淺談MATLAB在電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

蒲鈺 李崇華 張水琴

（貴州師范大學(xué)，貴州貴陽(yáng) 550025）

1 引言

電力電子技術(shù)是電氣類專業(yè)學(xué)生的一門(mén)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)內(nèi)容主要是對(duì)各種類型的電路以及利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)進(jìn)行分析、研究[1,2]，分析波形和相位貫穿其整個(gè)教學(xué)過(guò)程。作為一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的交叉學(xué)科，其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)就顯得尤為重要，但傳統(tǒng)教學(xué)方式并不能很好地幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)。MATLAB是一款商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體[3]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子及電氣專業(yè)相關(guān)課程的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中。其建模和實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，SIMULINK工具下的元件庫(kù)和模塊庫(kù)基本涵蓋了電力電子課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中可能用到的所有元器件模塊[4]，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也只需根據(jù)實(shí)際研究?jī)?nèi)容搭建一個(gè)完整電路并根據(jù)需要修改相應(yīng)參數(shù)即可。

2 電力電子技術(shù)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的不足

電力電子技術(shù)課程實(shí)踐性較強(qiáng)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜。在傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中，受實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，教學(xué)效果并不理想。主要存在下列問(wèn)題：

2.1 教學(xué)設(shè)備落后、實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣

在電力電子技術(shù)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生需要先用相關(guān)測(cè)量?jī)x器來(lái)測(cè)量元器件以及導(dǎo)線是否完好，然后用導(dǎo)線來(lái)連接好電路，最后調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)和示波器后才能觀察對(duì)應(yīng)波形。而在研究不同負(fù)載和相位時(shí)，又需要更換相對(duì)應(yīng)的元器件。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常繁瑣，落后的設(shè)備不僅導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確還極易被燒壞，影響了教學(xué)效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不完善之間的沖突

在實(shí)踐教學(xué)中，通常教師都會(huì)根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)或?qū)ふ业綄W(xué)術(shù)性較強(qiáng)的完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這類實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生將理論和實(shí)踐建立聯(lián)系，更好地掌握相關(guān)知識(shí)。但眾多學(xué)校由于各種原因并不具備完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和不完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的沖突也導(dǎo)致了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)效果的不理想。

2.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全帶動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新性

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)通常進(jìn)行的是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，只要學(xué)生按照固定步驟操作即可完成實(shí)驗(yàn)。這種教學(xué)方式雖然可以保證多數(shù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，但卻忽略了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和學(xué)生的創(chuàng)造力。

顯而易見(jiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊落后、過(guò)程復(fù)雜，同時(shí)需要觀測(cè)的不同負(fù)載和相位條件下的波形較多，改變參數(shù)的過(guò)程也無(wú)形地增加了實(shí)驗(yàn)難度。為了解決相關(guān)問(wèn)題，實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中亟需一種新型實(shí)驗(yàn)工具。而MATLAB作為一種集卓越計(jì)算能力和建模仿真為一體的軟件，在進(jìn)行電氣類專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)時(shí)恰恰能解決傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問(wèn)題。

3 MATLAB在電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 MATLAB仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)

MATLAB主要具有建模簡(jiǎn)單、界面清晰、易于觀測(cè)等特點(diǎn)[5]，其中的SIMULINK仿真工具，含有多個(gè)電力元器件模塊，可基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。因此，MATLAB現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電氣類專業(yè)多種課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

相較于傳統(tǒng)的連線實(shí)驗(yàn)而言，使用MATLAB仿真軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)優(yōu)勢(shì)明顯。第一，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣的問(wèn)題，MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，可直接改變負(fù)載參數(shù)和相位角來(lái)研究不同條件下的工作情況而無(wú)需更換元器件。第二，針對(duì)教學(xué)設(shè)備的問(wèn)題，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中實(shí)驗(yàn)器材容易燒壞、不太容易購(gòu)買(mǎi)或者購(gòu)買(mǎi)價(jià)格較高。在通過(guò)MATLAB進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)時(shí)，只需在模塊庫(kù)中找到所需的元器件并進(jìn)行連接即可，成本較低且不會(huì)存在設(shè)備燒毀的情況。第三，傳統(tǒng)的實(shí)踐方法，學(xué)生可能為了追求實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)而擅自更改實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如波形）。而采用MATLAB仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，要求學(xué)生上交實(shí)驗(yàn)截圖，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。

