基于MATLAB的高职《电力电子技术》课程改革探索

叶云洋 蒋燕 陈文明

湖南电气职业技术学院，湖南 湘潭 411101

基于MATLAB的高职《电力电子技术》课程改革探索

叶云洋 蒋燕 陈文明

湖南电气职业技术学院，湖南 湘潭 411101

《电力电子技术》是高职强电类专业中一门实践性较强的专业基础课程，为改善该门课的教学效果和实践条件，本课题组提出了一种基于MATLAB的虚拟实现的设计思想，开发出相应的仿真平台。该仿真软件既可用于教师的课堂教学和实验模拟，又可作为学生自学的辅助工具。

MATLAB；虚拟仿真；电力电子技术；课程改革

作为高职学院，学校的办学定位以工程应用为主导，人才培养目标是为地方工业培养高技能应用型人才。《电力电子技术》是我校自动化、风力发电设备制造与那种、电机与电器三个专业的一门专业核心课，它是一门综合电力电子器件、电力变换、控制技术的多学科互相渗透的综合性技术课程，本课程在我校这几个强电专业中的培养目标是培养学生电力电子器件的应用能力，使学生掌握电力电子电路的设计、制作与调试的基本技能。该课程与实际联系较多，原理比较抽象，传统的教学模式和方法不能适应该课程在高职教育中的发展。为改善教学效果，课程组坚持将学科优势和成果转化为优质的教学资源的思路，开展教学改革，采用现代教育手段进行，加强课件的建设，以充分调动学生学习的积极性，培养学生分析问题和解决问题的能力。

一、课程的研究现状分析

电力电子技术是20世纪后半叶诞生与发展的一门崭新技术,它日新月异的发展,使该门课程处于不断充实、更新之中。目前的电力电子技术教材与前几版相比,大都实现了从以半控的晶闸管电路为主体向以全控型器件电路为主体的转变,这使得该课程内容多,信息量大。但随着教学改革的不断深入以及人才培养计划的调整,专业课程的课时大多被压缩,为达到预期的教学效果,在教学过程中必须有新的教学手段和方法来支持。

随着计算机和信息技术的飞速发展和高等教育规模的不断扩大，建立虚拟实验室已经成为了电力电子技术课程发展的热点和必然趋势，目前，虚拟实验室所采用的仿真软件有Pspice软件、Multisim软件以及MATLAB软件。然而，Pspice软件在电力电子领域由于器件的特殊性和非线性状态下,仿真使用起来不太容易,应用在三相可控整流电路和直流斩波电路中较麻烦，而Multisim软件应用扩展受到限制。而MATLAB软件被认作是进行该项研究、开发的首选软件工具。MATLAB仿真软件自1984年由美国MathWorks公司推向市场以来,经过多年的发展,现已成为国际公认的优秀科技应用软件；在实际的工程应用中，MATLAB也已经被确认为准确、可靠的科学计算仿真软件，基于该软件的系统运行性能好，效益高。

目前，研究将MATLAB引入高职院校学生学习电力电子技术的教学研究较少，只有部分本科院校在他们的教学中使用了这种基于MATLAB软件的电力电子实验教学，并有相关的参考文献，如周渊深教授编写的《电力电子技术与MATLAB仿真》（中国电力出版社出版）。但这些研究都凸现出难度高、专业深、应用性强等特点，不具有普及性。

他们的研究取得了一定的成就，也是本课程改革的一个起点。他们的计算机模拟存在以下问题：零散、操作麻烦、内容不完整、运行不能离开MATLAB环境。为了更高效的利用该软件，不断地有新控制技术和算法出现，致力于建立一套适应高职院校学生学习的电力电子技术实验仿这真系统。

二、课程的改革内容

本课程组所建立的电力电子技术虚拟实验平台是以我校实验室现有的电力电子技术综合实验台(DJDK-1)为原型设计的，通过对原型的提炼和抽象，提出了构建电力电子技术虚拟实验平台的基本要素和建立电力电子技术虚拟实验平台的原则和方法。

