仿真教学电力电子技术论文

2022-04-24

摘要:为了快速验证电力电子控制系统中的控制算法,提高控制算法的效率,处理器在环测试(PIL)将生成的代码运行到目标处理器上,以验证代码和模型是否一致,并获得算法在实际控制器上的最长运行时间。下面小编整理了一些《仿真教学电力电子技术论文(精选3篇)》,欢迎阅读,希望大家能够喜欢。

仿真教学电力电子技术论文 篇1:

基于Matlab仿真技术在电力电子技术教学中的应用

摘  要:通过单相桥式全控整流电路的具体实例,将Matlab/Simulink仿真技术应用于职业院校电力电子技术的实验教学。给出了单相桥式全控整流电路的仿真模型和电感负载下不同控制角的仿真波形,将控制角的变化对波形的影响清晰的呈现出来,参数的调整与设置非常方便。将仿真实践教学与课堂教学结合,直观、有效,使复杂的电力变化电路分析过程变得相对容易,激发了学生的学习兴趣,提升了课堂效率。

关键词:电力电子技术;虚拟仿真;Matlab /Simulink;整流电路

一、引言

电力电子技术是高等职业院校电气自动化专业的一门专业基础课,横跨电力技术、电子技术和控制技术三个领域,理论性、实践性都比较强。课程内容主要包括电力电子器件、电力变换电路和控制技术等内容。主要研究的是如何利用电力变换电路对电能进行转换、控制和优化,包括电压、电流、频率等参数的控制和变换。教学内容中,电能变换和控制是教学的重点,也是难点。由于理论较多,电路负载多样,控制角度不同,波形变化比较大,分析起来也相对困难。高职的学生在理解电路工作原理和分析波形时比较费力,容易混淆,学习的兴趣随着波形的变化慢慢消失殆尽。

实验是训练学生技能、提升理论水平不可或缺的手段。实物电路的搭接,是课堂教学的重要手段,也是电气工程、自动化等专业的学生所应具备的必不可少的能力。学院使用的教学平台是天煌教仪的DJDK-1型电力电子技术实验装置,平台采用的是挂件结构。在教学过程中有以下问题:1.实验装置采购于十年前,随着时间的推移,平台设备逐渐老化,实验过程中由于操作不当或者外部干扰,实验结果经常不尽如人意。比如在整流或逆变电路中,控制角度不一样,波形也不一样,经常出现实验结果和理论分析不符的情况。2.实验内容与职业教育不符,内容多以验证性的为主,学生通过外接挂件,要完成的工作是简单的接线、观测和计算。内容不具有综合性、创新性和设计性,再加上教学手段单一,教学方法落后,学生学习的主观能动性没有被激发出来,实验预期效果相对较差。3. 用电安全问题。大多数的电力电子实验是强电实验,或者弱电控制强电,实验过程中,经常会有学生由于操作不当,损坏实验器件和电气设备的情况,有安全隐患。基于以上原因,近年来,由于计算机和虚拟仿真技术的发展和进步,虚拟仿真系统成为学院电力电子教学的重要平台。

二、Matlab软件在电力电子技术仿真教学中的应用

由于电力电子器件所固有的非线性等特点,我们在对电力电子电路进行分析的过程中,常常遇到许多困难。Matlab、Pspise、Saber、Multisim等仿真软件为电力电子电路的分析提供了有效、方便的手段,简化了电力电子电路的设计和分析过程。这些软件提供了完善的元器件模型,并将各功能子程序模块化,学生只需简单的操作就可以建立和设计电路模型,易于操作。在教学过程中,常利用Matlab/Simulink中的电力系统仿真工具箱SimPower Systems对电力电子教学进行仿真实验,其具有建模简单,能动态显示仿真波形,結果易于观测等特点。利用Simulink工具箱可完成电力电子技术教学中的绝大部分的仿真实验,包括:单相相控整流电路、三相相控整流电路、逆变电路、直流斩波电路、交流调压电路等典型电路,学生还可根据课程需要设计简单的电路并进行建模仿真。将仿真软件引入实验教学中,充分发挥学生的想象力,让学生自己去设计和开发电路,并对电路进行建模、仿真、观测,极大地促进了学生主观能动性、创新思维和动手能力的提高。

