浅谈MATLAB在电力电子技术实践教学中的应用

蒲钰 李崇华 张水琴

（贵州师范大学，贵州贵阳 550025）

1 引言

电力电子技术是电气类专业学生的一门非常重要的专业基础课，其教学内容主要是对各种类型的电路以及利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术进行分析、研究[1,2]，分析波形和相位贯穿其整个教学过程。作为一门实践性很强的交叉学科，其实践教学环节就显得尤为重要，但传统教学方式并不能很好地帮助学生掌握相关知识。MATLAB是一款商业数学软件，集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体[3]，已经广泛应用于电子及电气专业相关课程的虚拟仿真实践教学中。其建模和实验过程简单、可操作性强，SIMULINK工具下的元件库和模块库基本涵盖了电力电子课程实验和课程设计中可能用到的所有元器件模块[4]，在实验过程中也只需根据实际研究内容搭建一个完整电路并根据需要修改相应参数即可。

2 电力电子技术传统实践教学中的不足

电力电子技术课程实践性较强，实践教学内容复杂。在传统的实践教学中，受实验过程和实验设备的限制，教学效果并不理想。主要存在下列问题：

2.1 教学设备落后、实验过程繁琐

在电力电子技术传统实践教学过程中，学生需要先用相关测量仪器来测量元器件以及导线是否完好，然后用导线来连接好电路，最后调节相应参数和示波器后才能观察对应波形。而在研究不同负载和相位时，又需要更换相对应的元器件。整个实验过程非常繁琐，落后的设备不仅导致实验结果不准确还极易被烧坏，影响了教学效果。

2.2 实验项目的复杂性和实验设备的不完善之间的冲突

在实践教学中，通常教师都会根据课程内容设计或寻找到学术性较强的完整的实验项目，这类实验可以帮助学生将理论和实践建立联系，更好地掌握相关知识。但众多学校由于各种原因并不具备完善的实验设备，复杂的实验项目和不完善的实验设备之间的冲突也导致了传统实践教学效果的不理想。

2.3 验证性实验无法完全带动学生的创新性

一般来说，传统的实践教学通常进行的是验证性实验，只要学生按照固定步骤操作即可完成实验。这种教学方式虽然可以保证多数学生完成实验，但却忽略了实验的创新性和学生的创造力。

显而易见，传统的实践教学，实验设备陈旧落后、过程复杂，同时需要观测的不同负载和相位条件下的波形较多，改变参数的过程也无形地增加了实验难度。为了解决相关问题，实践教学过程中亟需一种新型实验工具。而MATLAB作为一种集卓越计算能力和建模仿真为一体的软件，在进行电气类专业课实践教学时恰恰能解决传统教学模式存在的问题。

3 MATLAB在电力电子技术实践教学中的应用优势

3.1 MATLAB仿真软件的优点

MATLAB主要具有建模简单、界面清晰、易于观测等特点[5]，其中的SIMULINK仿真工具，含有多个电力元器件模块，可基于MATLAB的框图设计环境实现动态系统建模、仿真和分析。因此，MATLAB现已被广泛应用于电气类专业多种课程的仿真实验教学。

相较于传统的连线实验而言，使用MATLAB仿真软件来进行实践教学优势明显。第一，针对实验过程繁琐的问题，MATLAB进行仿真实验操作简单，可直接改变负载参数和相位角来研究不同条件下的工作情况而无需更换元器件。第二，针对教学设备的问题，传统的实践教学中实验器材容易烧坏、不太容易购买或者购买价格较高。在通过MATLAB进行实践教学时，只需在模块库中找到所需的元器件并进行连接即可，成本较低且不会存在设备烧毁的情况。第三，传统的实践方法，学生可能为了追求实验分数而擅自更改实验结果（如波形）。而采用MATLAB仿真软件进行教学，要求学生上交实验截图，保证了实验结果的真实性。

将MATLAB引入到实践教学中，让仿真模拟实验和抽象的理论知识有机结合，使得实验结果可以向学生更加直观地展示。这不仅极大程度地节省了资金和时间成本、提高了教学效率，还充分调动了学生的学习兴趣，给了学生发挥想象力和创造力的空间。

3.2 MATLAB在电力电子技术实践教学中的应用建议

3.2.1 将生产实例和模拟实验结合教学

电力电子技术课程内容丰富且抽象，在有限的学时内很难取得成果，教师可以在日常生活中寻找一些生产实例来和实践课程进行结合，以增加学生的熟悉感，提高教学吸引力。

3.2.2 充分利用网络上的教学资源设计创新实验

网络是一个非常完善的信息资源库，它含有非常多的优秀且全面的教学资源。教师可以在网上下载一些教学资源来进行学习，以设计出创新实验来对学生进行教学。

3.2.3 督促学生熟悉软件并引导实验创新

MATLAB仿真软件虽然操作简单，但还是有一些学生因为对软件不熟悉而难以完成实验。教师要通过安排课后作业来让学生熟悉软件，设法提高学生的积极性，引导学生对课堂实验进行创新，培养他们的创新意识和能力，升华实践教学的意义。

4 MATLAB在电力电子技术实践教学中的应用示例

通常来说，电力电子技术实践教学电路涉及电力电子器件类型众多，当电路中某一个元器件参数发生变化时，波形也会随之发生变化，波形变化多样，所以在使用传统方式进行实践教学时难度较大；学生也难以理解，进而影响了学习效果和学习兴趣。而MATLAB仿真软件可以简便直观地显示电路图和波形，方便增减元器件，而且在稍微更改某个元件参数时，也有直接的波形变化，任何点的电压或电流变化都可以显示出来。

本文以“单相半波可控整流电路仿真实验”为例，电路图如图1所示。

图1 单相半波可控整流电路原理图

4.1 绘制电路原理图

启动MATLAB，进入SIMULINK后新建一个文档模型，在元件库中找到相应电力电子元器件并移入绘图面板中；再适当排列并连线绘制上述电路图；最后双击各元件模块，在相应对话框中设置对应参数（特别注意：powergui是模型方块图的图形用户接口，可以帮助创建动态系统模型）。

4.2 参数设置

双击各模块（脉冲发生器、交流电压源、RLC负载模块、示波器），在参数设置框中根据实验要求设置相应参数，并设置好示波器中波形排列方式，以便更好地观测分析波形。

4.3 仿真

先单击工具栏的“启动”按钮进行仿真，再双击示波器模块，得到仿真结果如图2所示。

图2 阻感性负载（R=2Ω，L=0.01H，C=inf）相位为30°

上述为阻感性负载的单相半波可控整流电路仿真实验的实验过程和实验结果，整个过程操作简单，仿真结果清晰。若要单独研究阻性或感性负载以及其他相位的工作波形情况，只需更改负载参数和相位角即可。通过对“单相半波可控整流电路”的仿真，可以看出使用MATLAB中的SIMULINK模块能够非常简便地搭建电力电子电路并进行仿真实验。通过示波器可以很好地展示电压电流波形，方便教师分析电路，还可以让学生直观地看到实验现象、理解知识点。

5 结语

针对传统教学方式下电力电子技术教学效果不理想的问题，本文从提升实验结果准确性、简化实验操作和培养学生创新力方面论述了将MATLAB应用在其实践教学中的优势，并对应用过程提出了建议。以“单向半波可控整流电路”仿真实验为例，从操作性层面证明了MATLAB的操作简便、仿真效果清晰等优点。综上所述，将MATLAB应用到电力电子技术实践教学中对于提升学习质量和效率大有益处。