构建电力电子技术虚拟实验平台，电力电子电路的计算机仿真方法是它的基础。由于建立电力电子技术虚拟实验室的目的是培养学生对电力电子技术的实际动手能力和感性认识，对于不涉及器件特性的实验，电路中的开关元件则可视为理想开关，并将其作为一个电路元件包含在电路中，这样就可以应用电路分析的一般理论建立起此类电力电子电路的方程。通过拓扑法和改进节点法建立起电路的拓扑结构与电路方程的联系，即通过电网络理论中电路的表矩阵方程，实现电路的图与电路方程的转换，通过软件编程实现从电路的图形化连接到相应电路方程的自动生成。对生成的电路的表矩阵方程，应用Euler法或Runge-Kutta法进行求解，从而得到各支路的电流和电压信息。

电力电子技术仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的电力系统模块环境中。在MATLAB提示符下键入powerlib命令。这个命令将打开simulink窗口。同时展示了电力系统模块工具箱中的不同子模块工具箱。在psb中几乎提供了组成电力系统的所有元件，元件模型丰富，包括：同步机，异步机，变压器，直流机，线性和非线性，有名的和标示值系统的，不同仿真精度的设备模型库，单相，三相的分布和集中参数的传输线，单相，三相断路器及各种电力系统的负荷模型，电力半导体器件库以及控制测量环节，信号显示和模块连接等一般可以在simulink工具箱中找到。“电力电子技术”软件实验系统就是给学生提供一个软件模拟环境, 在MATLAB具有专门的仿真工具和电力系统模块库，运用MATLAB/Simulink对整流、斩波、逆变等几种常见的电力电子电路进行建模和仿真,观测电路波形，设置参数并观察参数变化对电路波形图的影响,分析结果一目了然，从而大大地方便了学生研究器件的工作特性和电路的动态特性。

三、采取的研究方法和技术路线

在电力电子技术教学过程中，各种电路在不同条件下的输出电压、电流波形的测试和分析是核心，因此本虚拟实验系统设计时着重考虑了这一点：一、可以在虚拟实验系统中对具体的实验电路以及电路中的各种参数进行设置，并得出不同的仿真波形；二、具体的实验波形可以通过数字示波器存储，在MATLAB中处理并存储，可供学生调出参考。本虚拟实验系统设计完成后即可挂在实验室服务器上，并通过MATLABWebServer配置服务器，即可实现网内用户登录访问。具体研究方法和技术路线如下：

（一）建立电力电子技术虚拟实验平台的主界面

1、设置系统主界面：用“欢迎进入电力电子技术虚拟实验系统”为一个按钮相应区，只要用户按下鼠标，便出现用户登录界面。如果用户登陆成功，则重新显示主界面，等待用户输入新的命令，否则关闭系统。

2、设置用户管理界面：用户登录到可操作界面后，对用户信息进行管理，也可以选择要进行的实验项目。演示实验是虚拟实验的主要部分之一，它包括了实验内容、原理、意义、注意事项等的讲解、实验电路的计算机仿真、实验结果的实时显示等。利用演示实验环节，教师可以方便、快捷地完成各变换电路各参量的分析，仿真电路是已达建好的，教师在上课时只需点击鼠标就可以完成实验结果的显示，利用鼠标和键盘可以对系统的参数进行修改，能方便地观测到同一系统不同参数对输出结果的影响。

3、设置实验项目界面：操作实验作为虚拟实验室的一个重要组成部分，操作实验为教师、同学提供了一个自己动手，用计算机模拟实验过程、分析实验结果的平台。使用者可以用鼠标拖动微机上的虚拟实验仪器,按照实验要求、组装成为一个完整的实验系统.同时，可以在这个系统上完成整个实验，包括实验参数的改变,数据采集以及实验结果的模拟、分析等等。

（二）典型电路的建模与仿真

电力电子技术虚拟实验系统结合具体的实验设备和实验内容预计设置八个实验项目，分别与教材的相关内容一一对应。在用户登录后，选择实验项目中的实验则会出现相应实验的仿真模型。当然此处还应设一个选择入口，仿真/实验，这样就可以选择是进入仿真系统还是进入实际实验演示系统，这一块将在后续研究工作中加入。

