Matlab仿真在“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)中的應(yīng)用

李 瑾，王 翠

(南昌工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

“電力電子技術(shù)”課程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課[1]，也是專(zhuān)業(yè)核心課程，該課程的綜合性、應(yīng)用性、實(shí)踐性都很強(qiáng)，原來(lái)4個(gè)學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)已不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從2020年開(kāi)始執(zhí)行的新版課程教學(xué)大綱中，“電力電子技術(shù)”課程由原來(lái)的理論44學(xué)時(shí)調(diào)整為40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)由原來(lái)4個(gè)學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)調(diào)整為8個(gè)學(xué)時(shí)的獨(dú)立設(shè)課的“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課，目的就是加強(qiáng)師生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)放在與理論教學(xué)同樣重要的位置。

由于疫情原因，學(xué)生無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室里完成“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程中的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這就需要學(xué)生在線(xiàn)利用Matlab 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到教學(xué)目的。本文以“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，給出了仿真實(shí)驗(yàn)電路模型和仿真輸出波形。

1 Matlab/Simulink簡(jiǎn)介

美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的Matlab軟件是基于一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及系統(tǒng)建模和仿真等的功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件[2]。Simulink是Matlab仿真工具之一，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析。Simulink提供了許多功能模塊，建模時(shí)用鼠標(biāo)拖曳所需的功能模塊并連接起來(lái)即可，操作簡(jiǎn)單方便[3]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和基本方法

“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程共安排了四個(gè)實(shí)驗(yàn)：1)SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性實(shí)驗(yàn)；2)單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)；3)單相橋式半控整流電路實(shí)驗(yàn)；4)直流斬波電路實(shí)驗(yàn)。自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的大三學(xué)生大部分沒(méi)有接觸過(guò)Matlab軟件，因此上學(xué)期開(kāi)學(xué)初就要求每個(gè)同學(xué)在電腦上安裝好Matlab 軟件，將文獻(xiàn)[4]作為實(shí)驗(yàn)課教材并將教材電子版和實(shí)驗(yàn)課時(shí)間安排表上傳到課程學(xué)習(xí)QQ群，讓學(xué)生自己在電腦上根據(jù)教材第一章對(duì)照練習(xí)Simulink的基本操作并且熟悉Matlab軟件中的電力系統(tǒng)(PowerSystem)工具箱的使用方法，PowerSystem工具箱里面有電力電子器件模塊、電源模塊、測(cè)量模塊和連接器模塊等模塊庫(kù)，用它們搭建起實(shí)驗(yàn)電路后可觀察并記錄電路的輸出波形，還能清楚地看到當(dāng)電路參數(shù)變化時(shí)對(duì)輸出波形的影響[5]。另外在實(shí)驗(yàn)課的前一周預(yù)習(xí)“電力電子技術(shù)”理論課上學(xué)過(guò)的相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，搞懂實(shí)驗(yàn)原理。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在騰訊課堂進(jìn)行，教師用分享屏幕的方式演示如何進(jìn)入Simulink新建文檔，以及在PowerSystem工具箱里不同的模塊庫(kù)中找到所需的模塊，再用鼠標(biāo)拖動(dòng)這些模塊到文檔區(qū)，連接之后設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，搭建起仿真實(shí)驗(yàn)電路，單擊“start”命令進(jìn)行仿真，最后雙擊示波器就可觀察電路的輸出波形，也可以通過(guò)改變電路參數(shù)設(shè)置觀察到輸出波形的相應(yīng)變化。演示結(jié)束后學(xué)生自行在電腦上用Matlab 軟件搭建仿真電路模型，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)輸出波形。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，如由于使用的Matlab軟件版本不一致有些仿真模塊找不到，或者仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ê煤蠓抡孢^(guò)程報(bào)錯(cuò)無(wú)法運(yùn)行等，學(xué)生都可以在QQ上向老師提問(wèn)，若得到的波形與理論不符也可將所得波形在QQ上發(fā)給老師，由老師幫助查找出問(wèn)題(如參數(shù)設(shè)置不對(duì)、接線(xiàn)錯(cuò)誤等)，直到得出正確的輸出波形。

3 仿真實(shí)例

2.1 單相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)

圖1為單相半波可控整流電路仿真模型。

圖1 單相半波可控整流電路仿真模型

帶純阻性負(fù)載R=1 Ω，控制角α=0°和α=45°時(shí)由圖1中示波器得到的兩組波形分別如圖2和圖3所示。

圖2 R=1 Ω, L=0 H，控制角α=0°時(shí)的仿真波形

圖3 R=1 Ω, L=0 H，控制角α=45°時(shí)的仿真波形

帶阻感負(fù)載R=1 Ω，L=0.01 H，控制角α=0°和α=45°時(shí)由圖1中示波器得到的兩組波形分別如圖4和圖5所示。

圖4 R=1 Ω, L=0.01 H，控制角α=0°時(shí)的仿真波形

圖5 R=1 Ω, L=0.01 H，控制角α=45°時(shí)的仿真波形

2.2 直流斬波電路實(shí)驗(yàn)

圖6是降壓斬波電路仿真模型，其中直流電源電壓為100 V，R=1Ω，L=0.001 H，C=0.7 uF，脈沖發(fā)生器模塊的振幅設(shè)置為1 V，周期為0.001 s，脈沖寬度為50%和80%時(shí)由圖6中示波器得到的仿真波形分別如圖7和圖8所示。

圖6 降壓斬波電路仿真模型

圖7 降壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度50%)

圖8 降壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度80%)

圖9是升壓斬波電路仿真模型，其中直流電源電壓為100 V，R=10 Ω，L=0.001 H，C=1 uF，脈沖發(fā)生器模塊的振幅和周期設(shè)置不變，脈沖寬度為20%和60%時(shí)由圖9中示波器得到的仿真波形分別如圖10和圖11所示。

圖9 升壓斬波電路仿真模型

圖10 升壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度20%)

圖11 升壓斬波電路仿真波形(脈沖寬度60%)

4 結(jié)語(yǔ)

將Matlab仿真軟件引入教學(xué)，教師在“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課上對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹和操作演示之后由學(xué)生自行進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間、空間和物質(zhì)條件的限制驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)的正確性，不僅可有效強(qiáng)化對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，仿真實(shí)驗(yàn)的成功還會(huì)使學(xué)生有很大的成就感，提高他們的學(xué)習(xí)興趣[6]。另外，實(shí)驗(yàn)室普通示波器只能同時(shí)觀察多路信號(hào)，而通過(guò)仿真可同時(shí)觀察多路波形，且當(dāng)修改電路參數(shù)還有模擬開(kāi)路、短路或脈沖丟失等故障時(shí)都可直觀地觀察到工作電路性能的改變和輸出波形的變化，這樣便于比較還能加深學(xué)生的印象，對(duì)培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)新能力也大有好處。

有了Matlab仿真軟件，以后的“電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課教學(xué)都可“虛實(shí)結(jié)合”，即在做實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前，要求學(xué)生先按自己設(shè)計(jì)的仿真模型在電腦上完成Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)成功的學(xué)生再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)施已經(jīng)通過(guò)仿真驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方案。這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案不僅可提高實(shí)驗(yàn)效率，大大降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞程度，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也會(huì)得到明顯提高。