楊小品

摘 要 本文針對電力電子實驗課傳統(tǒng)實驗方法存在的問題進(jìn)行分析，說明其存在有不足之處。針對這些不足在課堂上適當(dāng)引入數(shù)字仿真實驗加以完善，以二者相結(jié)合的方式改進(jìn)原有教學(xué)模式，并通過例證及教學(xué)效果說明該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞 電力電子 實驗課 仿真

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

實驗課在課程教學(xué)過程中占很重要的地位，尤其是工科課程，理論分析比較抽象，很難讓學(xué)生有直觀的認(rèn)識。此時適時加入實驗課程不僅鍛煉學(xué)生的動手能力，而且有利于學(xué)生對所學(xué)理論課程形成較為完整的認(rèn)識，以便于對相關(guān)知識更深入地理解和掌握。然而在電力電子技術(shù)這門課程的實際教學(xué)過程中卻發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)硬件設(shè)備的實驗課有諸多局限之處。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，可采用仿真實驗與設(shè)備器材實驗相結(jié)合的方法，力求結(jié)合二者優(yōu)點、消除二者缺點，最大限度地發(fā)揮實驗課的作用。本方法采用的數(shù)字仿真軟件為美國MathWorks公司出品的Matlab仿真軟件，該軟件提供功能比較強(qiáng)大的專業(yè)仿真平臺，對電力電子電路有足夠的處理能力。

1 實驗分析

1.1 實驗安全性差

電力電子技術(shù)是針對電能變換的技術(shù)，實驗電路有真實的電壓電流通過，實驗所用元器件要經(jīng)受高電壓大電流，稍有不慎極易引起事故。由于實驗中需要采取電能變換的控制策略，而控制策略需要由學(xué)生自己整定，調(diào)整失誤時小則保護(hù)裝置動作中斷實驗，大則燒毀器件設(shè)備；不僅實驗無法完成，還會給實驗帶來經(jīng)濟(jì)損失并給學(xué)生帶來精神創(chuàng)傷。

數(shù)字仿真實驗過程為復(fù)現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，完全為軟件計算，沒有任何的危險性。

1.2 實驗接線復(fù)雜，費(fèi)時費(fèi)力

實驗臺如圖1中a圖所示，采用模塊化設(shè)計、面板插孔連線。在組合不同的電路時容易連錯線，而且由于連接線全部垂在面板前，接完線后不易查線。即使一組實驗教師檢查查線及指導(dǎo)時間只要五分鐘，十五套設(shè)備也需七十五分鐘，九十分鐘的實驗課時間根本不夠用。如果不查線，學(xué)生可能會損壞設(shè)備或者做不出相應(yīng)的結(jié)果。而分組過少每組人數(shù)多的話，又會導(dǎo)致很多學(xué)生無法親自動手而對實際設(shè)備認(rèn)識不足，對實驗現(xiàn)象和結(jié)果觀察思考不夠。

MATLAB里面的simulink部分可以利用模塊進(jìn)行系統(tǒng)模型搭建，其建立過程跟實際接線過程非常相似。圖1中b所示即為三相整流橋電路的仿真模型。仿真模型預(yù)先編制調(diào)試好，課堂直接說明結(jié)構(gòu)并演示結(jié)果，然后再去指導(dǎo)學(xué)生做設(shè)備實驗。時間緊張可以少分幾組爭取能全部指導(dǎo)，這樣既鍛煉了學(xué)生的動手能力，又避免學(xué)生做不出實驗無法觀測實驗結(jié)果，又可提高學(xué)生學(xué)習(xí)MATLAB的積極性。

a b

圖1

1.3 現(xiàn)象觀察

在觀察實驗結(jié)果時，有效值可以用電壓表電流表直接獲得，但是大量需要檢測瞬態(tài)變化的量需要用示波器跟蹤觀察。目前所用示波器沒有多路檢測通道，所用雙蹤示波器只能觀察兩路信號，而理論分析時則多是多信號對比分析，因此在檢測結(jié)果時對比很不直觀。

圖2 圖3 圖 4

仿真的圖形顯示為自定義，可把觀察信號單獨顯示，也可多波形同時顯示以利于分析對比。圖2中實線為三相橋式整流電路晶閘管承受電壓的理論分析結(jié)果，圖3 中黃色為仿真實驗結(jié)果其余為參考曲線，圖4為傳統(tǒng)實驗中示波器觀測到的信號。由三圖對比可以看出，多了圖3，從圖2到圖4的認(rèn)識和理解就比較容易過渡。

1.4 實驗類別少

實驗臺只能做指定的實驗，屬于驗證性實驗，故障情況因其為破壞性在實驗中屬于禁止情況，所以在實驗中根本無法進(jìn)行。因此在實驗設(shè)置中不能進(jìn)行故障情況分析和模擬類的綜合性實驗。因電力電子實際裝置的特殊性，在實驗和實際應(yīng)用中極易損壞，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中體會不到故障情況的危害和現(xiàn)象，用仿真可以把故障情況模擬出來并可在數(shù)值上進(jìn)行分析，使學(xué)生對故障有直觀的認(rèn)識。圖5為單相半波整流電路中負(fù)載和晶閘管電壓波形，其中a圖為正常情況，b圖為脈沖丟失情況。在工程實際中經(jīng)常用到的故障情況分析在本課程中屬于高級能力培養(yǎng)，可進(jìn)行針對性授課。

