鄭安豫，周 銳，楊春玲

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230051)

1 電力電子技術(shù)課程特點

《電力電子技術(shù)》一直作為電力、電氣類專業(yè)的核心課程，課程內(nèi)容涉及廣泛，覆蓋了電力、電子和控制三個領(lǐng)域[1]，課程在幫助學生理解電力、電氣控制及應(yīng)用方面起著非常重要的作用。課程傳統(tǒng)的教學以分析電能的變換為主要線索，注重電能變換過程中原理的介紹和波形的變換，由于課程理論嚴謹、內(nèi)容枯燥，學生在學習階段常常會覺得課程較難適應(yīng)。主要存在以下幾個問題：

(1)課程內(nèi)容以電路原理分析為主，前導課程主要內(nèi)容是電路的基本原理和高等數(shù)學，對學生的基礎(chǔ)要求很高，學生入門困難，很大程度上影響了一部分學生的學習興趣和積極性。

(2)課程教學過程中主要采用傳統(tǒng)的理論教學，多媒體教學使用較少。在對波形變換分析環(huán)節(jié)，學生普遍難以理解，課后學生自學階段無法還原課堂教學內(nèi)容，也影響到學生的學習積極性。

(3)課程實踐環(huán)節(jié)多采用實驗臺裝置，學生在此環(huán)節(jié)一般只需要做簡單的電源和負載連線，觀察輸出波形，以驗證實驗為主，這樣的實踐環(huán)節(jié)對學生能力的培養(yǎng)效果有限。

(4)課程實踐需要的設(shè)備有特殊保護裝置對安全要求較高，一般學生操作需要去實驗室預約，加上設(shè)備老舊，元器件故障等各種因素，制約了學生練手的積極性。

2 MATLAB軟件特點

MATLAB是一款具有圖形化、數(shù)值計算和符號計算于一體的仿真軟件，在工程分析中具有廣泛的應(yīng)用。將MATLAB仿真應(yīng)用于《電力電子技術(shù)》課程教學可以較好地解決學生對原理分析、波形分析難以理解的困惑，加深實驗過程中學生對原理圖的理解；有效解決實驗過程中存在的安全隱患，為學生隨時學習提供了更為便利的條件。

SIMULINK[2]是MATLAB中提供建模和仿真的重要組件，可以滿足用戶和企業(yè)各種交互式設(shè)計需求。SIMULINK可以根據(jù)用戶需求提供模塊化、可封裝、可視化的工具。MATLAB的SIMULINK模塊庫中，電力系統(tǒng)模塊庫是位于Simscape組中的Power Systems?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程的仿真教學可以利用Power Systems提供的電力電子元件庫(Power Electronics)、電源庫(Electrical Sources)、元件庫(Elements)、測量元件庫 (Measurements)等模塊庫提供的模塊，通過對電路的設(shè)計、參數(shù)的設(shè)置完成相關(guān)的電力電子技術(shù)課程實驗的仿真、測量和分析。

3 MATLAB應(yīng)用于電力電子技術(shù)課程

3.1 基于MATLAB的教學過程設(shè)計

為了不斷全面提升學生能力，基于MATLAB將教學過程分成了四個階段，如圖1所示。

圖1 教學四個階段

(1)原理分析?！峨娏﹄娮蛹夹g(shù)》課程內(nèi)容的原理部分比較難以掌握，采用MATLAB的教學方式不是完全摒棄原理介紹，而是借助仿真工具促進學生對原理內(nèi)容的理解。所以在教學過程中，原理分析仍然是教學的重心，加強學生對基本電力電子電路原理的理解和掌握。

(2)MATLAB仿真。教學過程中增加MATLAB仿真環(huán)節(jié)可以極大地提高教學效果，讓學生能夠理解波形變化過程和相關(guān)變量的內(nèi)部聯(lián)系，進一步理解原理概念，鞏固和提升原理分析能力。MATLAB仿真手段可以拓展教學空間，將必須去實驗室完成的驗證性實驗在基礎(chǔ)教學階段就可以完成，這就極大地提高了學生的參與感，從而提高學生的學習積極性。

(3)實驗操作。理論教學環(huán)節(jié)完成之后，可以組織學生去實驗室完成實驗，提高學生的感性認識，將仿真的過程在實體電路進行實現(xiàn)。實驗操作不僅可以在基礎(chǔ)教學階段起到對比作用，在綜合和拓展階段也能起到驗證和實現(xiàn)作用，進一步提升學生的實踐動手能力、理論用于實踐的應(yīng)用能力，增強學生的創(chuàng)新性和自信心。

(4)分析對比。通過仿真環(huán)節(jié)和實驗操作，學生會對仿真和實體實驗之間的區(qū)別和聯(lián)系有所感悟，可以幫助學生建立起工程設(shè)計和分析能力。

通過教學過程實施的四個階段，讓學生從原理上了解《電力電子技術(shù)》的內(nèi)涵；從仿真+實體實驗環(huán)節(jié)了解工程設(shè)計流程，建立工程意識；從分析對比環(huán)節(jié)建立反思能力，逐步提高學生各方面的綜合能力。

3.2 MATLAB仿真實驗提升過程

為了改善學生在實際工作中的實踐能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維，使用MATLAB仿真教學采用了三步走的方法，如圖2所示。