三、典型应用电路的仿真

电力变换电路的电路结构相对复杂,在分析电路时其负载一般有电阻性负载、电阻-电感性负载和电阻-电感性负载接续流二极管三种形式。负载不同,流过负载的电压和电流也不同。在电阻性负载的分析中,由于电阻是线性元器件,流过电阻的电压和电流相位相同,分析相对简单;电阻-电感性负载中,由于电感器件的非线性,流过负载的电压和电流相位不同,通常情况下电压超前电流,并且控制角不同,输出电压、电流波形变化非常大,学生在分析时容易混淆。应用Matlab仿真软件,学生可自己动手设计应用电路,在同一虚拟示波器中观察不同负载,不同控制角下的输入输出波形,参数设置简单、仿真结果直观、方便对比。

下面以典型的单相桥式全控整流电路为例,介绍Matlab仿真软件在电力电子教学中的应用,重点介绍电阻-电感性负载时的仿真建模。

(一)单相桥式全控整流电路的电路结构及工作原理

单相桥式全控整流电路具有输出电压脉动小、功率因数高、整流变压器没有直流磁化等优点,在单相整流电路中应用广泛。

图1是单相桥式全控整流电路在不同负载下的原理图。图中四个晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4构成整流桥,u2是变压器二次侧电压,iVT1和iVT2分别为流过晶闸管VT1和VT2的电流,ud为负载电压,id为负载电流。图1中,电路的负载从左至右分别为,电阻-电感性负载、电阻性负载、电阻-电感性负载加续流二极管。

在单相桥式全控整流电路中,闸管VT1、VT2为共阴极接法,晶闸管VT3、VT4为共阳极接法。控制时要求桥臂上的晶闸管同时成对导通,其中VT1、VT4是一对,VT2、VT3是一对,VT1、VT4和VT2、VT3构成两个整流路径。在给触发脉冲时,要保证两组门极触发信号的相位保持180°的相位差。调节控制角,可以使电路输出不同的波形,输出电压电流的平均值、有效值、功率因数等参数也会跟着变化。

(二)单相桥式全控整流电路的仿真

1.仿真模型的建立

根据图1所示,用MATLAB建立的仿真模型如下:

如图2所示,其中VT1、VT2、VT3、VT4为四个晶闸管模型,ug1、ug2、ug3、ug4为四路脉冲信号模型,用来产生控制信号;电源电压为正弦交流电,幅值220V,频率50Hz;iVT1、iVT2、uVT1、uVT2分别是加在晶闸管VT1、VT2电压和流过的电流;id、ud用来观测负载的电流和电压;Scope为示波器,用来观测各路电压、电流和脉冲信号。

2.模块参数的设置

(1)模块参数的设置:交流电压源的峰值设置为:“220*sqrt(2)V”,频率设置为“50Hz”,电阻和电感的设置分别为:“1Ω”和“0.01H”。脉冲信号的峰值电压设置为“3V”,周期设置为“0.02s”,脉冲宽度设置为“10%”。相位延迟用于设置触发角,计算公式为t=T*(α/360)。在设置触发角时,VT1、VT4是一对,二者必须相同,VT2、VT3是一对,二者必须相同,且这两对触发角必须相差180°。以触发角是30°时为例,VT1、VT4触发脉冲的相位延迟设置为0.02*(30°/360°),VT2、VT3触发脉冲的相位延迟设置为0.02*(30°/360°)+0.01。其它模块参设为默认设置即可。示波器的端口数根据需要进行设置。(2)仿真参数的设置:将开始时间设置为“0”,终止时间设置为“0.1”,算法设置为“ode23tb”。

3.仿真波形

为了方便对比,分别给出了触发角为30°和60°时的仿真波形。

图3和图4每个图的输入输出信号都是9路,信号由上至下分别为:输入正弦波u2;加在晶闸管VT1、VT2上的触发脉冲信号ug1、ug2;流过晶闸管VT1、VT2的电压uVT1、uVT2和电流 iVT1、iVT2;以及加在电阻-电感性负载的电压ud和流过其的电流id。9路信号基本涵盖了电路中所有元素的电压或电流波形,在同一虚拟示波器中显示,非常清晰明了,也方便观察对比,利于学生分析理解,学生对理论知识的理解更透测了,大大提升了学生的学习兴趣。

