基于MATLAB的电力电子技术实验教学改革

韩 涛，肖 波，詹习生，涂 建

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

电力电子技术是高等院校电气类专业的核心课程之一，集电力、电子、控制技术为一体，它是一门跨学科的利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，包括对电压、电流、频率和相位的变换[1]。该课程的突出特征是理论教学和实践教学并重，要求理论必须和操作密切结合，强调技术应用。电力电子技术实验作为学习电力电子技术的一个重要实践环节，可以使学生更好地理解和掌握课程所学知识，较系统地学习电力电子技术的实验技术和方法，进一步熟悉它们在电力电子领域中的应用和发展。但目前地方性应用型本科院校的实验经费有限、实验设备难以满足实验教学的需求。同时电力电子技术实验教学大多数还是采用传统的填鸭式教学模式，即课前实验预习-教师讲解实验原理-教师演示实验-学生完成实验-学生交实验报告。学生基本上是处于被动接受知识和实验结果的学习状态，缺乏主动性和创新性。这不利于新型应用型本科人才的培养，也不利于应对工程教育专业认证的考验。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术已成为辅助教学的热点。因此，对电力电子实验教学进行改革显得十分有必要。

1 实验存在的问题

结合本校的电力电子实验教学现状，目前实验教学存在的问题主要包括以下几个方面：1)实验设备使用年限长，实验设备破旧老化严重，实验设备昂贵，受实验教学经费的影响，实验设备更新很慢；2)学生良莠不齐，存在误操作，导致电力电子器件的损耗性比较大；3)学生在做实验的时候由于设备有限，基本上是几个人一组，有些惰性比较强的学生，基本上是处于玩手机、混实验课的状态，积极性不高；4)由于实验设备老化、实验器件损坏，学生要花很长时间在实验故障排除上，学生的实验效率和成功率比较低，教学效果不好； 5) 现有实验挂箱是模块化、封闭的挂箱，在实验过程中只能按照电路图进行接线，用示波器验证实验结果，学生对于实验的内部结构和电力电子器件了解较少，缺乏创新性；6)电力电子实验过程中既有强电，也有弱电，实验具有一定的危险性，加上学生的安全意识不强、对实验原理理解不够深入，存在安全隐患；7)电力电子实验只能在固定的实验室进行，实验课时有限，对于想进一步提高电力电子实践能力的学生无法满足其要求。

2 教学模式改革

2.1 基于线上线下的混合式教学

电力电子技术是一门理论性和实践性都很强的课程，任何实践都需要理论进行指导，电力电子的实践教学也是这样。因此，要开展好实践教学，首先要重视理论教学，以理论教学为基础[2]。对于地方应用型本科院校，学生的基础知识比较薄弱，学生学习起来有一定的困难。仅仅依靠课堂上的教学形式，学习效果不是很好。在现有多媒体教学的基础上，丰富理论教学形式，如基于线上线下的混合式教学。线上线下教学相结合，以线下教学为主，线上教学作为线下教学的有利补充。目前我校已经开发了电力电子技术在线课程，该课程由学院电力电子技术课程教学团队参与建设录制，目前已经在智慧树上开课3学期，选课人数累计2 766人，累计学校17所，累计互动2 493次。在线学习可以很好地与学生进行在线互动，激发学生学习兴趣，提高学生的主动性。该在线课程设有作业测试、章节测试，期末考试等环节，可以在线统计学生的学习情况，优化考核体系，并及时做好反馈。

根据学生学习情况，教师在开展理论课的过程中，借助于在线课程平台，中间穿插章节实验，在线进行案例演示，把电力电子技术课程中需要动手的部分，通过实验的方式，引导学生开展实验。综合考虑学生理论和实验学习实际情况以及学生的差异性，教师在原有实验基础上优化实验内容，保留一些基础性实验，适当增加一些开放性和综合性的实验。学生可以根据教师提供的题目自由选择，有基础的还可以根据实际情况进行自主设计。

2.2 引入启发创新性模式—电子仿真

电子仿真具有运行成本低，操作可控性高，实验重复性好和整体实验效果高等特点。针对实验教学建设经费有限、实验场地不足，电力电子实验装置价格昂贵，实验设备老化更新跟不上等问题，学生实验效果不好的问题，可以引入启发创新性教学模式，教师引导学生利用专业仿真软件对电力电子技术实验进行仿真[3]。根据我院电气专业人才培养计划和课程教学大纲，教师可以通过案例教学的方式，启发学生独立完成相关实验的设计和仿真，培养学生独立分析问题、解决问题的能力。实验教学案例可以线下进行，也可以借助于已运行的在线课程平台智慧树开展，这样可以与理论课进行有效衔接。借助专业仿真软件的强大功能，教师营造一种“虚拟现实”的实验环境，为学生能够验证设计方案的可行性和进一步优化设计方案提供便利。

当前能被用于电力电子技术的仿真软件很多，如PSPICE、ALTIUM DESIGNER、PROTEUS、POWERSIM、MATLAB/SIMULINK、MULTISIM等[4]。MATLAB/SIMULINK仿真软件有着极其丰富的电力电子器件模块以及强大的仿真能力，不用搭建专门的仿真平台，可以直接在该软件上方便地搭建仿真模型。新建仿真文件后，可以直接从对应模块库里拖拽相应模块，根据电路结构进行连接即可搭建仿真模型。结合我校教学实际，电气专业课程体系中设置有MATLAB课程，学生具备一定的MATLAB软件操作基础，这样上手起来也比较容易。模型的建立过程可以加深学生对电力电子器件和电路的理解。学生通过仿真可以直观地、形象地看到电路结构和波形，其参与度得到提升、积极性和主动性也自然得到提高。除此之外，实验操作风险也大大降低，而且实验过程不受实验场地的限制。