將MATLAB引入到實(shí)踐教學(xué)中，讓仿真模擬實(shí)驗(yàn)和抽象的理論知識(shí)有機(jī)結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以向?qū)W生更加直觀地展示。這不僅極大程度地節(jié)省了資金和時(shí)間成本、提高了教學(xué)效率，還充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給了學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的空間。

3.2 MATLAB在電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用建議

3.2.1 將生產(chǎn)實(shí)例和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合教學(xué)

電力電子技術(shù)課程內(nèi)容豐富且抽象，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)很難取得成果，教師可以在日常生活中尋找一些生產(chǎn)實(shí)例來(lái)和實(shí)踐課程進(jìn)行結(jié)合，以增加學(xué)生的熟悉感，提高教學(xué)吸引力。

3.2.2 充分利用網(wǎng)絡(luò)上的教學(xué)資源設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常完善的信息資源庫(kù)，它含有非常多的優(yōu)秀且全面的教學(xué)資源。教師可以在網(wǎng)上下載一些教學(xué)資源來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，以設(shè)計(jì)出創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。

3.2.3 督促學(xué)生熟悉軟件并引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

MATLAB仿真軟件雖然操作簡(jiǎn)單，但還是有一些學(xué)生因?yàn)閷?duì)軟件不熟悉而難以完成實(shí)驗(yàn)。教師要通過(guò)安排課后作業(yè)來(lái)讓學(xué)生熟悉軟件，設(shè)法提高學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)和能力，升華實(shí)踐教學(xué)的意義。

4 MATLAB在電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用示例

通常來(lái)說(shuō)，電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)電路涉及電力電子器件類型眾多，當(dāng)電路中某一個(gè)元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，波形也會(huì)隨之發(fā)生變化，波形變化多樣，所以在使用傳統(tǒng)方式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)時(shí)難度較大；學(xué)生也難以理解，進(jìn)而影響了學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣。而MATLAB仿真軟件可以簡(jiǎn)便直觀地顯示電路圖和波形，方便增減元器件，而且在稍微更改某個(gè)元件參數(shù)時(shí)，也有直接的波形變化，任何點(diǎn)的電壓或電流變化都可以顯示出來(lái)。

本文以“單相半波可控整流電路仿真實(shí)驗(yàn)”為例，電路圖如圖1所示。

圖1 單相半波可控整流電路原理圖

4.1 繪制電路原理圖

啟動(dòng)MATLAB，進(jìn)入SIMULINK后新建一個(gè)文檔模型，在元件庫(kù)中找到相應(yīng)電力電子元器件并移入繪圖面板中；再適當(dāng)排列并連線繪制上述電路圖；最后雙擊各元件模塊，在相應(yīng)對(duì)話框中設(shè)置對(duì)應(yīng)參數(shù)（特別注意：powergui是模型方塊圖的圖形用戶接口，可以幫助創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型）。

4.2 參數(shù)設(shè)置

雙擊各模塊（脈沖發(fā)生器、交流電壓源、RLC負(fù)載模塊、示波器），在參數(shù)設(shè)置框中根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，并設(shè)置好示波器中波形排列方式，以便更好地觀測(cè)分析波形。

4.3 仿真

先單擊工具欄的“啟動(dòng)”按鈕進(jìn)行仿真，再雙擊示波器模塊，得到仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 阻感性負(fù)載（R=2Ω，L=0.01H，C=inf）相位為30°

上述為阻感性負(fù)載的單相半波可控整流電路仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，仿真結(jié)果清晰。若要單獨(dú)研究阻性或感性負(fù)載以及其他相位的工作波形情況，只需更改負(fù)載參數(shù)和相位角即可。通過(guò)對(duì)“單相半波可控整流電路”的仿真，可以看出使用MATLAB中的SIMULINK模塊能夠非常簡(jiǎn)便地搭建電力電子電路并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)示波器可以很好地展示電壓電流波形，方便教師分析電路，還可以讓學(xué)生直觀地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、理解知識(shí)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式下電力電子技術(shù)教學(xué)效果不理想的問(wèn)題，本文從提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力方面論述了將MATLAB應(yīng)用在其實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)應(yīng)用過(guò)程提出了建議。以“單向半波可控整流電路”仿真實(shí)驗(yàn)為例，從操作性層面證明了MATLAB的操作簡(jiǎn)便、仿真效果清晰等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，將MATLAB應(yīng)用到電力電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中對(duì)于提升學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率大有益處。