数字仿真在电力电子实验课中的应用

杨小品

摘 要 本文针对电力电子实验课传统实验方法存在的问题进行分析，说明其存在有不足之处。针对这些不足在课堂上适当引入数字仿真实验加以完善，以二者相结合的方式改进原有教学模式，并通过例证及教学效果说明该方法的可行性和有效性。

关键词 电力电子 实验课 仿真

中图分类号：G424 文献标识码：A

0 引言

实验课在课程教学过程中占很重要的地位，尤其是工科课程，理论分析比较抽象，很难让学生有直观的认识。此时适时加入实验课程不仅锻炼学生的动手能力，而且有利于学生对所学理论课程形成较为完整的认识，以便于对相关知识更深入地理解和掌握。然而在电力电子技术这门课程的实际教学过程中却发现使用传统硬件设备的实验课有诸多局限之处。为了达到更好的教学效果，可采用仿真实验与设备器材实验相结合的方法，力求结合二者优点、消除二者缺点，最大限度地发挥实验课的作用。本方法采用的数字仿真软件为美国MathWorks公司出品的Matlab仿真软件，该软件提供功能比较强大的专业仿真平台，对电力电子电路有足够的处理能力。

1 实验分析

1.1 实验安全性差

电力电子技术是针对电能变换的技术，实验电路有真实的电压电流通过，实验所用元器件要经受高电压大电流，稍有不慎极易引起事故。由于实验中需要采取电能变换的控制策略，而控制策略需要由学生自己整定，调整失误时小则保护装置动作中断实验，大则烧毁器件设备；不仅实验无法完成，还会给实验带来经济损失并给学生带来精神创伤。

数字仿真实验过程为复现实际系统中发生的本质过程，完全为软件计算，没有任何的危险性。

1.2 实验接线复杂，费时费力

实验台如图1中a图所示，采用模块化设计、面板插孔连线。在组合不同的电路时容易连错线，而且由于连接线全部垂在面板前，接完线后不易查线。即使一组实验教师检查查线及指导时间只要五分钟，十五套设备也需七十五分钟，九十分钟的实验课时间根本不够用。如果不查线，学生可能会损坏设备或者做不出相应的结果。而分组过少每组人数多的话，又会导致很多学生无法亲自动手而对实际设备认识不足，对实验现象和结果观察思考不够。

MATLAB里面的simulink部分可以利用模块进行系统模型搭建，其建立过程跟实际接线过程非常相似。图1中b所示即为三相整流桥电路的仿真模型。仿真模型预先编制调试好，课堂直接说明结构并演示结果，然后再去指导学生做设备实验。时间紧张可以少分几组争取能全部指导，这样既锻炼了学生的动手能力，又避免学生做不出实验无法观测实验结果，又可提高学生学习MATLAB的积极性。

a b

图1

1.3 现象观察

在观察实验结果时，有效值可以用电压表电流表直接获得，但是大量需要检测瞬态变化的量需要用示波器跟踪观察。目前所用示波器没有多路检测通道，所用双踪示波器只能观察两路信号，而理论分析时则多是多信号对比分析，因此在检测结果时对比很不直观。

图2 图3 图 4

仿真的图形显示为自定义，可把观察信号单独显示，也可多波形同时显示以利于分析对比。图2中实线为三相桥式整流电路晶闸管承受电压的理论分析结果，图3 中黄色为仿真实验结果其余为参考曲线，图4为传统实验中示波器观测到的信号。由三图对比可以看出，多了图3，从图2到图4的认识和理解就比较容易过渡。

1.4 实验类别少

实验台只能做指定的实验，属于验证性实验，故障情况因其为破坏性在实验中属于禁止情况，所以在实验中根本无法进行。因此在实验设置中不能进行故障情况分析和模拟类的综合性实验。因电力电子实际装置的特殊性，在实验和实际应用中极易损坏，学生在学习过程中体会不到故障情况的危害和现象，用仿真可以把故障情况模拟出来并可在数值上进行分析，使学生对故障有直观的认识。图5为单相半波整流电路中负载和晶闸管电压波形，其中a图为正常情况，b图为脉冲丢失情况。在工程实际中经常用到的故障情况分析在本课程中属于高级能力培养，可进行针对性授课。