四、使用效果

经过几个学期的对比,将Matlab /Simulink仿真技术应用在电力电子技术课程的教学中,呈现出了比较好的教学结果,主要有:

第一,现实中,实验用的显示器一般为双踪示波器,最多可同时观测两路信号,并且由于操作不当或者设备老化,经常出现实际波形和理论不符的现象,达不到虚拟仿真呈现的效果。将Matlab应用于职业院校的电力电子技术实验教学,通过一个虚拟示波器可同时观测多路需要观察的信号波形,方便对比,加深了学生对理论知识的理解。

第二,在控制角一定的情况下,通过电路的仿真,可将电路中电源、晶闸管、负载中的电压和电流波形很清晰的在同一示波器中显示出来,方便观察、对比,结果清晰、明了。

第三,在仿真过程中,电路参数可“任意设置”,可以任意设置控制角的大小,任意设置负载和其他参数,非常方便。设置完参数后可立即觀测波形。在之前的实践教学中,电路连接完成,设置负载参数后,需要计算、推导才能得出正确的波形,现在职业院校的学生对计算推导很不感兴趣,教学效果差,仿真教学增强了学生的自信心。

第四,之前的实验内容以验证性为主,挂件已经是定好了的,实验内容基本不能更改,或者可以改动的内容很少,内容不具有综合性、创新性和设计性。将Matlab/Simulink仿真技术引入电力电子教学,学生可以根据兴趣,自己设计电路并进行仿真,结果也易于观测,增强了学生学习的兴趣。

五、结语

本文以单相桥式全控整流电路为例,将Matlab/Simulink仿真技术应用于电力电子技术的实验教学。给出了单相桥式全控整流电路的仿真模型和电阻-电感性负载在不同控制角下的仿真波形,将控制角的变化对波形的影响在虚拟示波器中很清晰的呈现出来,参数的调整非常方便。将仿真实践教学与课堂教学结合,这种方法直观、有效、快捷,使复杂的电力变化电路分析过程变得相对容易,可使学生比较容易掌握电路的工作原理并进行简单的应用电路设计。在高职院校的电力电子技术实践教学中引入虚拟仿真技术,增强了教学的直观性、可视性、便捷性和灵活性,使学生的学习兴趣得到而激发和提高,提升了课堂效率,教学效果相对之前,比较令人满意。

参考文献:

[1]汪先兵,王祥傲.基于仿真技术的电力电子技术课程教学研究[J].集宁师范学院学报,2019,41(6):100-103.

[2]赵健.Matlab虚拟仿真技术在高职电力电子技术课程教学中的应用[J].当代教育实践与教学研究,2019(21):167-168.

[3]范茂彦,张丽芳.Matlab仿真在电力电子技术应用型人才培养中的应用[J].教育教学论坛,2019(33):59-60.

[4]刘海波.《电力电子技术》实验教学改革探索与实践[J].实践科学与技术, 2012(8):95-97.

[5]程琼,黄圣超.《电力电子技术》课程教学的改革[J].理工高教研究,2008(2):109-110.

[6]陈丽茹.电力电子技术课程教学探究[J].中国电力教育,2011(2):68-69.

[7]葛瑜.技电力电子技术递阶式实验教学研究[J].实验技术与管理,2011(5):156-159.

