Matlab仿真在电力电子技术应用型人才培养中的应用

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　　摘要：针对“电力电子技术”课程理论性较强，学生感觉抽象，理解起来难度大，将Matlab软件引入课程教学过程，对电力电子典型电路建立仿真模型，开展计算机辅助教学，观察仿真及实验现象，使教学过程更直观性和高效性。
　　关键词：电力电子技术；Matlab仿真；教学改革；应用型人才
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）33-0059-02
　　一、引言
　　“电力电子技术”是工科院校电气类级自动化专业的一门核心专业必修课，它集电子、电力和控制技术于一体，具有非常强的理论性、应用性和实践性。传统课堂教学直观性不强、效率低、学生理解不够深刻、实践及应用能力差等问题。应用型院校的电力电子技术人才培养涉及领域广，应用产品种类多，使用领域广。在教学过程中需要培养学生综合技能，地方高校实验实训设备有限，需要探索新的教学方法。
　　二、教学改革思路
　　1.电力电子仿真技术。采用Matlab中Simulink仿真软件为理论实验平台辅助的教学，将复杂的分析过程通过波形图形式直观地展现在学生的面前，仿真软件Matlab/Simulink软件被广泛应用于电力电子技术辅助教学中。Simulink是Matlab最重要的组件之一，功能模块包括动态系统建模与仿真，结构和流程清晰，仿真精细，灵活，效率高等优点，可构造出复杂的仿真系统。工具箱中提供了电力电子器件、电机、电气传动、电路、电力系统等常用元件和系统的仿真模型。提供典型的电源模块、电力器件模块、电机控制和检测模块及应用模块。选择这些模块开展电力电子器件应用、主电路与驱动电路系统、电力与电力传动系统等仿真，电气系统仿真结果通过直观的图形方式描述，能够简化编程工作，是进行电力电子技术辅助教学建模和仿真的先进工具。
　　2.仿真辅助教学的必要性。Matlab/Simulink仿真调试和设计灵活，最大限度地发挥创新思维，开阔学生视野，增强就业竞争力，利用虚拟仿真教学资源实现更高水平的“教、学、做”一体化。电力电子技术实验教学作为培养大学生应用能力和创新意识的关键教学环节，应该把提高综合素质作为重点。传统的电力电子技术实验课程基本是验证性实验，学生做实验兴趣不高。一些创新和综合性实验，研究点能够结合当今产业发展，如电动汽车、新能源发电、柔性交流输电、变频调速控制等。这些具有一定的创新性和前瞻性实验项目，受到实验设备的局限性，无法完成。探索以Matlab仿真技术应用到电力电子实验验证及综合设计实验教学中，弥补模拟实验装置的不足，将仿真实验教学作为传统实践教学的有益补充，观察电力电子电路的动态响应和稳态响应，从而改变实验台实验教学过程对创新实验的制约，培养学生创造性思维和创新能力。
　　三、仿真教学过程实例分析
　　《电力电子技术》教学内容中三相桥式全控整流电路在工业生产中具有重要地位，是电力电子技术课程的重点内容。仿真辅助教学过程，首先让学生理解工作原理，掌握电路结构，再针对不同负载情况学会波形分析及参数定量计算。
　　1.三相桥式全控整流电路结构。三相桥式全控整流电路的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）阴极连接在一起称为共阴极组；的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）阳极连接在一起称为共阳极组。共阴极组中的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5与a，b，c三相电源相接，共阳极组中的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2与a，b，c三相电源相接。晶闸管的导通逻辑顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，晶闸管触发脉冲相位间隔60度。三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的整流电路，具有功率大、直流脉动小等优点。该电路中包含六个晶闸管元件，采用Matlab仿真软件搭建三相桥式全控整流电路原理图，三相桥式全控整流电路原理图和仿真图，要求学生掌握触发六个晶闸管器件的逻辑关系。
