楊小品

摘 要 本文針對(duì)電力電子實(shí)驗(yàn)課傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在的問題進(jìn)行分析，說明其存在有不足之處。針對(duì)這些不足在課堂上適當(dāng)引入數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)加以完善，以二者相結(jié)合的方式改進(jìn)原有教學(xué)模式，并通過例證及教學(xué)效果說明該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞 電力電子 實(shí)驗(yàn)課 仿真

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

實(shí)驗(yàn)課在課程教學(xué)過程中占很重要的地位，尤其是工科課程，理論分析比較抽象，很難讓學(xué)生有直觀的認(rèn)識(shí)。此時(shí)適時(shí)加入實(shí)驗(yàn)課程不僅鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，而且有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)理論課程形成較為完整的認(rèn)識(shí)，以便于對(duì)相關(guān)知識(shí)更深入地理解和掌握。然而在電力電子技術(shù)這門課程的實(shí)際教學(xué)過程中卻發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)硬件設(shè)備的實(shí)驗(yàn)課有諸多局限之處。為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，可采用仿真實(shí)驗(yàn)與設(shè)備器材實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，力求結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)、消除二者缺點(diǎn)，最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課的作用。本方法采用的數(shù)字仿真軟件為美國MathWorks公司出品的Matlab仿真軟件，該軟件提供功能比較強(qiáng)大的專業(yè)仿真平臺(tái)，對(duì)電力電子電路有足夠的處理能力。

1 實(shí)驗(yàn)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)安全性差

電力電子技術(shù)是針對(duì)電能變換的技術(shù)，實(shí)驗(yàn)電路有真實(shí)的電壓電流通過，實(shí)驗(yàn)所用元器件要經(jīng)受高電壓大電流，稍有不慎極易引起事故。由于實(shí)驗(yàn)中需要采取電能變換的控制策略，而控制策略需要由學(xué)生自己整定，調(diào)整失誤時(shí)小則保護(hù)裝置動(dòng)作中斷實(shí)驗(yàn)，大則燒毀器件設(shè)備；不僅實(shí)驗(yàn)無法完成，還會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來經(jīng)濟(jì)損失并給學(xué)生帶來精神創(chuàng)傷。

數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)過程為復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，完全為軟件計(jì)算，沒有任何的危險(xiǎn)性。

1.2 實(shí)驗(yàn)接線復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力

實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1中a圖所示，采用模塊化設(shè)計(jì)、面板插孔連線。在組合不同的電路時(shí)容易連錯(cuò)線，而且由于連接線全部垂在面板前，接完線后不易查線。即使一組實(shí)驗(yàn)教師檢查查線及指導(dǎo)時(shí)間只要五分鐘，十五套設(shè)備也需七十五分鐘，九十分鐘的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間根本不夠用。如果不查線，學(xué)生可能會(huì)損壞設(shè)備或者做不出相應(yīng)的結(jié)果。而分組過少每組人數(shù)多的話，又會(huì)導(dǎo)致很多學(xué)生無法親自動(dòng)手而對(duì)實(shí)際設(shè)備認(rèn)識(shí)不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果觀察思考不夠。

MATLAB里面的simulink部分可以利用模塊進(jìn)行系統(tǒng)模型搭建，其建立過程跟實(shí)際接線過程非常相似。圖1中b所示即為三相整流橋電路的仿真模型。仿真模型預(yù)先編制調(diào)試好，課堂直接說明結(jié)構(gòu)并演示結(jié)果，然后再去指導(dǎo)學(xué)生做設(shè)備實(shí)驗(yàn)。時(shí)間緊張可以少分幾組爭取能全部指導(dǎo)，這樣既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又避免學(xué)生做不出實(shí)驗(yàn)無法觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又可提高學(xué)生學(xué)習(xí)MATLAB的積極性。

a b

圖1

1.3 現(xiàn)象觀察

在觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，有效值可以用電壓表電流表直接獲得，但是大量需要檢測(cè)瞬態(tài)變化的量需要用示波器跟蹤觀察。目前所用示波器沒有多路檢測(cè)通道，所用雙蹤示波器只能觀察兩路信號(hào)，而理論分析時(shí)則多是多信號(hào)對(duì)比分析，因此在檢測(cè)結(jié)果時(shí)對(duì)比很不直觀。

圖2 圖3 圖 4

仿真的圖形顯示為自定義，可把觀察信號(hào)單獨(dú)顯示，也可多波形同時(shí)顯示以利于分析對(duì)比。圖2中實(shí)線為三相橋式整流電路晶閘管承受電壓的理論分析結(jié)果，圖3 中黃色為仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果其余為參考曲線，圖4為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中示波器觀測(cè)到的信號(hào)。由三圖對(duì)比可以看出，多了圖3，從圖2到圖4的認(rèn)識(shí)和理解就比較容易過渡。

1.4 實(shí)驗(yàn)類別少

實(shí)驗(yàn)臺(tái)只能做指定的實(shí)驗(yàn)，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，故障情況因其為破壞性在實(shí)驗(yàn)中屬于禁止情況，所以在實(shí)驗(yàn)中根本無法進(jìn)行。因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中不能進(jìn)行故障情況分析和模擬類的綜合性實(shí)驗(yàn)。因電力電子實(shí)際裝置的特殊性，在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中極易損壞，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中體會(huì)不到故障情況的危害和現(xiàn)象，用仿真可以把故障情況模擬出來并可在數(shù)值上進(jìn)行分析，使學(xué)生對(duì)故障有直觀的認(rèn)識(shí)。圖5為單相半波整流電路中負(fù)載和晶閘管電壓波形，其中a圖為正常情況，b圖為脈沖丟失情況。在工程實(shí)際中經(jīng)常用到的故障情況分析在本課程中屬于高級(jí)能力培養(yǎng)，可進(jìn)行針對(duì)性授課。

