基于Matlab的“电力电子技术”课堂教学

董冀媛， 董 洁， 王尚君， 李 擎

(北京科技大学 自动化学院， 北京 100083)

基于Matlab的“电力电子技术”课堂教学

董冀媛， 董 洁， 王尚君， 李 擎

(北京科技大学 自动化学院， 北京 100083)

本文比较了传统教学模式和基于Matlab/Simulink仿真的教学模式在课堂教学中的作用，以三相桥式整流电路为例演示了课堂讲授与仿真演示的结合方式，提出了适合于“电力电子技术”课程教学的新型教学模式，阐明了使用仿真软件辅助教学应遵循的一般原则和教学方法。

电力电子技术; 教学模式; Matlab/Simulink

0 引言

电力电子技术是利用电力电子器件组成电力变换电路以实现电能的变换和控制的技术，是横跨电子技术、控制和电气工程等多个领域的新兴交叉技术。“电力电子技术”课程已成为高等院校电气工程与自动化类本科专业重要的专业基础课之一，在培养电气工程、自动化专业人才过程中具有十分重要的地位[1]。

“电力电子技术”课程涉及的电路多，波形多，易混淆，一直被学生认为是电类专业课中最难学的课程之一。传统的板书教学和多媒体教学方式仅通过演示几种典型的波形已不能有效地调动学生的学习积极性。目前在“电力电子技术”课程教学过程中，将仿真软件与课堂理论教学和实践教学相结合是改善教学效果的有效途径之一。许多教师在这方面做了有益的探索。文献[2]提出了一种基于仿真平台的“电力电子技术”教学与实践的教学模式，详细介绍了如何利用Matlab /Simulink仿真软件开展理论课程和实验课程教学。文献[3]结合教学实践，以交直交变频电路为例探索了“电力电子技术”课程教学中开展 Matlab 仿真训练的方法。文献[4]借鉴CDIO模式中产品设计的教育理念，提出借助变流器设计的题目，引导学生运用 Matlab 软件完成项目的方案设计、仿真分析等全部工作流程。

这些宝贵的实践经验表明，仿真软件的合理运用可以激发学生学习的主体意识，并提供了多个仿真设计题目和应用范例。然而，这些设计题目往往是综合性的，需要学生完成一章或多章变换电路的学习之后，在课外完成。通常肯花费时间的学生也是课上吸收较好的学生。如果课堂教学环节学生没有激发起学生的学习兴趣，那么独立完成仿真作业的积极性就会大打折扣，抄袭现象就不可避免。因此课堂教学仍是提高学生学习主动性的关键环节。仿真软件如何在课堂教学过程中发挥作用，怎样根据教学内容将仿真软件与板书和多媒体手段结合充分激发学生的学习兴趣，是值得进一步思考和研究的。笔者结合自身的教学实践，以整流电路教学为例探讨传统教学方法和仿真软件相互结合的方式，为仿真软件在“电力电子技术”课堂教学中的运用提供借鉴。

1 传统教学方法的作用

对于整流电路的拓扑结构、分析电路的工作过程等教学内容，传统的教学方法不可或缺。教师借助多媒体课件可以清晰快速地将电路结构呈现给学生，借助板书可以控制讲课的节奏，留给学生视觉消化和记忆的时间，并能够实现与学生的课堂互动[5]。比如讲授桥式整流电路时，电路的基本结构、电路输出电压、电流、晶闸管承受的电压等物理量的波形分析都要通过课堂讲授完成。当负载由电阻负载变为阻感负载时，阻感负载的特点和各物理量的工作波形的分析也是以教师的讲解为主导的。讲懂基本原理对于激发学生学习兴趣是十分必要的。当学生明白了基本原理之后，电路参数发生变化时工作情况的分析就可以由教师引导学生参与分析，充分发挥学生的主动性了。如果直接让学生利用Matlab完成仿真来体会工作原理，对于初学该课程的大多数学生来说，不仅没有节省时间，反而因为没有头绪而浪费时间，因此，对于基本概念、基本原理的讲解，传统的教学方式不能缺失。

