摘要:根据“电力电子技术”课程的特点及教学过程中存在的问题,对理论结合实际的教学方式进行了讨论,提出了利用MATLAB/simulink仿真软件辅助课堂教学的改革措施。以三相桥式全控整流电路为教学实例,引导学生利用MATLAB/simulink进行建模及仿真分析。实践证明,本教学方法提高了学生的动手能力,增强了学生的学习兴趣,加深了学生对知识点的理解,显著提升了教学质量。
关键词:电力电子;MATLAB;教学改革
作者简介:王宇(1984-),男,山西太原人,山西大学工程学院,助教。(山西 太原 030013)
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)09-0055-02
一、课程特点
“电力电子技术”就是应用于电力领域的电子技术,着重于研究利用电力电子器件对电能进行控制和变换。[1,2]“电力电子技术”是电气工程及相关专业课程体系中一门重要的专业课。该课程一般以“电路”、“数字电子技术”、“模拟电子技术”为先修课程,同时开设的课程有“自动控制理论”、“电机学”等。作为一门联系电子学、电力学、控制理论的交叉学科课程,其知识涵盖范围广,更新速度快,理论抽象,学生普遍反映理解及掌握难度较大。然而也正是由于上述特点,使得该课程成为电气工程专业众多课程中联系“弱电”与“强电”的一条纽带。如何使学生更清晰地建立起“电力电子系统”的概念,并深刻理解“电力电子系统”的运行原理及过程,是广大教师普遍关心的重要问题。笔者针对教学方式的改革进行了一定的探索和研究。
二、课程教学方法改革
该课程的主要内容包括电力电子器件、主要的电力电子变流电路、控制方法三部分,为了在授课中突出重点,理论与实践并重,在课程教学内容上进行了一定整合,由于仿真环节的加入以及原有实验环节的保留,需要对原有的课时编排做出调整。
1.课程主要内容安排
课程为48学时,按照教学环节分为课堂理论教学、机房仿真教学、实验。
课堂理论教学占用32学时,主要包括:电力电子器件、整流电路、逆变电路、直-直变流电路、交-交变流电路、PWM控制技术,共6章。主要讲述每种变流电路的工作原理、参数计算、性能特点,为仿真环节打下基础。
机房仿真教学占用10学时,安排5次,每次2学时。内容分别为:MATLAB/simulink基础知识;整流电路仿真;逆变电路仿真;直-直变流电路仿真;交-交变流电路仿真。仿真环节在各章对应的理论教学完成后进行,在学生具备了一定的理论知识基础上,并且在教师的讲述和引导下,独立完成相应的仿真题目设置。
实验占用6学时,安排3次,每次2学时。根据理论教学及仿真教学效果选择学生较难理解的3种变流电路进行实验研究。
2.课程考核方式改革
传统的考核方式通常以“期末考试成绩”或“期末成绩+平时成绩”为考核办法。引入计算机仿真教学后可以将学生仿真题目的完成情况作为考核内容的一部分,再加入实验成绩,最终形成“期末考试成绩+仿真题目成绩+实验成绩”的综合考核方式。
三、仿真软件介绍
MATLAB是美国Math Works公司于1976年开发的Matrix Laboratory(矩阵实验室)软件的简称。[3]其最初定位于解决繁重的數学运算问题,后经过逐年不断的扩充和更新,涵盖了系统建模、自动控制、语言处理、信号分析、图像处理、电力系统分析、机械系统分析等诸多方面,成为了一款集工程应用和理论研究于一体的综合性软件。而simulink仿真软件包则是其实用性最强的部分,simulink仿真包具有自动控制系统、电力系统、机械系统诸多分支模块,针对“电力电子技术”课程,主要应用simpowersystem模块组进行仿真模型的搭建。目前,MATLAB的最新版本为2013b,笔者采用的版本为2009a,两者差别微小,具备向下兼容功能。
四、仿真教学实例