圖2 仿真教學三步走

(1)驗證性實驗[3,4]。驗證性實驗是教學內(nèi)容中獨立模塊的基礎(chǔ)實驗。具有知識內(nèi)容相對獨立，實驗過程較為簡單的特點。設(shè)置驗證性實驗的是為了在教學過程中加深學生對基本理論、基本原理的理解。掌握MATLAB仿真軟件的使用，有助于提升學生對基本知識的掌握，幫助學生掌握基礎(chǔ)操作。

(2)綜合性實驗。綜合性實驗是在學生掌握課程的部分相關(guān)章節(jié)或者《電力電子技術(shù)》課程之后，具有一定的整體性知識框架和基本實踐能力的基礎(chǔ)上，在教師指導下能夠利用綜合知識完成的復合性實驗。MATLAB綜合性實驗解決了教學過程中實驗器材匱乏等問題，同時可以避免實際操作實驗的危險性，提升了學生解決實際問題的能力。這部分實驗只對學習能力相對較高的學生作要求，或者在課內(nèi)課程設(shè)計環(huán)節(jié)時才要求完成。通過MATLAB綜合性實驗的設(shè)置能夠有效地開展分層教學。

(3)拓展性實驗。拓展性實驗是在學生學習完《電力電子技術(shù)》課程之后，結(jié)合實際項目需求，設(shè)計制作完成的創(chuàng)新性實驗。拓展性實驗對學生要求較高，需要學生結(jié)合電路原理、電子技術(shù)、單片機課程、自動控制原理等多門課程綜合完成。拓展性實驗強調(diào)團隊合作，能夠提高學生們的創(chuàng)新意識和自主能力，一般由3人一組完成，這類實驗只在畢業(yè)設(shè)計時要求或者社團活動中完成。社團學生通過拓展性實驗的磨練，提高了實際動手能力，能夠有信心和能力參加相關(guān)的技能競賽的目的。教學經(jīng)驗表明參加過拓展實驗項目的社團學生在技能比賽中都能取得不俗的成績。MATLAB拓展性實驗的設(shè)計還能夠有效地促進學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。

3.3 MATLAB的典型應(yīng)用

基于MATLAB的仿真實驗的流程如圖3所示。第一步，在MATLAB中的創(chuàng)建一個SIMULINK工程，并在SIMULINK中進行電路設(shè)計；第二步，按照功能需求完成原件的參數(shù)設(shè)置，并完成仿真特性設(shè)置；第三步，運行仿真，并查看結(jié)果。如果結(jié)果和預期一致，則記錄結(jié)果，仿真結(jié)束，如果結(jié)果和預期不一致則返回到第二步修改參數(shù)。

圖3 MATLAB仿真流程圖

本文以三相整流電路教學內(nèi)容為例，討論基于MATLAB的仿真教學過程。

3.3.1 建立模型

依據(jù)三相橋式全控整流電路原理，繪制MATLAB的仿真電路，如圖4所示。本次仿真實驗中的三相橋式整流電路由三相對稱正序交流電源、晶閘管、觸發(fā)電路和阻感性負載組成。利用該仿真模型分析三相橋式全控整流電路在不同控制角α時的電源電流波形、流過晶閘管電路波形、阻感性負載輸出電壓和電流波形，并通過MATLAB仿真軟件中的FFT模塊分析諧波情況[5]。

圖4 三相橋式全控整流電路MATLAB仿真圖

3.3.2 參數(shù)設(shè)置

三相橋式全控整流電路參數(shù)如表1所示。

表1 三相橋式全控整流電路參數(shù)

仿真參數(shù)選擇ote23tb，相對誤差選擇1e-3，起始時間為0 s，終止時間為0.08 s，分析控制角α分別為30度，60度和90度的仿真波形。

3.3.3 仿真分析

通過MATLAB仿真軟件對圖1仿真模型進行仿真實驗，得出不同控制角α下的各參數(shù)輸出如圖5～7所示。

圖5 控制角α=30度的仿真輸出

圖6 控制角α=60度的仿真輸出

圖7 控制角α=90度的仿真輸出

通過MATLAB仿真能比較直觀的對比控制角α的變化產(chǎn)生的影響，在教學過程中使用MATLAB仿真教學能較好地記錄變化過程，使用對比教學法可以極大地加深學生的學習效果[6]。理論和實踐表明使用MATLAB仿真教學，學生的學習興趣有了較大地提高，對電力電子技術(shù)課程關(guān)于能量變化的理解也有了長足的進步。

3.3.4 諧波分析

利用MATLAB仿真軟件中Power GUI中的FFT Analysis可以完成傅立葉分析。三相橋式全控整流電路帶阻感性負載時，其交流側(cè)電流含有基波和(6 k±1)次諧波。圖8所示的輸出的FFT分析可以看到在控制角α=30度的傅立葉分析波形，其仿真波形與原理分析符合。

圖8 FFT Analysis圖

4 結(jié)束語

電力電子技術(shù)課程的仿真教學模式，不僅可以提高學生對原理的掌握和理解，解決學生無法隨時實驗的困難，還可以提高學生的學習積極性，提升學生的實際操作能力、項目設(shè)計能力。通過MATLAB仿真實驗的三步走，提高教學受眾的覆蓋面，既滿足日常教學需求，也能達到挑選人才分層培養(yǎng)、滿足企業(yè)對有較高能力的創(chuàng)新型人才的需求。