電流的波動隨著電感值的增大會怎樣變化？經(jīng)歷這樣一個仿真實(shí)驗(yàn)的過程之后，學(xué)生對感性負(fù)載的物理性質(zhì)會有更加具體的理解，從而為后續(xù)電路的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 負(fù)載參數(shù)的設(shè)置

圖5是仿真波形圖，與理論計(jì)算的結(jié)果相吻合。學(xué)生通過動手仿真和理論分析計(jì)算，驗(yàn)證了所學(xué)的知識，掌握了三相橋式整流電路的分析方法。教師還可以將習(xí)題擴(kuò)展，例如考慮某一個晶閘管的觸發(fā)脈沖丟失，如VT2，分析純電阻負(fù)載和阻感負(fù)載下的工作波形。VT2觸發(fā)脈沖丟失后，C相負(fù)半軸的電壓不能夠經(jīng)過VT2傳遞到負(fù)載一側(cè)，所以負(fù)載電壓缺少Uac和Ubc兩個線電壓的波形。圖6所示為晶閘管VT2的脈沖丟失后純電阻負(fù)載時的管壓降和負(fù)載電壓電流的波形。圖7為阻感負(fù)載下的仿真波形。電感是儲能元件，所以負(fù)載電壓的波形中出現(xiàn)負(fù)的部分，電感元件在釋放磁能，與純電阻負(fù)載有所區(qū)別。通過搭建仿真電路，改變參數(shù)，觀察仿真結(jié)果，學(xué)生能夠把變換電路的工作原理、波形及數(shù)學(xué)關(guān)系聯(lián)系起來，有效解決電力電子變換電路波形抽象、電路變換復(fù)雜等難點(diǎn)。

圖5 三相橋式整流電路的仿真結(jié)果

圖6 純電阻負(fù)載VT2脈沖丟失的工作波形

圖7 阻感負(fù)載VT2脈沖丟失的工作波形

4 結(jié)語

“電力電子技術(shù)”的課堂教學(xué)應(yīng)該圍繞提高學(xué)生聽課效率、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣來尋找傳統(tǒng)授課方法與Matlab仿真平臺的最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)。

(董冀媛等文)

Matlab仿真平臺可以方便地更改仿真條件、電路參數(shù)、電路結(jié)構(gòu)，使學(xué)生可以快速地驗(yàn)證課堂教授的理論內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低實(shí)驗(yàn)的成本，鞏固所學(xué)的理論分析的方法，為學(xué)生真正動手實(shí)驗(yàn)做了良好的鋪墊。教師應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)仿真的題目，使仿真任務(wù)與課堂講授的知識點(diǎn)緊密配合，遵循由小到大，以點(diǎn)帶面，循序漸進(jìn)的原則，最后再布置綜合性仿真任務(wù)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識電力電子技術(shù)在工業(yè)和日常生活中的廣泛應(yīng)用，形成對這一技術(shù)整體的認(rèn)識。不建議教師直接布置課后綜合性的仿真實(shí)驗(yàn)，這對于初學(xué)者效果有限，應(yīng)將著眼點(diǎn)放在把知識點(diǎn)做細(xì)，仿真任務(wù)做細(xì)，學(xué)生只有真正理解了物理過程，才能把知識點(diǎn)聯(lián)系起來，完成綜合性設(shè)計(jì)任務(wù)并加以創(chuàng)新。

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Teaching Method for Power Electronics Technology Based on Matlab

DONG Ji-yuan, DONG Jie, Wang Shang-jun, Li Qing

(UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Traditional teaching mode and teaching mode based Matlab Simulation are analyzed in this paper. A teaching case of three-phase full-bridge controlled rectifier is present and a new teaching model suitable for Power Electronics Technology class teaching is provided. Then general principles about how to use simulation software to assist teaching are summarized.

power electronics; teaching mode; Matlab /Simulink

2016-05-05;

2016-09- 12

董冀媛(1976-)，女，博士，講師，主要從事電力電子技術(shù)的教學(xué)和模式識別與故障診斷的研究， E-mail：dongjiyuan@ustb.edu.cn

G642.2

A

1008-0686(2017)02-0139-05