　　2.纯电阻性负载分析。纯电阻负载时，各自然换相点既是相电压交点，同时也是线电压交点。当α≤60°时，ud波形均连续，对于纯电阻负载，id波形与ud波形形状是一样的，也是连续的。α=0°时，ud为线电压在正半周的包络线；α=30°时，晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成ud的每一段线电压因此推迟30°，ud平均值降低，三相桥式全控整流电路纯电阻负载α=30°和α=60°时波形图。α=60°时，ud波形中每段线电压波形继续向后移，ud平均值继续降低。α=60°时ud出现了为零的点；当α=60°时，因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个晶闸管同时导通，不能为同一相的晶闸管，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组各1个。
　　启动Matlab仿真软件，进入Simulation后新建一个仿真模型的新文件，布置好各元器件。电源参数设置：电压设置为380V，频率设为50Hz。要注意初相角的设置，a相的电压源设为0，b相的电压源设为-120，c相的电压源设为-240；负载参数设置：电阻设为1，电感为0，电容无穷大inf。模型仿真设置好后，即可开始仿真。选择算法为ode23tb，stop time设为0.1，点击开始控件，仿真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结果。三相桥式全控整流电路带电阻负载α=30°和α=60°触发角时仿真结果波形图。
　　四、本科應用型电力电子技术教学改革
　　工科院校培养大学生创新实践能力是一项重要的任务，在对学生进行专业教育的过程中，实践创新能力的培养包括创新意识、创新精神、创新能力的培养。实验教学是培养学生动手能力的最基本途径，引导学生在实验中发现问题，分析解决问题的方法[1-2]。
　　1.创新能力培养教学方式改革。科学分析企业需求及学生特征，在组织教学内容时结合应用型人才培养学习特点、本专业最新技术、一线工程案例和企业需求，借助虚拟仿真技术构建接近现实工作场景的教学情境。通过与企业密切合作改革教学活动，探索出虚拟仿真教学在专业课程中的应用。在课程改革过程中，开发出适合仿真教学及实验实训教学软件，虚拟仿真辅助教学具有较强的扩展性和较大的开放性，提供更真实的工作场景有助于学生技能的掌握，也是对实训条件的极大改善，校企合作，共建更高水平的实验、实训基地[3-4]。
　　2.教学方式改革拟解决的关键问题。根据实际的电路在仿真软件上搭建仿真模型，从功能设计到电路仿真及数据分析等都可以在课堂上完成，仿真软件中更换器件和电路要比实际设备上更换容易得多，只需要在软件中更改元件的参数即可实现。仿真软件提供的界面和各种工具，能够观察到各个环节不同物理参数的仿真结果，教学效果好。高等教育信息化建设，虚拟仿真技术辅助教学是的重要内容，是专业技术与信息技术深度融合的产物。将项目驱动教学与虚拟仿真教学紧密结合起来，实现了“教、学、做”一体化，提高教学效果的同时减少了设备消耗，节省了实验经费。
　　3.应用型电力电子技术教学措施。电力电子实践教学独立成一门必修课程，从根本上重视实践环节，加强实践教学，单独考核取得学分。电力电子技术课程设计给定的真实任务，提出设计方案，以仿真和实验的形式验证设计的正确性。计算机仿真可以让学生通过仿真波形，加强对电路各个模态之间转换的理解，也可以解决实验教学中实验箱挂件结构不透明问题。
　　五、结束语
　　电力电子技术教学中引入了仿真技术，促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。以计算机仿真辅助教学的复合型教学模式，提高学生学习兴趣，增强自主学习能力，不仅提高教学效率，学生的一些创新想法可以通过仿真来验证，使得更为深入理解电力电子技术课程的学习内容，教学效果好。电力电子技术教学模式的深入改革，对电力电子技术课程设计、开放性实验和创新实验、毕业设计工作开展是非常有益的，对培养学生的创新能力有重大意义。
　　参考文献：
　　[1]荣军，万军华，陈曦，等.计算机仿真技术在电力电子技术课堂教学难点中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（8）：103-105.
　　[2]陈杰金，郭稳涛.基于MATLAB的“电力电子技术”课程仿真教学研究[J].课程教育研究，2015，（20）：29-30.
　　[3]王英男，朱凤武，胡俊海.《电力电子技术》课程教学方法探讨[J].教育教学论坛，2014，（15）：86-87.
　　[4]曹勇，吴峰.电力电子技术复合型教学探索与实践[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2015，17（2）：129-140.
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