2 Matlab在课堂教学的作用

Matlab所提供的 Simulink 仿真环境具有建模资源丰富、设计过程简单、输出形式多元和感受直观深刻等优点[5]。Matlab /Simulink包含了专用于电力系统和电力电子电路建模仿真的 SimPower systems 模块库,具体包括电源( Electrical resources)、元件(Elements)、连接器( Connectors )、电机(Machines)、测量仪表( Measurements)、电力电子器件(Power electronics)等功能子模块集。教师在讲解完电路的基本结构和工作原理之后，如果能够利用Simulink搭建电路模型加以仿真，让学生通过观察电路各物理点的工作波形验证教授的内容，学生的学习兴趣和自信将会大大激发出来。尤其是改变电路参数，让学生观察电路各物理点的工作波形的变化，学生会对电路整体有深入的感知和体会，必然加深对工作原理的理解，比如相控整流电路触发角的变化引起的输出电压、电流波形的变化，阻感负载下输出电压和电流的变化。此外，教材分析的工作波形都是进入稳态之后的波形，而仿真结果展示的是从零时刻开始的由暂态进入稳态的全部过程，可以促使学生对电路的工作过程有全面的认识，加深对物理过程的理解。同时电感等元件取值对波形的影响也可以通过仿真让学生有感性认识，这为将来设计整流电路时选取元器件参数做了很好的经验积累。总之，课堂教学重要的是讲解基本的电路结构和工作原理，在讲解原理之后增加Simulink搭建的验证理论的教学环节可以有效激发学生的学习主动性，改善学习效果。

在开始学习“电力电子技术”这门课时，学生需要对SimPower systems 模块库有一个熟悉的过程。课堂上，教师可以在讲完一个电路拓扑之后，给学生演示使用Simulink/SimPower systems搭建电路模型的过程，从电力电子器件的选取、电路结构的构建、电路元件参数的设置，包括电压源有效值、负载、元件参数的设置等。之后要让学生自己依照步骤独立完成一次。通常情况下学生会因为某些环节的理解疏忽，并不能一次做对，需要反复检查每一个环节的设置情况，这个反复修改的过程是学生深入理解整流电路工作原理的过程。随着课程的进行，学生对Simulink搭建电路模型的过程已经熟练掌握，对于新的整流电路，教师就可以更加自由地组织课堂教学的形式，可以先讲授、再验证，也可以先提出问题，让学生自己先仿真，再分析讨论。总之，将学生的自主学习的积极性激发出来，课堂教学的效果就会水到渠成。

仿真项目最好由小到大，循序渐进。仿真不是以难以偏为目的，而是以帮助学生建立基本概念、理解工作原理、掌握基本分析方法为目的。教师备课时要精心设计仿真环节，最好从小处着手，以点带面。比如，单相半波整流电路虽然结构简单，但是却包含了整套相控整流电路的基本概念和分析方法。建议教师可以先从单相半波整流电路的仿真入手，引导学生掌握利用Simulink/SimPower systems模块库完成仿真验证的过程。而后，单相桥式整流电路、三相桥式整流电路的仿真便可以结合课后的习题，通过理论计算与仿真结果的比较，加深学生的理解。

3 教学案例

三相桥式整流电路波形图复杂，是相控整流电路的难点[6]。在讲解三相桥式电路的工作原理之后，结合课后的作业布置仿真任务，引导学生进入自主学习的环境是十分必要的。举例如下：三相桥式全控整流电路变压器二次侧电压U2=100 V，带电阻电感负载，R=5 Ω，L值极大，当α=60°时，要求：①画出ud,id,iVT1的波形;②计算Ud,Id,IdVT和IVT。这道题本来是要求学生理论计算的，现在要求使用Simulink仿真，并与理论计算的值比较。理论计算的过程此处略去，本文就仿真过程的几个重要环节予以说明。图1所示为使用Simulink搭建的三相桥式整流电路的仿真模型[7]。

图1 三相桥式整流电路仿真模型

依据电路图画出这样的仿真模型并不困难，但是仿真得出输出波形却需要费点心思。难点在于参数的设置环节上，可以考察学生对物理量的理解是否深刻正确。图2所示为三相电压源B相电源的参数设置。第一项是峰值，题目给出的是有效值，须转换成峰值141.4 V。第二项是电压的初始相位。如果A相的相电压的初始相位设置为30°，B相则滞后120°设置为-90°，C相则滞后B相120°设置为-210°。

图2 B相电源参数设置

三相半波和桥式整流电路触发角的零点是所对应的相电压30°的时刻，这一时刻是晶闸管开始承受正向压降的起始点。三相电压源如图1所示的设置情况下，晶闸管触发角的初始时刻就可以设置在原点。VT1的触发脉冲设置的参数如图3所示。脉冲类型选择为“基于时间的”。由于相位延迟的单位是秒，需要把触发角转换为时间。题目中触发角为60°，相电压的周期为0.02秒，则VT1的触发角60°所对应的时间为(60/360)×0.02=0.00333秒，所以相位延迟设置为0.00333秒。六个晶闸管触发角之间依次相差60°，则VT2的触发脉冲的相位延迟为(120/360)×0.02=0.00667秒，VT3为(180/360)×0.02=0.01秒，VT4为(240/360)×0.02=0.01333秒，VT5为0.01667秒，VT6为0.02秒。

