“电力电子技术”虚拟交互教学系统研究

张玮?蔡艳平?何艳萍

摘要：“电力电子技术”既是一门重要的专业基础课，也是一门实用性和实践性较强的课程。针对该课程在理论讲解和实验中出现的问题，设计了一个电机类课程虚拟交互教学系统。该系统具有界面友好性和开放性的特点。实践证明，采用此系统可以较好地适应教员教学和学员学习的需要。

关键词：电力电子技术；虚拟交互；教学系统

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0067-02

“电力电子技术”既是一门重要的专业基础课，也是一门实用性和实践性较强的课程。教学内容以电力电子电路为主线，以波形与相位分析方法（波形分析法）贯穿始终，通过分析各类电力电子器件的通断情况来理解整流、逆变、斩波等典型电路的工作原理，从而绘制出电路在不同负载作用下各参考点的电流、电压波形。“电力电子技术”课程的内容较为抽象，理解起来比较困难。教学过程中，理论讲解、实验验证是两个必经环节。理论讲解中，由于电路类型多，不管是晶闸管触发控制角变化控制（相控），还是全控型器件高频率通断控制（斩控），单相电路比较容易，对于三相电路，学员普遍认为较难理解。而实验可以验证理论，加深学员的理解，因此应开设一些相关的实验课程。做实验时，几乎所有的电路和系统都是封闭式的，多数仅用挂件或实验箱来完成实验。实验过程中，学员几乎是机械式连线、读取实验数据，记录实验数据和波形，即使不了解电路的工作原理，只要连线正确、实验仪器完好即可完成实验，但是如果设备或连线有问题，就会使实验结果与理论分析不符甚至出现异常现象，导致学员不能独立分析、解决问题，排除故障。

针对“电力电子技术”课程在教学和实验中出现的问题，设计了一个电机类课程虚拟交互教学系统。该系统能够变抽象为具体，变枯燥为生动，形象直观地进行教学，有助于激发学员的学习兴趣，提高教学质量。该系统基于VB和MATLAB的接口编程，可以通过友好的系统界面，运行相应的Simulink仿真模型。该系统不仅可以实时观察电路中任意参考点的电压、电流波形，还可以实现交互操作，实时改变电路参数，从而加深学员对电路的理解；对于学员日后提高工程应用和科研水平，掌握现代工程设计和实验方法——计算机仿真技术很有帮助。该系统不仅可以用于辅助教员进行理论讲解，加深学员理解，还可以用于学员做实验前熟悉实验项目，掌握实验原理。实践证明，采用该系统可以较好地适应教员教学和学员学习的需要。

一、虚拟交互教学系统设计

虚拟交互教学系统设计的思路是：利用MATLAB构建仿真模型，使用VB搭建界面，VB调用仿真模型，实现一个可以调用仿真模型的虚拟交互教学系统。

1.MATLAB/Simulink简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称。其除具备卓越的数值计算能力外，还具备专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。Simulink是MATLAB软件下的一个附加组件，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包，为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。建立系统模型时依托图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式构建仿真模型，像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单。

2.常用电力电子电路模块库

（1）电力电子元件库（POWER ELECTRONICS）。电力电子元件库是Simulink的SIMPOWERSYSTEMS模块库中重要的元件库，包括IDEAL SWITCH功能模块和IGBT功能模块，涵盖了绝大多数电路所需的开关元件，如晶体二极管，IGBT，MOSFET，THYRISTOR，理想開关，THREE-LEVEL BRIDGE和UNIVERSAL BRIDGE等。

（2）线路元件库（ELEMENTS）。线路元件库也是Simulink的SIMPOWERSYSTEMS模块库中重要的元件库，包括BREAKER功能模块和LINEAR TRANSFORMER功能模块，涵盖了绝大多数电路所需的元器件，如电阻器、电容器、输电线、变压器、断路器等。

3.电力电子电路仿真

（1）建立仿真模型。以三相桥式全控整流电路为例，建立仿真模型，使用模型库的三相桥（Universal Bridge）和同步6脉冲触发器（Synchronized 6-Pulse Generator）集成模块，如图1所示。

