电力电子技术虚拟实验平台的建设

张建民，李素靖，龙佳乐，李 烨

(五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020)

电力电子技术虚拟实验平台的建设

张建民，李素靖，龙佳乐，李 烨

(五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020)

“电力电子技术”是电气类课程体系中一门重要专业基础课程，本文主要介绍一款基于Matlab的电力电子技术仿真平台，使学生的学习模式从被动接受转为主动探究，这样不仅提升了学生的学习兴趣，还极大的提高了课程的教学效果。

电力电子技术；Matlab；GUI；虚拟实验平台

0 引言

“电力电子技术”是一门重要的电气专业基础课程，随着电子行业、电力行业的飞速发展，“电力电子技术”在理工科高等教育体系中的地位正在日益提升。因此，如何有效提高该课程的教学质量，培养更多高质量的学生，并加强学生的工程实践能力是一项具有重要意义的工作[1-3]。

1 背景

“电力电子技术”课程在我校实际上一直处于难学难教的境况，主要由于其理论性、实践性都很强，理论上所涉及的知识极其广泛，“模拟电子技术”、“高等数学”、“电路分析基础”、“自动控制原理”等课程都是它的学前必修课程；实践教学方面，由于我校的电力电子实验室的设备只有12台，而学生班级人数较以前增多，分组较多(3人一组)，致使实验次数增加，加之部分学生积极性不高，只是旁观，动手能力很难提高。

该课程内容多，知识面广，在有限的学时内用传统的教学方法去授课，教学效果不很理想，再加上设备昂贵，实验条件受限，使得本应唤起学生极大兴趣的课程遭到很大程度的排斥，为适应我校应用型人才的培养要求，对这门课程进行教学改革实有必要。

在以往的课堂教学上，学生对于课本的文字、电路图以及波形缺乏深刻的认识，自然就会降低对该课程的热情；例如课本上讲授变换电路时，只给出在一个触发角度下该电路的输出波形，不能让学生了解触发角度改变时对输出波形会产生什么样的影响。

本文重点介绍的电力电子技术虚拟实验仿真平台能够通过改变触发角度、仿真时间、电阻等一系列参数，实时观察仿真出来进行电路仿真、GUI进行仿真界面的绘制以及M文件的编写。最后设计为一个脱离Matlab运行环境的一个独立的可执行文件。

2 改革思路

从第一次讲授“电力电子技术”课程开始，笔者就深刻感受到了该课程所处的窘境，从那时起便开始思考如何进行创新改革。从电力电子电路原理出发，借助Matlab软件的一些开发背景[4-6]，将各种变换电路的知识点编成一个一个的小任务，尝试用课堂讲解结合软件仿真形象化完成教学过程。

笔者利用Matlab仿真电力电子技术四类变换电路的过程为：首先利用GUI模块绘制基本的仿真界面；然后将绘制的GUI仿真界面与Simulink仿真电路结合起来，使之能在GUI上直接仿真；最后，将其打包成一个以.exe为后缀的可执行文件，使之脱离Matlab环境运行。形成一个电力电子技术虚拟实验平台，该平台设计思路如图1所示。

图1 虚拟实验平台设计思路图

利用该虚拟实验平台可以很直观地观察不同变换电路在所需触发角、负载下的输出波形。比如整流电路在不同负载时，触发角变化对输出电压、电流波形有什么影响，波形会发生什么变化？通过Matlab可以将相应的电路模型建立，得到相应的波形，通过对比变化前后的信号波形很容易找到差别；直流斩波电路，通过调整占空比，升压、降压电路输出电压波形又会发生什么变化呢？通过软件仿真同样能直观地看到，再结合书本的理论知识，对于这个知识点的掌握自然是深刻而形象的。

3 设计流程

1)电路的仿真

采用Matlab中的Simulink进行电路的仿真。首先是建立各种变换电路的电路模型，然后设置相关参数得到输出波形，绘制的电路模型基本上按照王兆安《电力电子技术》教材中的基本电路搭建。图2 是单相桥式半控整流电路中一种连接方式的电路模型图。

图2 单相桥式半控整流电路模型图

2)GUI图形界面的设计

为了设计一个友好的人机界面，本设计对界面背景的选择、界面文本框等元素都进行了考虑，令界面简单美观。图3是该软件主界面，通过界面可以添加一些与电力电子相关的资料，方便学生学习和理解，此外还增加了对该平台的说明以及注意事项，使学生仿真时更加清晰。