作者:张耀锋

仿真教学电力电子技术论文 篇2:

处理器在环仿真在电力电子技术课程教学中的应用

摘  要: 为了快速验证电力电子控制系统中的控制算法,提高控制算法的效率,处理器在环测试(PIL)将生成的代码运行到目标处理器上,以验证代码和模型是否一致,并获得算法在实际控制器上的最长运行时间。本文以电力电子能量转换器三相半桥DC/AC为例,在Simulink环境下构建了离散仿真模型,让学生很快学会三相半桥DC/AC的工作原理、主回路设计以及控制系统设计,然后通过学会处理器在环仿真去验证测试软件和模型的一致性。通过相同的方法,学生很快能完成电力电子技术课程中的其他能量转换电路控制系统的设计,并在实验之前验证、分析结果,以防因控制算法设计不当在实验过程中出现损坏实验器件的现象。

关键词: 电力电子技术;处理器在环仿真;课程教学

【Key words】: Power electronics technology; Processor-in-the-loop; Course teaching

0  引言

用戶通过Matlab软件,采用基于模型设计的方法进行建模仿真,来学习电力电子转换器的工作原理,进行对主回路以及控制系统的设计[1]。利用Matlab中Simulink工具进行模型设计,然后将设计好的控制模型模块运用目标代码直接生成功能,转换为数字程序,再联合CCS进行联合仿真对控制模型进行验证,最后将联合仿真验证正确的控制算法程序下载到平台的DSP芯片中,再次验证所设计的电路及控制算法的正确性[2-3]。

将Matlab软件与CCS软件成功安装之后,在Matlab/Simulink环境下搭建目标代码直接生成模型之前,需要下载C2000系列的硬件支持包;对模型进行编译生成工程文件和烧录文件之前,需要将Matlab软件与CCS软件进行链接,使 Matlab在编译过程中能顺利调用CCS软件,以便于生成工程文件和烧录文件[4]。

1  离散仿真模型的搭建

在Matlab/Simulink中搭建三相半桥DC/AC的仿真模型[5-6],其中仿真模型中主电路模型如图1  所示。

PIL仿真模型如图2所示,其中Controller模块是电流内环闭环控制器;Rate Transition为采样频率转换器,由于DSP芯片控制频率与Matlab仿真步长频率不一致,在做PIL仿真时需要对仿真频率进行转换,Rate Transition1为输入侧,设置的数值由

做PIL仿真时DSP芯片所需控制频率决定,若DSP控制频率为10 K,则该模块的设置值为1e-4,该值的设置决定了在PIL仿真时单位时间内DSP执行生成代码的频率;Rate Transition2为输出侧,设置的数值由模型的仿真步长决定,其设置值应与仿真步长相同;数据转换模块Single和Double是Matlab/ Simulink和DSP芯片进行数据交换的纽带,在Simulink环境下,存储数据和计算数据一般都为Double类型,而Matlab与DSP芯片进行通讯时,传输数据的位宽要求不高于32位,因此从Matlab输入的数据必须由Double类型转换成Single类型,从模块输出到Matlab的数据由Single类型转换到Double类型,两者在进行数据交换时需要进行数据转换才能保证PIL仿真的正常运行[7-12]。

打开图2中的Controller模块,其搭建的控制策略的模型如图3所示。

为了实现了逆变器的控制,需要研究合适的控制算法,图3中电流内环模型的搭建如图4所示。通过Park变换将所测的逆变器侧电流由三相静止坐标下的交流量变为同步旋转坐标下的直流量,再  通过PI控制器构成的负反馈系统实现对Id和Iq的 控制。

将Id_ref的大小设置为0.7 A,进行仿真,得到Iabc的波形如下所示,电流幅值最终稳定在0.7 A左右。如图5所示。其仿真结果实现了对三相半桥DC/AC仿真搭建的验证。

2  处理器在环(PIL)仿真

所谓处理器在环(PIL)仿真,就是基于模型的设计而自动生成的C代码,可以将其直接下载至控制板中运行。为了进一步验证基于模型的设计而自动生成的代码的可行性,可以通过Matlab和DSP控制器间的联合仿真进行处理器在环测试,在该测试中,除了控制器是实物,其它均为虚拟硬件[13-16],这是对系统的一种半实物仿真。利用上节所搭建的三相半桥DC/AC的仿真模型来做处理器在环仿真,以验证所设计的控制策略的正确性,以及处理器在环仿真的可行性。其处理器在环仿真步骤如下:

(1)将USB转TTL通讯模块与DSP板进行连接,并在电腦设备管理器上查看通讯口为COM几,并在属性中设置波特率;

(2)在Matlab命令栏中输入命令,串口号根据设备管理器中的查看得到的串口一致;