在仿真教学开始以前,务必确保已经完成了本章的课堂理论教学任务,学生已经初步掌握了所要仿真内容的基本知识。选定1~2个已学习过的变流电路带领学生集体完成仿真模型的搭建并进行仿真运算分析,解决仿真过程中的问题,指导学生观察仿真波形,从而加深对此种变流电路工作原理的理解。最后提出一种变流电路让学生自己完成仿真,对结果进行验收与评价,将此作为其仿真成绩。
下面以三相桥式全控整流电路为例,介绍MATLAB/simulink的仿真教学过程。三相桥式全控整流电路在中频炉感应加热、发电机励磁、自动控制、交通运输、电力系统等领域有着广泛应用,其主要结构包括:三相交流电源、6个晶闸管组成的3相整流桥、脉冲发生电路、负载。
1.仿真模型的建立
在MATLAB环境中打开simulink软件包,新建MDL文件,利用simpowersystem模块组搭建三相桥式全控整流电路。三相电源模型采用三个单相交流电压源接成星型接法;整流桥选用Universal Bridge模块,将三相电压对应接入;控制电路采用同步6脉冲发生器Synchronized 6-Pulse Generator模块,时钟从0时刻开始,触发延迟角,并将三个线电压对应接入;通过Multimeter万用表模块测量每个晶闸管的电压;通过电压测量模块与电流测量模块接入示波器,测量相应的电压与电流波形;最后在仿真模型中加入powergui模块,此模块为电力系统仿真所独有,无此模块仿真无法运行,当系统不太复杂时可以设置powergui为continuous模式。建立好的仿真模型如图1所示。
2.仿真结果分析
设置交流电源峰值220V,负载电阻,仿真时间0.1s,求解器为ode23tb,取消示波器点数限制,点击“运行”按钮,所得整流输出电压和电流波形如图2所示。
将负载更改为阻感负载,,,仿真时间0.2s,所得结果如图3所示。
在触发延迟角的情况下,无论是电阻负载还是阻感负载,整流输出电压波形都是连续的,且平均值都是。电阻负载时,整流输出电流的平均值为,且波形与电压完全相同;阻感负载时,整流输出电流的平均值为,且由于时间常数较大,需要经过0.15s的上升时间才能过渡为稳态值。
除的情况外,引导学生改变触发延迟角,分别观察,60°,90°,120°时,整流输出电压和電流波形。与课堂教学知识相联系,提出问题让学生解释为什么会产生相应的波形。
3.仿真结果后处理
powergui模块中有众多后处理功能,而FFT分析是电力电子仿真最为关心的问题,下面以时整流电压的FFT分析为例。选择基波为50Hz,采样周期为1,开始时间0.04s,FFT分析结果如图4所示,可以看输出,除直流分量外,主要含有的谐波次数为6,12,18……,即6k次,(k=1,2,3……),验证了理论教学结论。
4.仿真扩展
在引导学生完成上述问题的分析后,提出新的仿真题目,例如:将已经掌握的三相桥式整流电路仿真模型加以发展,实现12脉波多重化整流电路的仿真分析。将此作业布置下去,完成情况记入仿真成绩中。
五、结束语
结合MATLAB仿真软件进行的“电力电子技术”课程教学方式增强了学生的动手能力和分析能力,加深了学生对具体电路工作原理的理解,使教学环节更加生动化,提高了学生的学习兴趣和学习效率。仿真环节与实验环节的相互支撑更强化了学生知识掌握的扎实度。成绩考核方式的改变也引导学生的学习方法从一味“啃书本”转变为“理论联系实际”。随着不断的调整与完善,这种教学方式也可以推广到更多的专业课教学中。
参考文献:
[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2]孟庆波,王辉.电力电子技术[M].北京:北京师范大学出版社,
2008.
[3]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京:中国电力出版社,2006.
[4]刘同娟,金能强,马向国.MATLAB在电力电子整流电路仿真中的应用[J].电力电子,2005,3(1):34-37.
(责任编辑:王意琴)