虚拟仿真技术在电力电子技术课程教学中的应用研究与实践

2019-08-06 版权声明 举报文章

虚拟仿真技术在电力电子技术课程教学中的应用研究与实践

摘要:在分析了电力电子技术课程教学的现状后,提出虚拟仿真技术的应用可提高该门课程的教学效果。比较众多虚拟仿真软件后,认为Matlab软件尤为适用于电力电子技术实验的仿真。最后,以直流升压斩波电路为例,详细介绍了使用Matlab软件进行模拟仿真的方法和步骤。

关键词:虚拟仿真;Matlab;电力电子技术;实验实训

中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)02-0134-02

一、引言

电力电子技术是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科,且广泛应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域,它的应用领域几乎涉及国民经济的各个工业部门。

二、电力电子技术课程教学现状

当前高职院校基本都采取理论教学加实践操作的模式进行电力电子技术课程的教学。首先,讲解电力电子器件的工作原理、特性以及使用方法;然后对各种变流电路(包括整流、逆变、斩波和交流变换等)的电路构成、工作原理和波形等进行分析;最后在实验实训台上进行实操、搭建电路、观察波形等进行验证。

电力电子技术课程本身属于电类各专业课程中较难的课程之一,教学对象又为高职学生,他们理论基础差,计算能力弱,因此教学重心一定偏向实操。然后,在对电力电子电路进行实验实训分析的过程中,由于电力电子器件具有非线性等特点以及电力电子电路的复杂性,造成实验实训结果不明显,单从示波器显示波形不能很好地检测电路的正确性。而且电力电子技术的实验实训都涉及到220V或者380V的高电压,具有一定的危险性。往往造成学生实验实训项目做得迷迷糊糊,不知道结果是否正确,即使知道错误了也很难进行排故,导致学生学习兴趣减低,形成恶性循环。

三、虚拟仿真技术在电力电子技术教学中的应用

虚拟仿真技术是近年来随着计算机技术迅猛发展而逐步形成的一类实验研究的新技术,它在各类专业各种类型的课程当中被广泛应用。虚拟仿真技术的优点主要有:(1)实验硬件门槛低,基本不需要专业的实验设备,只需要普通计算机即可;(2)实验过程安全可靠,不涉及高电压、高电流;(3)实验过程迅速、结果清晰明显,能快速地在计算机屏幕上显示所需要的所有结果,一目了然;(4)纠错排故简单,基本的仿真实验修改只需要在仿真环境下进行器件或者连接的修改。

鉴于以上优点,虚拟仿真技术在电力电子技术课程实验当中进行应用十分合适,并能有效地提高电力电子技术课程的教学效果。目前,可对电力电子电路及系统进行虚拟仿真的软件较多,如Matlab、Pspise、Saber以及Multisim等。这些模拟仿真软件的出现,为电力电子电路及系统的分析提供了方便、有效的手段,大大简化了电力电子电路及系统的设计和分析过程。其中Matlab软件由于其Simulink环境下提供的SimPowerSystems工具箱在电力系统分析、电力电子电路分析中令人满意的表现、友好的界面和模块化的形式受到广大用户的青睐。

根据电力电子技术课程教学的要求,结合课程实验操作内容,我们设计、建立并实现了涵盖高职教学要求的十五个电力电子技术Matlab仿真项目。下面以直流升压斩波电路为例,详细介绍使用Matlab软件进行模拟仿真的方法和步骤。

四、仿真实例

本节以直流升压斩波电路为例,详细介绍使用Matlab软件进行电力电子电路仿真的方法和步骤。直流升压斩波电路是典型的直流斩波电路之一,它通过电容、电感元件的储能以及电力电子器件(此处使用IGBT)的通断控制,使负载上得到比电源电压高的电压,其电路原理图如下所示。

根据电路原理图,在Matlab的Simulink中建立直流升压斩波电路仿真模型,步骤如下:

1.仿真平台建立。启动MATLAB,进入MATLAB环境,点击工具栏中的Simulink选项,进入所需的仿真环境,点击File/New/Model新建一个仿真平台。

2.模块提取。在Simulink环境中拉取所需要的模块到仿真平台中,具体做法是点击左边的器件分类,电力电子仿真实验一般只用到Simulink和SimPowerSystems两个,分别在它们的下拉选项中找到我们所需的模块,用鼠标左键点击所需的模块不放,然后直接拉到仿真平台中。本电路图所需要的模块及提取路径如下表所示。

3.仿真模型建立。将提取的各模块,按照原理图布局好位置并进行连线。具体做法是移动鼠标到一个模块的连接点上,会出现一个“+”字型光标,按住鼠标左键不放,一直拉到所要连接的另一个模块的连接点上,放开左键,连线就完成了。本电路图的仿真模型如下图所示。

4.参数设置。参数设置分为模块参数设置和仿真参数设置。模块参数设置如下:直流电压源的幅值设置为100V。电阻负载设置为1Ω。控制脉冲电压由脉冲发生器产生,电压幅值设置为3V,周期设置为0.001S,脉冲宽度比的大小设置可改变输出负载电压的大小。IGBT、功率二极管、信号分解器、电感和电容可保持默认设置。示波器根据需要输出的波形个数设置输入端口数。仿真参数设置如下:将开始时间设置为0,终止时间设置为0.01,算法设置为ode23tb。

5.仿真。完成以上步骤后便可以开始仿真,仿真结束后双击示波器观察波形。直流升压斩波电路在控制脉冲电压宽度比为80%和40%时的仿真波形如图3所示,与理论分析值一致。

五、小结

虚拟仿真技术随着计算机技术的发展在近些年得到了长足的发展,越来越多的课程在教学中引入了虚拟仿真技术,它对课程教学效果的提供具有较大的作用。文章在分析教学现状的基础上,引入了使用Matlab软件的虚拟仿真技术,并以直流升压斩波电路为例,详细介绍使用Matlab软件进行电力电子电路仿真的方法和步骤。

参考文献:

[1]王波.虚实结合、理实一体的电力电子技术课程改革的探索与实践[J].时代教育,2015,(7).

[2]牛天林,樊波,张强,等.Matlab/Simulink仿真在电力电子技术教学中应用[J].实验室研究与探索,2015,34(2).

[3]荆红莉,赵鹏.MATLAB在电力电子技术教学中的应用[J].榆林学院学报,2015,25(4).

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