我们将电力电子技术课程的授课内容全部形象化成了类似于图3和图4所示界面，通过课堂和课后的操作，能够在加深学生对理论知识理解的同时引发学生自主学习自行编程的兴趣。设计界面的难点在于将Simulink仿真电路与GUI界面相结合，将对应波形显示出来。该界面除了有按钮、静态文本、可输入文本框、坐标轴等元素外，该界面还增加了电路仿真图元素。由于“电力电子技术”中各种变换电路较多，因此在仿真过程中，学生可能只知道仿真的该电路是什么电路，但却对该电路结构不清楚，理解起来不太容易，电路图、波形图同时在一个界面中，对照电路来理解仿真波形，更易理解。

图3 电力电子虚拟实验仿真平台主界面

图4 整流电路界面

4 案例分析

以三相桥式全控仿真界面为例，点击整流电路界面(图4)上“三相桥全控”按钮将进入下一级界面，在输入框输入相应的数据就可显示三相桥式全控整流电路(纯电阻负载)的设计效果，如图5所示。设计该界面的难点在于将Simulink仿真电路与GUI界面相结合，最终实现在界面上改变参数，对应的波形能直观地显示出来。

图5 三相桥式全控整流电路电阻负载仿真界面

可以通过修改参数，如仿真时间(如图6所示)或者触发角度(如图7所示)来得到不同的波形。在仿真的过程中，如出现错误，可按“停止仿真”按钮停止仿真。图形用户界面的方式比较直观，因此选择Matlab作为二次开发平台，对于教学内容中抽象难懂的知识点，可以帮助学生更好地理解和掌握，教师也不必对Matlab的使用进行详细的讲解，从而更好地提高教学的效果和效率。

图6 三相桥式全控整流电路电阻负载仿真界面(修改仿真时间)

图7 三相桥式全控整流电路电阻负载仿真界面(修改触发角)

作为一个引导性的软件，仿真界面中并不是所有能测量的元件波形都涵盖其中，比如晶闸管的电压波形。当学生对电力电子技术的电路原理熟悉后，可以通过Simulink仿真搭建模型，用示波器测量想要得到的波形或参数，这样可以让学生能够去主动探究，激发学生的兴趣。

5 结语

电力电子技术虚拟实验平台的建设转变以往枯燥的概念式教学，引入必要的软件仿真，建立书本与实际应用的桥梁，用形象的方式来进行教学，极大地提升了教学质量，有助于培养学生的动手实践能力以及分析问题和解决问题的能力，因此基于各种软件仿真平台的教学是值得探究和实践的。

[1] 李秀娟，刘伟.“电力电子技术”课程改革思考[J],南京：电气电子教学学报,2009,31(6)：30-31

[2] 程琼,郑建勇,廖冬初.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].南京：电气电子教学学报,2009,31(2)：13-14

[3] 文小琴,毕淑娥,游林儒.基于Matlab的电力电子技术仿真平台设计[J],南京：电气电子教学学报，2014,36(4)：105-106

[4] 龙佳乐,应自炉,张建民.“Matlab程序设计”课程的教学探讨[J],南京：电气电子教学学报，2010(1)

[5] 张建民,龙佳乐,应自炉.信息类专业MALTAB双语教学初探[J],北京：中国电力教育，2011(34)

[6] 王兆安,刘进军等.电力电子技术(第5版)[M],北京：机械工业出版社，2011

Constraction of Virtual Experimentation Platform for Power Electronics Technology

ZHANG Jian-min, LI Su-jing, LONG Jia-le, LI Ye

(SchoolofInformationengineering,WuyiUniversity,Jiangmen529020,China)

As one of the important professional basic course in the electrical courses, Power Electronics Technology always encounters hardship in actual teaching.This paper proposes a virtual experiment simulation platform based on Matlab.The student's study mode would be changed from passive receiving to initiative researching which would not only rise the student's learning interest, but also improve the teaching quality.

power electronics technology; Matlab; GUI; virtual experimentation platform

2015-12-29;

2016-05-07

广东省高等学校省级教改项目(粤教高函[2013]113号)，2015年国家级大学生创新训练项目(项目编号201511349021，201511349037)，2016年江门市科技计划项目(江科[2016]189号17)，2016年校级教改项目“以自主软件开发为导向面向自动化课程群的教学改革”

张建民(1981-)，男，硕士，讲师，主要从事电力电子、信号处理的教学与科研工作；E-mail：zjm99_2001@126.com

TP391.9;TN911.72

A

1008-0686(2016)06-0126-04