虛擬仿真技術在電力電子技術課程教學中的應用研究與實踐

王波+鄭鵬飛+李時輝

摘要：在分析了電力電子技術課程教學的現(xiàn)狀后，提出虛擬仿真技術的應用可提高該門課程的教學效果。比較眾多虛擬仿真軟件后，認為Matlab軟件尤為適用于電力電子技術實驗的仿真。最后，以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹了使用Matlab軟件進行模擬仿真的方法和步驟。

關鍵詞：虛擬仿真；Matlab；電力電子技術；實驗實訓

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）02-0134-02

一、引言

電力電子技術是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新興學科，且廣泛應用于工業(yè)、交通、IT、通信、國防以及民用電器、新能源發(fā)電等領域，它的應用領域幾乎涉及國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。

二、電力電子技術課程教學現(xiàn)狀

當前高職院?；径疾扇±碚摻虒W加實踐操作的模式進行電力電子技術課程的教學。首先，講解電力電子器件的工作原理、特性以及使用方法；然后對各種變流電路（包括整流、逆變、斬波和交流變換等）的電路構成、工作原理和波形等進行分析；最后在實驗實訓臺上進行實操、搭建電路、觀察波形等進行驗證。

電力電子技術課程本身屬于電類各專業(yè)課程中較難的課程之一，教學對象又為高職學生，他們理論基礎差，計算能力弱，因此教學重心一定偏向實操。然后，在對電力電子電路進行實驗實訓分析的過程中，由于電力電子器件具有非線性等特點以及電力電子電路的復雜性，造成實驗實訓結果不明顯，單從示波器顯示波形不能很好地檢測電路的正確性。而且電力電子技術的實驗實訓都涉及到220V或者380V的高電壓，具有一定的危險性。往往造成學生實驗實訓項目做得迷迷糊糊，不知道結果是否正確，即使知道錯誤了也很難進行排故，導致學生學習興趣減低，形成惡性循環(huán)。

三、虛擬仿真技術在電力電子技術教學中的應用

虛擬仿真技術是近年來隨著計算機技術迅猛發(fā)展而逐步形成的一類實驗研究的新技術，它在各類專業(yè)各種類型的課程當中被廣泛應用。虛擬仿真技術的優(yōu)點主要有：（1）實驗硬件門檻低，基本不需要專業(yè)的實驗設備，只需要普通計算機即可；（2）實驗過程安全可靠，不涉及高電壓、高電流；（3）實驗過程迅速、結果清晰明顯，能快速地在計算機屏幕上顯示所需要的所有結果，一目了然；（4）糾錯排故簡單，基本的仿真實驗修改只需要在仿真環(huán)境下進行器件或者連接的修改。

鑒于以上優(yōu)點，虛擬仿真技術在電力電子技術課程實驗當中進行應用十分合適，并能有效地提高電力電子技術課程的教學效果。目前，可對電力電子電路及系統(tǒng)進行虛擬仿真的軟件較多，如Matlab、Pspise、Saber以及Multisim等。這些模擬仿真軟件的出現(xiàn)，為電力電子電路及系統(tǒng)的分析提供了方便、有效的手段，大大簡化了電力電子電路及系統(tǒng)的設計和分析過程。其中Matlab軟件由于其Simulink環(huán)境下提供的SimPowerSystems工具箱在電力系統(tǒng)分析、電力電子電路分析中令人滿意的表現(xiàn)、友好的界面和模塊化的形式受到廣大用戶的青睞。

根據(jù)電力電子技術課程教學的要求，結合課程實驗操作內容，我們設計、建立并實現(xiàn)了涵蓋高職教學要求的十五個電力電子技術Matlab仿真項目。下面以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行模擬仿真的方法和步驟。

四、仿真實例

本節(jié)以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行電力電子電路仿真的方法和步驟。直流升壓斬波電路是典型的直流斬波電路之一，它通過電容、電感元件的儲能以及電力電子器件（此處使用IGBT）的通斷控制，使負載上得到比電源電壓高的電壓，其電路原理圖如下所示。

根據(jù)電路原理圖，在Matlab的Simulink中建立直流升壓斬波電路仿真模型，步驟如下：

1.仿真平臺建立。啟動MATLAB，進入MATLAB環(huán)境，點擊工具欄中的Simulink選項，進入所需的仿真環(huán)境，點擊File/New/Model新建一個仿真平臺。

2.模塊提取。在Simulink環(huán)境中拉取所需要的模塊到仿真平臺中，具體做法是點擊左邊的器件分類，電力電子仿真實驗一般只用到Simulink和SimPowerSystems兩個，分別在它們的下拉選項中找到我們所需的模塊，用鼠標左鍵點擊所需的模塊不放，然后直接拉到仿真平臺中。本電路圖所需要的模塊及提取路徑如下表所示。

3.仿真模型建立。將提取的各模塊，按照原理圖布局好位置并進行連線。具體做法是移動鼠標到一個模塊的連接點上，會出現(xiàn)一個“+”字型光標，按住鼠標左鍵不放，一直拉到所要連接的另一個模塊的連接點上，放開左鍵，連線就完成了。本電路圖的仿真模型如下圖所示。

4.參數(shù)設置。參數(shù)設置分為模塊參數(shù)設置和仿真參數(shù)設置。模塊參數(shù)設置如下：直流電壓源的幅值設置為100V。電阻負載設置為1Ω?？刂泼}沖電壓由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，電壓幅值設置為3V，周期設置為0.001S，脈沖寬度比的大小設置可改變輸出負載電壓的大小。IGBT、功率二極管、信號分解器、電感和電容可保持默認設置。示波器根據(jù)需要輸出的波形個數(shù)設置輸入端口數(shù)。仿真參數(shù)設置如下：將開始時間設置為0，終止時間設置為0.01，算法設置為ode23tb。

5.仿真。完成以上步驟后便可以開始仿真，仿真結束后雙擊示波器觀察波形。直流升壓斬波電路在控制脈沖電壓寬度比為80%和40%時的仿真波形如圖3所示，與理論分析值一致。

五、小結

虛擬仿真技術隨著計算機技術的發(fā)展在近些年得到了長足的發(fā)展，越來越多的課程在教學中引入了虛擬仿真技術，它對課程教學效果的提供具有較大的作用。文章在分析教學現(xiàn)狀的基礎上，引入了使用Matlab軟件的虛擬仿真技術，并以直流升壓斬波電路為例，詳細介紹使用Matlab軟件進行電力電子電路仿真的方法和步驟。

參考文獻：

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[2]牛天林，樊波，張強，等.Matlab/Simulink仿真在電力電子技術教學中應用[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）.

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