图5

1.5 参数不易修改

实验电路中只要器件连接完毕，除了少数参数可调器件，大部分器件参数都不可调。元件参数选取无论是对电路分析还是对以后设备开发时元器件的选取都是至关重要的。某些场合即使原理正确，器件参数选取不当也会导致实验或者设备开发失败。在电子电路中，参数不同，同一电路实现功能就可能不同，比如三相桥式整流电路可工作在整流或者源逆变状态。触发角不同，工作状态就不同，产生的结果和影响也不同。再比如负载类型不同响应也不同，如果在实验中则需频繁更改接线换器材，十分不便。而在仿真中元器件参数可以任意改动，在仿真模型中直接可以修改参数观察现象，由于参数改动而造成的不同结果也均一目了然。图6中abcd图为三相桥式整流电路输出由整流到逆变状态的几个变化过程，参数修改非常简单。而传统实验时由于实际情况所限为防止逆变颠覆在触发角调整上必须十分小心。

图6

尽管仿真实验有诸多优点，其缺点也是显而易见的，那就是没有真实的设备。学生对原理和现象掌握了以后跟工程实际还是有一定的差距，比如元器件的认识、示波器等一些必须设备的使用等。在传统实验过程中学生只是忙于接线，观察波形，记录数据，对于原理和电路构造及参数处理没有深刻的认识。只锻炼了观察能力和动手能力，而思考能力和分析能力都没有得到相应的提高。综合二者优点，用数字仿真软件搭建仿真模型，把仿真实验和器材实验结合起来取长去短，发挥各自的优势。以期更好地提高学生的综合能力。

2 教法设计

根据仿真和真实设备相结合实验的思路，实验课时间分配为：理论讲解十分钟，实验演示十五分钟，仿真对比十五分钟，故障分析五分钟，学生自己做实验四十五分钟。

2.1 演示法

实验演示为实验课必有流程，应根据实验大纲和实验说明书把整个实验完整地做一遍给学生观摩。学生可由此获得比较直观的印象，减少对实验器材的熟悉时间。

2.2 对比法

此处应把理论课程的理论分析结果和仿真实验结果以及实际实验的结果对比，让学生可以从理论到仿真再到工程实际的各种有一个递推的渐进认识，从而对所学知识更容易接受和掌握。

2.3 分析法

分析法主要是针对电力电子的电路故障分析，适用于学习能力强，程度比较好的学生。可作为提高部分有针对性地教学，也可结合理论讲解当作最后的思考题目。

3 效果分析

认识到传统实验的不足之后在实验课上引入了仿真实验，由几个年级的实验课后情况统计表明：对于只做传统实验的班级，可以明显看出该年级学生实验报告只有步骤和部分结果，对实验分析思考很少。在课堂提问和考试上可以看出对知识的掌握程度不够。

对于引入仿真实验后和传统实验共同进行实验的班级，学生对实验兴趣提高了很多，很乐意两种方法对照着去做实验并进行对比分析和思考，在实验报告中也可以看到观察力、理解力和分析能力有了很大的提高，在课堂上提问回答逻辑性和条理性增强了不少，考试的时候答题思路和方法也拓展了很多。

4 结束语

尽管在实验课上引入仿真实验，还是以实验为主，仿真为辅，确立仿真是为传统实验服务的原则。因传统实验跟工程应用紧密联系，仿真模型搭建方便，调试安全，容易完善，可以重复利用，使二者相辅相成后可以把实验课进行得生动有趣又理论深入。通过对三个年级实验课的效果进行对比，可以看出仿真实验在实验课上和传统实验相结合，能取得更好的教学效果。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2008.

[2] 张志涌.MATLAB教程.北京航空航天大学出版社，2012.