（2）设置模型参数。以阻感负载为例，设置模型参数。一是三相电压源参数设置：电压峰值为100V，频率为50Hz。二是三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。三是RLC负载参数设置：R的值为45Ω，L的值为1，C的值为inf。四是6脉冲发生器设置：频率为50Hz，脉冲宽度取1°，选择双脉冲触发方式。将其第五个输入端（Block）置“0”，此时有脉冲输出。如果置“1”，则没有脉冲输出。五是触发角设置：α设为30°。

（3）仿真结果。图2为三相桥式全控整流电路仿真结果，可观察输出电压、输出电流、晶闸管两端电压等多个波形，并且可以通过改变α角，观察以上波形，由此加深对于电路的理解。

4.VB简介及应用

（1）VB简介。Visual Basic（简称VB）是美国微软公司推出的Microsoft Visual Studio可视化开发工具套件中的一个组件，是在Quick BASIC基础上，为开发Windows应用程序而提供的强有力的开发工具，是一种具有良好的图形用户界面（Graphic User Interface，简称GUI）的程序设计语言。该系统采用VB和MATLAB的接口编程，通过友好的系统界面，运行相应的Simulink仿真模型。

（2）界面制作。用VB开发的“实验内容和步骤”窗体中包含多个运行按钮，这些按钮是根据电路带不同类型的负载而设置的，当单击任一个运行按钮时，都会调用相应的Simulink模型窗口进行仿真。要实现这一功能，就需要在运行按钮的单击事件中输入相应的代码。以第一个运行按钮（Commandl）为例，介绍代码的编写过程即VB和MATLAB的接口编程的实现。双击Commandl，进入代码编写窗口，在PrivateSub Commandl—Click0中写入如下代码：

其中，fz是一个后缀为mdl的模型文件，就是仿真模型的名称。该文件路径是可以指定的，但须在MATLAB中将该文件路径设置为搜索路径，否则无法调用该文件。

输入以上代码，即可调用程序。但是在VB调用仿真模型时，只是弹出一下，马上就结束。因此，为了使调用的程序不结束，可使用如下代码：

以上两行代码，第一行代表可以开始运行仿真，第二行代表暂停仿真。当程序运行至第二行时，仿真界面将停住，此时即可对模型进行相应的操作，与在MATLAB中操作方法类似。图3是编程截图。

二、虚拟交互教学系统实现

为了使整个虚拟交互教学系统正常运行，必须把用VB完成的界面设计和用MATLAB实现的仿真模型连接起来，也就是VB和MATLAB的接口编程。本交互系统中VB和MATLAB的动态数据交换（DDE）采用的是客户端/服务器（c/s）模式，VB作为客户端，MATLAB作为服务器。而接口编程方法中的ActiveX技术正适合于这种模式，并且实现起来比较方便，因此采用ActiveX技术实现VB和MATLAB的接口编程。系统主要包括主界面和调用界面，进入调用界面后，就相当于在MATLAB环境中操作。

1.主界面

虚拟交互教学系统标题为“电机类课程虚拟交互系统”，主界面有两个按钮，即“进入系统”和“退出系统”，如图4所示。

2.调用界面

进入系统后，出现调用界面。本界面主要是进入相应仿真模型，共有9个仿真模型。本界面具有可添加性，可以根据自己的需要制作仿真模型并添加到系统中，对系统进行完善。

三、结论

本虚拟交互教学系统具有界面友好性和开放性两个特点。友好性体现为交互系统界面友好，可以完成对仿真模型的调用。调用仿真模型后，环境与在MATLAB中相同，可以对模型进行仿真操作。开放性体现为可实时修改模块中的参数，甚至根据需要可以添加模块和模型。教员在完成理论讲解后，可使用本系统对所讲解的电路进行仿真，使学员可以实时观察电力电子电路中任意参考点的电压、电流波形，还可以实现交互操作，实时改变电路参数，加深学员对电路的理解。另外，将该系统进行适度开放后，学员不仅可以亲自对教员所讲电路进行仿真，还可以自己构造仿真模型（添加代码只需要改动模型文件名称即可）并添加到系统中，完善整个系统。由于时间关系，系统中仅仅囊括了“电力电子技术”课程部分电路的仿真，未包含其他复杂的电路和“电力电子技术”课程中电机调速系统的内容。希望日后可以依靠教员和学员的努力完善此系统，从而更有利于教员的教学和学员的学习。

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（责任编辑：孙晴）