Matlab仿真在“电力电子技术实验”课程教学中的应用

李 瑾，王 翠

(南昌工程学院 电气工程学院，江西 南昌 330099)

“电力电子技术”课程是自动化专业的一门重要的技术基础课[1]，也是专业核心课程，该课程的综合性、应用性、实践性都很强，原来4个学时的课内实验已不能满足实验教学的要求，为了加强实验教学，从2020年开始执行的新版课程教学大纲中，“电力电子技术”课程由原来的理论44学时调整为40学时，实验由原来4个学时的课内实验调整为8个学时的独立设课的“电力电子技术实验”课，目的就是加强师生对实验教学的重视程度，把实验教学放在与理论教学同样重要的位置。

由于疫情原因，学生无法在实验室里完成“电力电子技术实验”课程中的实物实验，这就需要学生在线利用Matlab 软件进行仿真实验，以达到教学目的。本文以“电力电子技术实验”课程中的两个实验为例，给出了仿真实验电路模型和仿真输出波形。

1 Matlab/Simulink简介

美国MathWorks公司开发的Matlab软件是基于一个易于使用的视窗环境，能够实现数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及系统建模和仿真等的功能强大的数学软件[2]。Simulink是Matlab仿真工具之一，主要用来实现动态系统建模、仿真和分析。Simulink提供了许多功能模块，建模时用鼠标拖曳所需的功能模块并连接起来即可，操作简单方便[3]。

2 实验教学的内容和基本方法

“电力电子技术实验”课程共安排了四个实验：1)SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验；2)单相半波可控整流电路实验；3)单相桥式半控整流电路实验；4)直流斩波电路实验。自动化专业的大三学生大部分没有接触过Matlab软件，因此上学期开学初就要求每个同学在电脑上安装好Matlab 软件，将文献[4]作为实验课教材并将教材电子版和实验课时间安排表上传到课程学习QQ群，让学生自己在电脑上根据教材第一章对照练习Simulink的基本操作并且熟悉Matlab软件中的电力系统(PowerSystem)工具箱的使用方法，PowerSystem工具箱里面有电力电子器件模块、电源模块、测量模块和连接器模块等模块库，用它们搭建起实验电路后可观察并记录电路的输出波形，还能清楚地看到当电路参数变化时对输出波形的影响[5]。另外在实验课的前一周预习“电力电子技术”理论课上学过的相关的知识内容，搞懂实验原理。

实验教学在腾讯课堂进行，教师用分享屏幕的方式演示如何进入Simulink新建文档，以及在PowerSystem工具箱里不同的模块库中找到所需的模块，再用鼠标拖动这些模块到文档区，连接之后设置相应的参数，搭建起仿真实验电路，单击“start”命令进行仿真，最后双击示波器就可观察电路的输出波形，也可以通过改变电路参数设置观察到输出波形的相应变化。演示结束后学生自行在电脑上用Matlab 软件搭建仿真电路模型，观察并记录实验输出波形。实验过程中遇到的问题，如由于使用的Matlab软件版本不一致有些仿真模块找不到，或者仿真实验模型建好后仿真过程报错无法运行等，学生都可以在QQ上向老师提问，若得到的波形与理论不符也可将所得波形在QQ上发给老师，由老师帮助查找出问题(如参数设置不对、接线错误等)，直到得出正确的输出波形。

3 仿真实例

2.1 单相半波可控整流电路实验

图1为单相半波可控整流电路仿真模型。

图1 单相半波可控整流电路仿真模型

带纯阻性负载R=1 Ω，控制角α=0°和α=45°时由图1中示波器得到的两组波形分别如图2和图3所示。

图2 R=1 Ω, L=0 H，控制角α=0°时的仿真波形

图3 R=1 Ω, L=0 H，控制角α=45°时的仿真波形

带阻感负载R=1 Ω，L=0.01 H，控制角α=0°和α=45°时由图1中示波器得到的两组波形分别如图4和图5所示。

图4 R=1 Ω, L=0.01 H，控制角α=0°时的仿真波形

图5 R=1 Ω, L=0.01 H，控制角α=45°时的仿真波形

2.2 直流斩波电路实验

图6是降压斩波电路仿真模型，其中直流电源电压为100 V，R=1Ω，L=0.001 H，C=0.7 uF，脉冲发生器模块的振幅设置为1 V，周期为0.001 s，脉冲宽度为50%和80%时由图6中示波器得到的仿真波形分别如图7和图8所示。

图6 降压斩波电路仿真模型

图7 降压斩波电路仿真波形(脉冲宽度50%)

图8 降压斩波电路仿真波形(脉冲宽度80%)

图9是升压斩波电路仿真模型，其中直流电源电压为100 V，R=10 Ω，L=0.001 H，C=1 uF，脉冲发生器模块的振幅和周期设置不变，脉冲宽度为20%和60%时由图9中示波器得到的仿真波形分别如图10和图11所示。

图9 升压斩波电路仿真模型

图10 升压斩波电路仿真波形(脉冲宽度20%)

图11 升压斩波电路仿真波形(脉冲宽度60%)

4 结语

将Matlab仿真软件引入教学，教师在“电力电子技术实验”课上对仿真实验进行简单介绍和操作演示之后由学生自行进行仿真实验，不受时间、空间和物质条件的限制验证所学理论知识的正确性，不仅可有效强化对课堂教学内容的理解，仿真实验的成功还会使学生有很大的成就感，提高他们的学习兴趣[6]。另外，实验室普通示波器只能同时观察多路信号，而通过仿真可同时观察多路波形，且当修改电路参数还有模拟开路、短路或脉冲丢失等故障时都可直观地观察到工作电路性能的改变和输出波形的变化，这样便于比较还能加深学生的印象，对培养他们的探索精神和创新能力也大有好处。

有了Matlab仿真软件，以后的“电力电子技术实验”课教学都可“虚实结合”，即在做实物实验之前，要求学生先按自己设计的仿真模型在电脑上完成Matlab仿真实验，仿真实验成功的学生再进入实验室实施已经通过仿真验证的实验方案。这种虚实结合的实验方案不仅可提高实验效率，大大降低实验设备的损坏程度，学生的学习积极性也会得到明显提高。