圖5

1.5 參數(shù)不易修改

實(shí)驗(yàn)電路中只要器件連接完畢，除了少數(shù)參數(shù)可調(diào)器件，大部分器件參數(shù)都不可調(diào)。元件參數(shù)選取無論是對(duì)電路分析還是對(duì)以后設(shè)備開發(fā)時(shí)元器件的選取都是至關(guān)重要的。某些場合即使原理正確，器件參數(shù)選取不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)或者設(shè)備開發(fā)失敗。在電子電路中，參數(shù)不同，同一電路實(shí)現(xiàn)功能就可能不同，比如三相橋式整流電路可工作在整流或者源逆變狀態(tài)。觸發(fā)角不同，工作狀態(tài)就不同，產(chǎn)生的結(jié)果和影響也不同。再比如負(fù)載類型不同響應(yīng)也不同，如果在實(shí)驗(yàn)中則需頻繁更改接線換器材，十分不便。而在仿真中元器件參數(shù)可以任意改動(dòng)，在仿真模型中直接可以修改參數(shù)觀察現(xiàn)象，由于參數(shù)改動(dòng)而造成的不同結(jié)果也均一目了然。圖6中abcd圖為三相橋式整流電路輸出由整流到逆變狀態(tài)的幾個(gè)變化過程，參數(shù)修改非常簡單。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)由于實(shí)際情況所限為防止逆變顛覆在觸發(fā)角調(diào)整上必須十分小心。

圖6

盡管仿真實(shí)驗(yàn)有諸多優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是沒有真實(shí)的設(shè)備。學(xué)生對(duì)原理和現(xiàn)象掌握了以后跟工程實(shí)際還是有一定的差距，比如元器件的認(rèn)識(shí)、示波器等一些必須設(shè)備的使用等。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生只是忙于接線，觀察波形，記錄數(shù)據(jù)，對(duì)于原理和電路構(gòu)造及參數(shù)處理沒有深刻的認(rèn)識(shí)。只鍛煉了觀察能力和動(dòng)手能力，而思考能力和分析能力都沒有得到相應(yīng)的提高。綜合二者優(yōu)點(diǎn)，用數(shù)字仿真軟件搭建仿真模型，把仿真實(shí)驗(yàn)和器材實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來取長去短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。以期更好地提高學(xué)生的綜合能力。

2 教法設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真和真實(shí)設(shè)備相結(jié)合實(shí)驗(yàn)的思路，實(shí)驗(yàn)課時(shí)間分配為：理論講解十分鐘，實(shí)驗(yàn)演示十五分鐘，仿真對(duì)比十五分鐘，故障分析五分鐘，學(xué)生自己做實(shí)驗(yàn)四十五分鐘。

2.1 演示法

實(shí)驗(yàn)演示為實(shí)驗(yàn)課必有流程，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)說明書把整個(gè)實(shí)驗(yàn)完整地做一遍給學(xué)生觀摩。學(xué)生可由此獲得比較直觀的印象，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的熟悉時(shí)間。

2.2 對(duì)比法

此處應(yīng)把理論課程的理論分析結(jié)果和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，讓學(xué)生可以從理論到仿真再到工程實(shí)際的各種有一個(gè)遞推的漸進(jìn)認(rèn)識(shí)，從而對(duì)所學(xué)知識(shí)更容易接受和掌握。

2.3 分析法

分析法主要是針對(duì)電力電子的電路故障分析，適用于學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，程度比較好的學(xué)生?？勺鳛樘岣卟糠钟嗅槍?duì)性地教學(xué)，也可結(jié)合理論講解當(dāng)作最后的思考題目。

3 效果分析

認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足之后在實(shí)驗(yàn)課上引入了仿真實(shí)驗(yàn)，由幾個(gè)年級(jí)的實(shí)驗(yàn)課后情況統(tǒng)計(jì)表明：對(duì)于只做傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的班級(jí)，可以明顯看出該年級(jí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告只有步驟和部分結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)分析思考很少。在課堂提問和考試上可以看出對(duì)知識(shí)的掌握程度不夠。

對(duì)于引入仿真實(shí)驗(yàn)后和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的班級(jí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣提高了很多，很樂意兩種方法對(duì)照著去做實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行對(duì)比分析和思考，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中也可以看到觀察力、理解力和分析能力有了很大的提高，在課堂上提問回答邏輯性和條理性增強(qiáng)了不少，考試的時(shí)候答題思路和方法也拓展了很多。

4 結(jié)束語

盡管在實(shí)驗(yàn)課上引入仿真實(shí)驗(yàn)，還是以實(shí)驗(yàn)為主，仿真為輔，確立仿真是為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)服務(wù)的原則。因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)跟工程應(yīng)用緊密聯(lián)系，仿真模型搭建方便，調(diào)試安全，容易完善，可以重復(fù)利用，使二者相輔相成后可以把實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行得生動(dòng)有趣又理論深入。通過對(duì)三個(gè)年級(jí)實(shí)驗(yàn)課的效果進(jìn)行對(duì)比，可以看出仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)課上和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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