2.3 翻转课堂、教学过程延伸

针对学生主动性和参与度不高的问题，在开展教学的过程中，教师可以选择班级人数少的班级进行翻转课堂，以学生为中心开展教学，将学习的主动权交给学生，调动学生的积极性。安排部分学生进行翻转课堂，他们的实验操作可以采取翻转讲授。电力电子技术的实践环节还可以进一步延伸，教师鼓励学生积极参加电子设计竞赛、虚拟仿真大赛、挑战杯系列竞赛等，延伸电力电子实践环节。通过参加各类竞赛，可以更好地提升学生分析问题、解决实际问题的能力，培养学生工程实践应用能力，从而更好地提高学生的实践动手能力。不定期开放学院的新能源实验室、多机器人协同实验室、智能创新实验室等，让学生在课外时间多走进实验室，在教师的指导下开展一些实验，培养学生刻苦钻研的能力。除了利用学校已有资源，还可以和地方企业展开校企合作，如网安科技、湖北(华电)西塞山发电有限公司、湖北三丰智能输送装备股份有限公司等。通过设立校外实训基地，“把车间建在学校，把课堂设到车间”，不断促进教学模式改革，切实提高人才培养的实效性。一方面，让学生提前进入这些企业实习，提前适应社会，培养学生良好的职业意识；另一方面，聘请企业技术专家、高技能人才和能工巧匠到学校兼职，直接参与到教学、教研工作中去，进一步培养和提高学生的实际工作能力。

2.4 加强师资队伍建设

重视师资队伍建设，加强理论业务知识学习。组织年轻教师多参加电力电子技术课程论坛的培训，参观其他兄弟院校的实验室，加强与其他兄弟院校的交流和合作。在交流中学习借鉴其他兄弟院校的良好经验。选派教师定期进企业挂职锻炼和参与实践，以实现教师的知识更新和技能提升，不断提高教师的能力水平。此外，发挥骨干教师的作用，实现传-帮-带，让年轻教师更快地成长。

3 教学应用案例

将MATLAB/SIMULINK仿真软件应用到电力电子技术实验的教学中，通过搭建仿真模型，演示仿真波形，引导学生利用MATLAB/SIMULINK对电力电子技术实验进行自主设计和验证。本文以单相交流调压电路为例，介绍如何将电子仿真融入到实验教学当中。

交流调压电路是把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压有效值的电路[5]。单相交流调压电路原理图如图1所示。该系统由电压源、晶闸管、同步脉冲发生器和电阻电感负载等部分组成，其原理图如图1所示。

图1 单相交流调压电路原理图

根据单相交流调压电路的原理图，在MATLAB(R2014b)软件环境下，首先引导学生建立单相交流调压阻感性负载电路的仿真模型，如图2所示。搭建好仿真模型，然后设置电路各元件的参数，晶闸管的参数；电源设置峰值电压为100V，频率为50Hz；脉冲信号Pulse Generator，Pulse Generator1脉冲高度为15V、周期设置为0.02s，占空比为25%；负载电阻为10Ω，电感为8mH；触发延迟角α可以调节。设置好各电路元件的参数之后就可以启动SIMULINK进行仿真，最后通过示波器模块可以观测仿真结果。

图2 单相交流调压电路仿真模型

当α=30°，可以得到如图3所示仿真结果，图3显示了两个脉冲信号，电源电压信号、负载电压、电流、晶闸管电流波形。其中波形从上到下，依次为脉冲信号、电源信号、负载电压、负载电流，晶闸管电流和脉冲信号1的波形。

图3 α=30°单相交流调压电路仿真波形

同理，我们还可以得到α=45°，α=60°，α=90°等情形下单相交流调压电路仿真波形，从仿真波形可以看出，负载为阻感负载时，输出电压和电流波形不同，负载电流不能突变，负载电流滞后于负载电压波形；在电源电压过零时，由于电感具有反电势作用，当感应电势大于电源电压时，晶闸管仍然维持导通条件，所以还能继续维持一段时间导通，输出电压正半周过零时出现一段负电压，负半周过零时出现一段正电压，与纯电阻负载不同，具有续流作用。仿真结果与教材理论分析结果一致。通过晶闸管触发延迟角α的控制，可以控制输出电压的有效值。

通过在电路中添加示波器，可以将电路中任意节点的电压电流信号波形显示出来，更加直观、方便。

在这个模型中如果考虑负载为阻性负载，只需要在负载电阻模块SimPower System/Elements/Series RLC Branch中，将电路所带的负载改成电阻负载即可，非常方便直观，同时也可以加深学生对单相交流调压电路结构的理解。

将MATLAB虚拟仿真技术引入到电力电子技术实验中，通过搭建虚拟仿真模型，可直接观测仿真波形。这样比单纯的数学公式推导直观得多，同时可以提高学生的参与度、激发学生的学习热情，从而可以提高教学效果。通过教师的引导，学生根据所学的理论知识，可以自己动手搭建相关仿真模型，修改模型结构或者设计更综合的电力电子电路，这对于提高学生的创新能力也有很大帮助。学生的参与度越高，遇到的问题可能更多，发现问题、分析问题和解决问题的能力自然也有所提升。

4 结论

理论和实践是相辅相成的，要想提高电力电子技术实验的教学质量，离不开理论的指导，只有把理论基础知识打牢，才能更好地进行实践。通过线上线下的混合教学方式，将MATLAB虚拟仿真技术引入到电力电子技术实验教学中，同时通过翻转课堂，各类竞赛、校企合作等教学过程延伸，可以更好地增强学生对电力电子电路的认识和理解，激发学生的学习热情；有效弥补传统实验教学的不足，有效解决实验经费场地受限，实验效果不理想的问题。