(3)配置Configuration中的Solver,其中Fixed-step size的设置根据仿真步长决定;

(4)配置Hardware implementation,其中CCS configuration根据自己的配置文件所在路径进行设置,不要使用默认选项,否则程序有可能出现下载不成功的现象。将Groups中的External mode界面中参数进行配置,注意COM串口要与步骤(1)中查看的COM口一致;

(5)配置Verification参数,将Advanced parameters的Create block选择为PIL;

(6)将想要生成代码的控制算法封装成一个子系统,如图6所示,搭建的仿真模型中的Controller。

(7)右键子系统模块,点击C/C++ Code中的Deploy this Subsystem to Hardware,再点击跳出窗口里的Build,会在新的窗口里生成PIL模型;

(8)将生成的PIL模块移植至原来搭建的离散模型中,替换被生成代码的子系统;

(9)将电脑和DSP芯片的下载线和通讯模块连接好,将DSP板通电,点击仿真按钮即可进行PIL仿真,在PIL仿真中换流器的输出电流的波形如图7所示。

由图7可知,换流器输出电流的幅值也控制为0.7A,其整体波形也与之前Simulink仿真波形一致,证明了DSP中的算法能够实现闭环控制,生成的代码没有错误。

3  结论

控制算法的实现需要编写相关代码,然后下载至相关控制器中实现相应功能。手编控制代码不仅费时和容易出错,而且不便于校验和维护。Matlab为嵌入式处理器应用程序的开发提供了强大的功能,利用MathWorks公司和TI公司联合开发的MATLAB Link for CCS Development Tools工具箱,可以实现对DSP芯片的可视化编程,像操作Matlab变量一样来操作DSP器件的存储器和寄存器,使得用户在Matlab环境下完成对DSP的操作,能够极大提高DSP应用系统的开发进程。

本文以电力电子能量转换器三相半桥DC/AC为例,在Simulink环境下构建了离散仿真模型,利用处理器在环仿真将生成的代码运行到目标处理器上,以验证代码和模型是否一致,仿真结果正确良好,验证了所搭建的三相半桥DC/AC模型与所生成的代码一致性。因此可以通过相同的方法,学生很快能完成电力电子技术课程中的其他能量转换电路控制系统的设计,并在实验之前验证、分析结果,以防因控制算法设计不当在实验过程中出现损坏实验器件的现象。

参考文献

[1] 黄忠霖. 电力电子技术的MATLAB实践[M]. 北京: 国防工业出版社. 2009.

[2] 钱振天, 徐晓轶, 谌平平, 姚文熙. 基于Matlab/Simulink的软件在环仿真技术研究[J]. 电力电子技术, 2016, 50(10): 5-7.

[3] 渠博岗, 易映萍. 基于CCS与MATLAB/Simulink联合仿真平台的构建与实现[J]. 电子技术应用, 2016, 42(04): 106-110.

[4] 张雄伟, 陈亮, 曹铁. DSP芯片的原理与开发应用(第3版)[M]. 北京: 电子工业出版社. 2009.

[5] 雒明世, 张倩琳. 基于MATLAB 的OFDM 系统仿真与教学研究[J]. 软件, 2015, 36(6): 152-157.

[6] 王巧明, 李中健, 姜达郁. Matlab平台DSP自动代码生成技术研究[J]. 现代电子技术, 2012, 35(14): 11-13.

[7] 何舜, 张建文, 蔡旭. 风电变流器的RT-LAB硬件在环仿真系统设计与实现[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(23): 43-48.

[8] 李艳. 基于Matlab-GUI单相全控桥整流电路仿真设计[J]. 软件, 2012, 33(8): 84-85.

[9] 徐安平. 基于电流的电机驱动系统逆变器故障检测方法研究[D]. 电子科技大学, 2015.

[10] 李拓, 杜庆楠. 基于 TMS320F28335 的三相感应电机矢量控制系统的研究[J]. 软件, 2018, 39(3): 130-135.

[11] 陈鹏伟, 刘向军, 刘洋. 基于Simulink的无刷直流电机自抗扰控制系统的仿真[J]. 软件, 2012, 33(9): 81-84.

