农业电气化背景下的“电力电...技术”课程仿真实验平台建设_王长云.pdf

2023 年 4 月下163Agricultural Mechanization Synthetic Study农机化综合研究农业电气化背景下的“电力电子技术”课程仿真实验平台建设*王长云，张燕，管晓虎，时谦（新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）摘要：【目的】探讨农业电气化背景下“电力电子技术”课程仿真试验平台建设，改善教学过程中出现的学生理论与实践结合不充分、实验促进教学效果提升不明显等问题。【方法】依托MATLAB/GUI平台设计实现了四大类变流电路的仿真实验基础平台，在仿真实验平台中，学生可以修改各关键参数，观测各关键点的波形曲线，实现对仿真结果的分析和研究，并深入理解实验意义，提高理论与实际结合的应用水平。【结果】该虚拟仿真实验系统代替了传统仪器设备实验，避免了设备故障、元件老化等不可控因素，尤其是不受时间地点等环境限制，为学生在农业电气化领域应用电力电子技术打下坚实基础。【结论】结合传统的教学方式，合理利用计算机仿真技术进行仿真实验教学，既能解决学生学习习惯、方法的差异，又能提高教与学的效率，还能提高学生学习兴趣和培养学生的自我管理能力，可为提升教学质量、创建一流课程奠定基础。关键词：“电力电子技术”；仿真平台；MATLAB/GUI中图分类号：S24 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.049Construction of Simulation Experiment for“Power Electronics Technology”Course under the Background of Agricultural Electrification*Wang Changyun,Zhang Yan,Guan Xiaohu,Shi Qian(Xinjiang Agricultural University,Xinjiang Urumqi 830052)Abstract:Objective To explore the construction of the“Power Electronics Technology”course simulation test platform under the background of agricultural electrification,and to improve the problems in the teaching process,such as the insufficient combination of students theory and practice,and the lack of obvious improvement of experiment in promoting teaching effect.Method Based on the MATLAB/GUI platform,the basic platform for simulation experiment of four types of converter circuits was designed and implemented.Using the simulation experiment platform,students can modify key parameters,observe the waveform curves of key points,realize the analysis and research of simulation results,and deeply understand the significance of the experiment to improve the application level of combining theory with practice.Result The virtual simulation experiment system replaces the traditional instrument and equipment experiment,avoids the uncontrollable factors such as equipment failure and component aging,especially is not limited by time and place,and lays a solid foundation for students to apply innovative power electronics technology in the field of agricultural electrification.Conclusion Combined with the traditional teaching method and the reasonable use of computer simulation technology,the simulation experiment teaching can not only solve the differences in students learning habits and methods,but also improve the efficiency of teaching and learning,improve students learning interest and cultivate students self-management ability,which can lay the foundation for improving teaching quality and creating first-class courses.Keywords:“Power Electronics Technology”;simulation platform;MATLAB/GUI0 引言农业现代化是实现乡村产业振兴的重要条件，而农业电气化水平是农业现代化建设的决定性因素1。