图3 VT1触发脉冲的设置

值得注意的是如果在相位延迟参数这一项直接填入触发角60度，则仿真结果会出现错误。因为三相整流电路中的晶闸管承受的电压是线电压，所以开始承受正向电压的时刻是线电压过零的时刻，所对应的是相电压30°的地方。经过这样的仿真，借助于一道习题，学生对三相整流电路的触发角与相电压的关系有了深刻的认识，对于触发角零点的确定方法也有了深入的理解，以后遇到含有晶闸管的电路，就可以依据晶闸管开始承受正向压降的时刻确定触发角的零点。例如，交流变换中的单相交流调压电路晶闸管承受正压的时刻是交流电压过零的时刻，三相交流调压电路晶闸管承受正压的时刻也是相电压过零的时刻，因此交流调压电路的触发角的零点就是相电压过零的点。这样，即使是同样的正弦交流电压，触发角的零点时刻却不尽相同，但是只要深入理解晶闸管开始承受正向电压的时刻作为触发角的零点这一基本概念，则学生就会自行确定触发角，而不至于混淆。

图4是负载的参数设置。电阻如题目要求设置为5 Ω。负载中没有电容，所以RLC串联时电容设为无穷小。电感需要使用一个具体的数来表征无穷大，这时可以建议学生多试几个数值，例如分别取0.1 H、0.2 H、0.5 H、0.8 H时观察电流的曲线，电流达到稳态的时间变长还是变短？稳态之后负载电流的波动随着电感值的增大会怎样变化？经历这样一个仿真实验的过程之后，学生对感性负载的物理性质会有更加具体的理解，从而为后续电路的学习打下坚实的基础。

图4 负载参数的设置

图5是仿真波形图，与理论计算的结果相吻合。学生通过动手仿真和理论分析计算，验证了所学的知识，掌握了三相桥式整流电路的分析方法。教师还可以将习题扩展，例如考虑某一个晶闸管的触发脉冲丢失，如VT2，分析纯电阻负载和阻感负载下的工作波形。VT2触发脉冲丢失后，C相负半轴的电压不能够经过VT2传递到负载一侧，所以负载电压缺少Uac和Ubc两个线电压的波形。图6所示为晶闸管VT2的脉冲丢失后纯电阻负载时的管压降和负载电压电流的波形。图7为阻感负载下的仿真波形。电感是储能元件，所以负载电压的波形中出现负的部分，电感元件在释放磁能，与纯电阻负载有所区别。通过搭建仿真电路，改变参数，观察仿真结果，学生能够把变换电路的工作原理、波形及数学关系联系起来，有效解决电力电子变换电路波形抽象、电路变换复杂等难点。

图5 三相桥式整流电路的仿真结果

图6 纯电阻负载VT2脉冲丢失的工作波形

图7 阻感负载VT2脉冲丢失的工作波形

4 结语

“电力电子技术”的课堂教学应该围绕提高学生听课效率、激发学习兴趣来寻找传统授课方法与Matlab仿真平台的最优结合点。

(董冀媛等文)

Matlab仿真平台可以方便地更改仿真条件、电路参数、电路结构，使学生可以快速地验证课堂教授的理论内容，激发学生的学习兴趣，降低实验的成本，巩固所学的理论分析的方法，为学生真正动手实验做了良好的铺垫。教师应认真设计仿真的题目，使仿真任务与课堂讲授的知识点紧密配合，遵循由小到大，以点带面，循序渐进的原则，最后再布置综合性仿真任务进一步引导学生认识电力电子技术在工业和日常生活中的广泛应用，形成对这一技术整体的认识。不建议教师直接布置课后综合性的仿真实验，这对于初学者效果有限，应将着眼点放在把知识点做细，仿真任务做细，学生只有真正理解了物理过程，才能把知识点联系起来，完成综合性设计任务并加以创新。

[1] 许春雨.电力电子技术课程的教学与实践[J].北京：电气电子教学学报, 2010,32( 1) : 55-56

[2] 龚建芳.基于Matlab的 “电力电子技术” 教学模式探讨[J].北京：中国电力教育, 2013, 275 (16) :63-65

[3] 唐贤伦,罗萍,严冬.在“电力电子技术”课程教学中展开Matlab仿真训练[J].北京：中国电力教 育,2009,146(10):67-68

[4] 陈宏. 基于Matlab 的电力电子技术课程的教学探索[J].天津：实验室科学,2013,16(1):54-57

[5] 牛天林, 樊波,张强,赵广胜. Matlab /Simulink 仿真在电力电子技术教学中应用[J]. 上海：实验室研究与探索.2015,34(2):84-87

[6]王兆安,刘进军.电力电子技术(第五版) [M]. 北京:机械工业出版社. 2009

[7]裴云庆,卓放,王兆安.电力电子技术学习指导、习题集及仿真[M]. 北京:机械工业出版社. 2012

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，讲师，主要从事电力电子技术的教学和模式识别与故障诊断的研究， E-mail：dongjiyuan@ustb.edu.cn

G642.2

A

1008-0686(2017)02-0139-05