[12] 郭元彭, 卢子广, 杨达亮. 基于DSP代码自动生成的实时控制平台[J]. 电力电子技术, 2010, 44(10): 65-67.

[13] 宋璐雯. 基于DSP平台的JPEG2000 EBCOT-Tier2算法实现及优化[J]. 软件, 2018, 39(5): 139-143.

[14] 林渭勋. 现代电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[15] 李献, 骆志伟. 精通MATLAB/Simulink系统仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2015.

[16] 刘和平. DSP原理及电机控制应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社. 2006.

作者:易映萍 侯文 蒋玲 谢明

仿真教学电力电子技术论文 篇3:

电力电子技术仿真教学改革与实践

摘要:针对电力电子技术课程提出仿真教学模式,以增强学生对电力电子系统的正确理解并提高学习兴趣和自主学习能力。大力开展仿真教学模式可以大大提高教学重点和教学难点的教学效果。以三相桥式全控整流电路为例,详细说明了仿真教学过程,包括不同负载下的工作波形分析及电路扩展应用仿真实验任务。几年的教学结果表明,仿真教学模式可以大大提高学生的学习能力与创新能力,并为后续课程设计及创新实验奠定了良好的基础。

关键词:电力电子技术;仿真;教学改革;过程分析

高校电类专业中,电力电子技术是自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程等多个专业的重要技术基础课程。该门课程涉及电力电子器件、电力电子主电路及控制电路,集电力技术、电子技术和自动控制技术为一体,具有非常广泛的应用前景[1-2]。

电力电子技术课程具有很强的综合性和实践性,因此在教学过程中十分重视对各种电力电子电路的工作原理及电压、电流的波形分析,这样能够更加深入的理解电力电子器件的开关特性[3-4]。由于电力电子技术课程中将包含整流电路、逆变电路、直流-直流变流电路和交流-交流变流电路,同时又有各种不同负载分析,如电阻性负载、阻感性负载及反电动势负载等,在此基础上又包含相应的参数计算,如直流电压、电流平均值、交流电压、电流有效值等[5-6],因此在该门课程的教学及学习过程中主要存在如下几点问题:

(1)教学过程中由于课时的限制,教师不能在黑板上手工绘制和讲解全部电路波形,而是大量采用幻灯片方式教学,造成学生不易理解。

(2)学习过程中由于各种变换电路知识点较多,因此会让学生感觉到电路非常繁琐,分析非常抽象,并从思想上认为课程不好学。

(3)实验学时不足,使学生对电力电子器件性能及电力电子电路的应用不能有更为深入的认识。

以上问题均反映出教学手段及教学设计上存在不足,因此本文提出以仿真教学模式为主,同时配合传统黑板手工波形绘制与计算分析为辅的复合型教学模式,不仅可以大大提高教学效率、教学效果,同时可以帮助学生提高学习兴趣、增强自主学习能力,使得更为深入理解电力电子技术课程的学习内容。该种教学模式的深入开展,对电力电子技术课程设计、相关毕业设计以及开放性实验和创新实验是非常有益的。

一、电力电子技术仿真教学改革

电力电子技术课程内容量大、知识点多、既有理论分析又有实际电路应用。以我校自动化专业为例,采用王兆安老师主编的《电力电子技术》第五版教材,课程内容将涉及电力电子器件、电力电子电路(AC-DC整流电路、DC-AC逆变电路、DC-DC直流-直流变流电路、AC-AC交流-交流变流电路)及电路控制技术(PWM、软开关),课时安排为56学时,其中8学时为实验教学。在48学时的理论教学内容中,除绪论、习题课和总复习占4学时外,电力电子器件占4学时,电力电子电路占34学时,PWM控制与软开关技术占6学时。由上可见,电力电子电路占理论教学学时的70%,但是该部分的实际教学内容非常多,以整流电路部分为例,将主要涉及到两大类(单相整流、三相整流)、四小类(单相半波整流、单相桥式整流、三相半波整流、三相桥式整流)、三种负载(电阻性、阻感性、反电动势)及多种电路变换形式(如带续流二极管),其中每种电路还要分析不同触发角(如30度、60度、90度、120度等)控制下的电路工作原理、电压和电流波形图(如负载直流电压、负载直流电流、晶闸管承受电压、晶闸管流过电流、交流电流等)、电量参数计算(如直流平均值、交流有效值)。如此复杂的电路教学过程,若仅靠传统黑板板书及幻灯片教学模式进行讲解,将不能在有限的课时时间内,既完成教学内容,又让学生深入理解各种电路的工作过程,其结果是学生没能抓住电力电子电路学习的根本,不具有分析和设计电力电子电路的能力。