圖5

1.5 參數(shù)不易修改

實驗電路中只要器件連接完畢，除了少數(shù)參數(shù)可調(diào)器件，大部分器件參數(shù)都不可調(diào)。元件參數(shù)選取無論是對電路分析還是對以后設(shè)備開發(fā)時元器件的選取都是至關(guān)重要的。某些場合即使原理正確，器件參數(shù)選取不當(dāng)也會導(dǎo)致實驗或者設(shè)備開發(fā)失敗。在電子電路中，參數(shù)不同，同一電路實現(xiàn)功能就可能不同，比如三相橋式整流電路可工作在整流或者源逆變狀態(tài)。觸發(fā)角不同，工作狀態(tài)就不同，產(chǎn)生的結(jié)果和影響也不同。再比如負(fù)載類型不同響應(yīng)也不同，如果在實驗中則需頻繁更改接線換器材，十分不便。而在仿真中元器件參數(shù)可以任意改動，在仿真模型中直接可以修改參數(shù)觀察現(xiàn)象，由于參數(shù)改動而造成的不同結(jié)果也均一目了然。圖6中abcd圖為三相橋式整流電路輸出由整流到逆變狀態(tài)的幾個變化過程，參數(shù)修改非常簡單。而傳統(tǒng)實驗時由于實際情況所限為防止逆變顛覆在觸發(fā)角調(diào)整上必須十分小心。

圖6

盡管仿真實驗有諸多優(yōu)點，其缺點也是顯而易見的，那就是沒有真實的設(shè)備。學(xué)生對原理和現(xiàn)象掌握了以后跟工程實際還是有一定的差距，比如元器件的認(rèn)識、示波器等一些必須設(shè)備的使用等。在傳統(tǒng)實驗過程中學(xué)生只是忙于接線，觀察波形，記錄數(shù)據(jù)，對于原理和電路構(gòu)造及參數(shù)處理沒有深刻的認(rèn)識。只鍛煉了觀察能力和動手能力，而思考能力和分析能力都沒有得到相應(yīng)的提高。綜合二者優(yōu)點，用數(shù)字仿真軟件搭建仿真模型，把仿真實驗和器材實驗結(jié)合起來取長去短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢。以期更好地提高學(xué)生的綜合能力。

2 教法設(shè)計

根據(jù)仿真和真實設(shè)備相結(jié)合實驗的思路，實驗課時間分配為：理論講解十分鐘，實驗演示十五分鐘，仿真對比十五分鐘，故障分析五分鐘，學(xué)生自己做實驗四十五分鐘。

2.1 演示法

實驗演示為實驗課必有流程，應(yīng)根據(jù)實驗大綱和實驗說明書把整個實驗完整地做一遍給學(xué)生觀摩。學(xué)生可由此獲得比較直觀的印象，減少對實驗器材的熟悉時間。

2.2 對比法

此處應(yīng)把理論課程的理論分析結(jié)果和仿真實驗結(jié)果以及實際實驗的結(jié)果對比，讓學(xué)生可以從理論到仿真再到工程實際的各種有一個遞推的漸進(jìn)認(rèn)識，從而對所學(xué)知識更容易接受和掌握。

2.3 分析法

分析法主要是針對電力電子的電路故障分析，適用于學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，程度比較好的學(xué)生?？勺鳛樘岣卟糠钟嗅槍π缘亟虒W(xué)，也可結(jié)合理論講解當(dāng)作最后的思考題目。

3 效果分析

認(rèn)識到傳統(tǒng)實驗的不足之后在實驗課上引入了仿真實驗，由幾個年級的實驗課后情況統(tǒng)計表明：對于只做傳統(tǒng)實驗的班級，可以明顯看出該年級學(xué)生實驗報告只有步驟和部分結(jié)果，對實驗分析思考很少。在課堂提問和考試上可以看出對知識的掌握程度不夠。

對于引入仿真實驗后和傳統(tǒng)實驗共同進(jìn)行實驗的班級，學(xué)生對實驗興趣提高了很多，很樂意兩種方法對照著去做實驗并進(jìn)行對比分析和思考，在實驗報告中也可以看到觀察力、理解力和分析能力有了很大的提高，在課堂上提問回答邏輯性和條理性增強(qiáng)了不少，考試的時候答題思路和方法也拓展了很多。

4 結(jié)束語

盡管在實驗課上引入仿真實驗，還是以實驗為主，仿真為輔，確立仿真是為傳統(tǒng)實驗服務(wù)的原則。因傳統(tǒng)實驗跟工程應(yīng)用緊密聯(lián)系，仿真模型搭建方便，調(diào)試安全，容易完善，可以重復(fù)利用，使二者相輔相成后可以把實驗課進(jìn)行得生動有趣又理論深入。通過對三個年級實驗課的效果進(jìn)行對比，可以看出仿真實驗在實驗課上和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，能取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 張志涌.MATLAB教程.北京航空航天大學(xué)出版社，2012.