现以一个实验项目为例，演示具体的实验内容。如一个由晶闸管组成的三相全控电路，电路由三相对称电源、晶闸管整流桥、负载、六路出发脉冲、显示以及实验相关信息组成。双击三相电压源模块可以更改电源电压的初始相位、幅值和频率，双击六路出发脉冲模块可以更改出发电路的触发角，双击晶闸管整流桥模块可以更改实验所使用的电力电子器件，双击显示模块可以观看仿真实验的相关波形，此外双击模型的右下角处，就可以获得实验的其他相关信息，本实验的另一部分是有源逆变部分，在实验相关信息中给出了这部分实验仿真设计的建议，学生可以根据提示自己完成这部分的仿真模型的建立、仿真，并对照参照波形来检验所见模型的正确性。

（三）编写虚拟操作系统指导书

完成了典型实验的建模与仿真后,为了方便学生正确使用该系统及自学的需要,本课题组将组织编写实验系统指导书,该书面向高职学生，简单易掌握，突出实践教学内容，采用基于MATLAB软件、面向电气系统原理结构图的图形化仿真技术，系统地针对典型电力变换电路介绍仿真实验。其内容如下：

实训一 单结晶体管触发电路的仿真与实验

实训二 锯齿波同步移相触发电路的仿真与实验

实训三 单相半波可控整流及有源逆变电路的仿真与实验

实训四 单相桥式全控整流及有源逆变电路的仿真与实验

实训五 三相桥式全控整流及有源逆变电路的仿真与实验

实训六 单相、三相交流调压电路的仿真与实验

实训七 直流斩波电路仿的真与仿真与实验

实训八 常用电力电子器件的驱动与保护电路仿真与实验

附录 MATLAB/Simulink/Power System仿真基础

四、项目完成后的经济效益和理论意义

基于 MATLAB 开发的 “电力电子技术”虚拟仿真实验系统，将该系统应用于课堂和实验教学，克服了传统教学中讲解内容抽象、手画图形不准确和不直观、教学内容难以扩展等方面的不足。该系统可以使该课程的课堂教学更加结合工程实际,仿真环节可以为理论教学提高波形演示，提高理论教学效果，能极大地调动学生的学习积极性和探索欲望，提高了学生学习的兴趣，

其次，虚拟仿真系统对实验有良好的指导作用,可以弥补实验和实习环节的不足。在电力电子的实际试验中用的都是功率器件，费用高、费时，危险性大。引入了虚拟实验系统，避免了对仪器、元器件使用不当所造成的损坏,缓解了目前实验课学时较少和实验设备不足的局限。并且学生在课前对实验进行预习，对整个实验的框架、实验元件有一个总体的把握，可减少实验过程中的不当操作，从而减少了实验室的开支。

同时，虚拟实验系统以开放实验室的形式,摆脱了传统实验对仪器设备、元器件的依赖。学生在课后只需要一台电脑就可以自己进行仿真，并且可以方便地改变系统的参数设置，进行分析和思考。这对于加深其课堂所学知识，开阔思路具有重要意义。并可让学生提出自己的思想，设计自己的产品,可充分发挥自己的设计才能，独立完成综合性、设计性实验。同时也为学生以后走上社会工作岗位多提供了一种解决工程问题的科学方法。

[1]黄家善．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社[M].2009

[2]韩唏春.《电力电子技术》课程的教学改革与实践[J].南京：南京工程学院学报.2004（4）：55-58

[3]杨奕．《电力电子技术》课程教学改革初[J].江苏南通：南通大学学报——教育科学版.2006（3）

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.124

叶云洋（1982-） 男.汉族.江西上饶人.湖南电气职业技术学院，讲师，工学硕士.主要研究方向：电力电子技术及应用；

蒋燕（1981-）男.汉族.湖南邵阳人.湖南电气职业技术学院，讲师，工学硕士.主要研究方向：控制理论与控制工程；

陈文明（1978-）男.汉族.湖南永州人.湖南电气职业技术学院，讲师，工学硕士.主要研究方向：风力与发电。.