电力电子技术的仿真教学改革就是要改变上述由于教学内容多、课程内容复杂、课时分配少而带来的教学和学习问题,其改革的内容就是在有效的教学时间内,通过仿真软件搭建电力电子电路并进行仿真波形分析与工作原理讲解的教学模式,该模式不仅能把教学基本内容讲授清楚,同时能大大提高学生对课程教学重点与教学难点的理解和把握,达到事半功倍的效果。

仿真教学改革中采用MATLAB仿真软件,其中的电力系统模型库包含电源模块库、电器元件模块库、电机模块库、电力电子元件模块库、连接件模块库、测量仪器模块库和其他电气模块库。通过使用Simulink模块库组成电力电子控制电路,使用电力系统模块库组成电力电子主电路和驱动电路,可以较为容易的分析和设计更为复杂的电力电子电路,可以深入的研究和观察电力电子电路的动态响应和稳态响应。

二、仿真教学过程实例分析

由于电力电子技术课程中的各种电路形式复杂多样,因此以三相桥式全控整流电路为例,来说明电力电子技术的仿真教学过程。三相桥式全控整流电路在工业生产中具有重要位置,大量用于电解、电镀、直流电机传动、励磁等场合,因此该电路是电力电子技术课程的重点内容。

三相桥式全控整流电路为如上所述教材的3.2.2节内容,主要包括电路原理图、电阻性负载、阻感性负载工作情况三部分内容。该节课程的知识目标定位于掌握三相桥式全控整流电路的组成、特点及应用,理解三相桥式全控整流电路的工作原理;能力目标定位于能够根据电路图搭建相应电路并进行测量,同时能够根据任务要求开展相关实验。该节课程的仿真教学过程中首先让学生掌握电路结构,然后针对不同负载情况下,让学生理解工作原理并学会波形分析及参数定量计算,最后结合“自动控制原理”及“电机学”课程相关内容,给出仿真实验任务,目的让学生逐步进入状态,逐步掌握学习这门课的方法,下面给出仿真教学中需要注意的教学重点,其它教学部分可参考相应教材,这里不再赘述。

1.三相桥式全控整流电路结构

该部分首先介绍三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的整流电路,它区别于单相整流与三相半波整流,具有功率大、直流脉动小等优点,同时采用幻灯片播放实际应用案例的形式,来增强学生对该部分内容的感性认识,并提高学生的学习兴趣。其次,介绍该电路中包含六个晶闸管元件,是目前学习中器件最多的电路,需要学生们认真理解六个晶闸管器件的触发工作过程。再次,采用MATLAB仿真软件搭建三相桥式全控整流电路原理图,如图1所示。

搭建的过程中,一定要强调以下几点:①晶闸管器件编号务必为共阴极组内VT1、VT3、VT5,共阳极组内VT4、VT6、VT2;②晶闸管门极触发脉冲顺序务必为VT1-VT6;③晶闸管触发脉冲相位间隔60度。

2.带电阻性负载情况分析

前面讲解完三相桥式全控整流电路搭建后,真正进入到电路工作原理、波形分析及定量计算部分。进一步完善上面仿真电路原理图,将负载选择为电阻性负载,并增加若干示波器观察点,其中三相电源设置为幅值100V、频率50Hz,电阻负载2Ω,仿真参数设置为仿真起始时间0.0s,结束时间0.1s,算法选择ode23tb。

带电阻性负载情况下的教学重点为:①不同触发角下的波形分析;②负载电流的连续与断续分析;③晶闸管的单触发脉冲与双触发脉冲形式。其中难点内容为连续与断续状态下的脉冲形式。