农业电气化既包含农业生产用电也包含农村居民生活用电，近年来，我国农业电气化与自动化水平逐年提高，其中的关键因素就是电力电子技术的应用水平。以四大类变流技术及相关控制技术为基础在农业农村领域广泛应用，使农业装备发展迅速、农村电网更加坚强2。依托直流电压变换与逆变技术可以将农村地区的自然资源（风能、光能、沼气）转换为电能，避免农忙时节电力不足的问题，同时可减少农村电网用电特点给电力调度带来的巨大压力。基于电力电子器件改良优化的农业机械也给农业电气化带来更为广阔的发展空间，如依托PWM技术的精量施肥机，依托变频技术的水泵、清选机、农业电动车辆驱动，基于开关电源的农业自动化设备节能改造方案基金项目：教育部第二批新工科研究与实践项目“新工科教育体系下农业工程类专业人才培养质量提升路径探索与实践”（E-SPNL20202326）；新疆农业大学2022年校级教研教改项目（2022SJKF79）作者简介：王长云（1992），男，山东胶州人，硕士研究生，讲师，研究方向为新能源发电技术。通信作者：张燕（1983），女，甘肃玉门人，硕士研究生，副教授，研究方向为农业工程。1642023 年 4 月下Agricultural Mechanization Synthetic Study农机化综合研究等。而要培养适应新时代农业电气化与自动化发展的产业技术人员，就需要加强本科教育阶段的“电力电子技术”课程实验教学，但传统实验教学设备更新换代比较慢，实验开展受硬件限制，一些较为复杂的电力电子电路创新和综合性实验无法通过模拟实验完成实践课教学。通过引入仿真教学，扩大实验内容的维度，加强学生对主电路、控制电路的认识，为日后的农业电气化领域工程实践应用打下坚实基础。1 MATLAB/GUI仿真技术虚拟仿真融入教学过程正在变得愈加重要3，教育部2019年也提出应当进一步深化融合信息技术与常规教育教学4。近年来，新疆农业大学机电工程学院各课程组逐步开展了线上教学模式改革，“电力电子技术”课程组以MATLAB/Simulink和图形用户接口（Graphical User Interface,GUI）为基础设计了电力电子四大类变流电路仿真实验平台。该平台由整流、逆变、斩波、交交变换四个子模块构成，可以实现该课程主要知识点的仿真教学。利用该仿真实验平台，在线上课堂教学中也可以完成实验教学部分，实验时间和地点亦不再受实验室条件限制，在课堂教学理论知识讲解中，辅以仿真实验验证理论，可以帮助学生加深理解与记忆。在促进学生知识掌握的同时加强了实践训练，培养了学生课后自主开展实验促进学习的能力，以适应卓越工科人才的培养需求5-6。MATLAB 的图形用户接口 GUI 是一种基于MATLAB打造的可视化交互平台7，它可以实现用户与 MATLAB 的信息交互，将部分繁杂的代码改动替换为在可视化界面的操作，便于学生在不掌握MATLAB/Simulink建模的基础上开展仿真实验。本研究所提议的仿真实验教学平台总体设计：基于Simulink搭建各变流电路的电路模型，实现硬件电路的基础仿真模拟；通过编写函数文件调用Simulink仿真运行后在工作区存储的波形数据，使之显示在GUI界面前台；通过指定各分M函数对象实现在GUI界面改动变流电路参数后，Simulink模型中的参数被同步修改，并自动刷新工作区内各输出波形数据。2 电力电子虚拟仿真平台的建立2.1 电力电子虚拟仿真平台结构仿真实验教学平台的实验项目选定需要考虑实际教学过程中的实验安排及理论教学重点，以实现仿真教学促进理论与实验教学8-9。为此，课程组根据新疆农业大学“电力电子技术”课程的教学大纲，确定四大类变流电路为仿真主体，并在各主体下结合理论教学重难点知识分别选择24种子模块，具体结构如图1所示。整流电路教学重点选择单相半波、单相桥式、三相半波及三相桥式四种典型电路作为实验项目，能够分别仿真模拟带电阻性负载及阻感性负载的工作情况。逆变电路则考虑新疆农业大学学生就业更多针对新能源发电方向，所以选择单相及三相有源逆变电路作为实验项目。直流斩波电路将三个基础电路全部引入仿真实验。交交变换电路的变频电路选择主要是考虑交交变频的应用受变频范围限制，应用场景较少，为此选择交直交变频电路作为实验项目。2.2 界面设计设计主界面是为了使用者能够快速了解实验平台并选择实验项目。仿真平台主界面及子界面设计如图2所示，主界面提供四大类变流电路对应的4个图1电力电子虚拟仿真平台结构框图基于MATLAB的电力电子虚拟仿真平台整流电路逆变电路直流斩波电路交交变换电路单相半波可控整流电路单相桥式全控整流电路三相半波可控整流电路三相桥式全控整流电路单相桥式有源逆变电路三相桥式有源逆变电路降压斩波电路升压斩波电路升降压斩波电路单相交流调压电路三相交流调压电路交直交变频电路2023 年 4 月下165Agricultural Mechanization Synthetic Study农机化综合研究选项菜单，点击不同的选项就可以进入不同的实验子窗口，在每个实验子界面的窗口中可以修改各负载类型、电压大小、控制角等参数。在各自的窗口中，用户可以通过图形用户界面直接观察参数变化后各电路的波形变化规律，从而便于分析研究其工作原理与基本数量关系。在主界面点选“整流电路”就可以进入整流电路的实验子界面。为了GUI界面更美观，用一个灰色的静态文本框置于子界面左侧输入文本框和按钮的底部。用户可以设置触发角、电源电压、电源频率、电阻、电感，观察负载电压、电流和晶闸管电压的波形，并在右上角显示相应的电路图。点击子界面右下方的“返回”按键，便可跳转回虚拟仿真实验平台一级菜单主界面。其他三类变流电路的操作子界面设计与整流电路相同，只是可调参数根据实验项目要求不同而略有差异。3 仿真实验与理论对比3.1 整