首先通过仿真详细讲解30度触发角时的波形情况,要求学生在给定电源条件下能够正确理解触发脉冲、直流负载电压、直流负载电流、晶闸管承受电压和交流电源电流的波形,具体如图2所示。讲授过程中需要注意:①触发角的触发时刻,由于三相整流电路的自然换相点对应A相电压波形的30度位置,因此30度触发角情况下的晶闸管VT1触发时刻为60度位置,换算成时间为0.0033s;②将整个电源周期分成6段,每段先确定6个晶闸管的导通与关断状态,再分析其他电量;③特别注意强调线电压波形及波形画法。

然后,利用仿真教学的优势进一步讲解如上教学重点要求,如图3所示为60度和90度触发角下的晶闸管触发脉冲情况和直流输出电压波形情况。图中可以清楚的看到60度触发角为负载电压和电流连续与断续的临界点,90度触发角时清楚的看到负载电流为断续状态,同时各个触发脉冲为保证电流断续下正常工作而变成双触发脉冲形式。

为了让学生能够更深入的理解电阻性负载时的工作情况,在仿真教学过程中,可以采取更小的脉冲角度间隔对多个触发角进行多次仿真,这样更能深入理解随着触发角的增加,直流负载电压不断降低的过程。

3.带阻感性负载情况分析

当三相桥式全控整流电路带阻感性负载工作时,其特点就是能保证负载电流续流而不出现断续的状态,因此该部分的教学重点为:①让学生能够清楚的理解整个移相范围内负载电流总是连续的工作状态;②由于电感的作用,负载电压会出现负的部分;③大电感状态下,负载电流近似为一条直线。图4为触发角为90度时三相桥式全控整流电路的波形情况,与图3中触发角为90度情况进行对比,可以清楚的看出阻感性负载时的直流负载电压波形既有正向波形,又有负向波形,负载电流波形始终处于连续状态,同时还可以通过仿真教学清楚的展示电感为5mH和200mH时的直流电流波形,其中5mH时电流波形脉动较大,而200mH时电流波形脉动较小,近似为一条直线,这也充分说明当电感值为200mH时,感抗相对于阻抗来说充分大。

4.仿真实验任务:直流电机闭环调速系统

完成如上规定的仿真教学任务后,可以给学生布置相应的仿真实验任务,结合直流电机原理和闭环控制原理,安排直流电机闭环调速系统的仿真实验,可以安排在实验课中完成或课后自行完成。仿真实验任务如下:

(1)仿真参数设置:仿真起始时间0.0s,结束时间5s,算法选择ode23tb。

(2)系统要求跟踪恒值速度给定500r/min。

(3)转速调节器设定为比例控制,要求分析不同负载转矩、不同转速比例调节下的电机电压、电流和转速波形。

这里给出用于教学参考的系统仿真结构图及电机电压和电流波形,如图5和图6所示。由于直流电机为阻感性负载,因此通过仿真实验可以更深入的认识阻感性负载下的三相桥式全控整流电路的工作过程,直流负载电压即电机供电电压有正负波形,直流负载电流即电机电枢电流为连续状态且近似为一条直线,转速波形由学生在仿真实验中自行观察。

三、结论

本文提出的电力电子技术仿真教学模式,通过搭建电力电子系统主电路和控制电路并进行波形仿真的方法,能够使学生更加深入的理解电路结构图、电路工作原理、电量波形及参数计算。仿真教学模式不仅能够大大提高学生对教学重点与教学难点的正确理解,同时对学生进行后续课程设计、开放性实验、创新性实验及相关毕业设计工作奠定了知识能力基础。

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]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2013.

[3]龚建芳.基于MATLAB的“电力电子技术”教学模式探讨[J].中国电力教育,2013,(16):63-65.

[4]林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009.

[5]俞骋.MATLAB仿真在职业学校电力电子技术教学中的应用[J].中国电力教育,2014,(3):92-93.

[6]荣军,万军华,等.计算机仿真技术在电力电子技术课堂教学难点中的应用[J].实验技术与管理,2012,29(8):103-105.

(责任编辑:韩晓英)

作者:曹勇?吴峰