电力拖动的虚拟实验技术探讨

摘 要 电子计算机技术的出现与发展，推动了科学的发展。伴随着计算机的发展，与电子计算机相关联的技术手段也如井喷式的涌现出来，而计算机仿真技术的诞生正是众多新技术其中之一。把仿真技术运用到电力拖动系统之中开展虚拟实验，将抽象化的理论直观的展现出来以便于理解。加之虚拟实验还拥有成本低与效率高的优点，因此在电力拖动系统中得以重视与使用。

关键词 电子计算机；电力拖动；虚拟实验

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0132-02

Abstract： The emergence of electronic computer technology and development， is the cross time in the history of science innovation. Along with the development of the computer， that is associated with the electronic computer technology also emerge such as blowout， and the birth of the computer simulation technology is one of many new technology. Apply the simulation technology to the electric drive system of virtual experiment， the abstract theory of intuitive display in order to facilitate understanding. Combined with the virtual experiment also has the advantages of low cost and high efficiency， therefore to pay attention to and the use in the electric drive system.

Key word： electronic computer；electric drive；virtual experiment

随着社会经济的发展，以及人们素质的普遍提高，社会对人们的要求也日益提高。但是由于种种方面的限制，诸如资金的不足，实践活动的缺乏等种种因素，导致实际操作能力与创新能力缺乏。而虚拟实验技术的引用能够大大缓解以上种种因素的限制。具体到电力拖动的虚拟实验技术当中，MATLAB等软件的运用，成为了虚拟实验开发与创新技术培养的全新方式。

1 虚拟实验

1.1 概述

虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术。利用计算机的强大功能可虚拟仿真实际的物理系统。众多计算机仿真软件的不断被研发出来，并应用于科研技术设计之中，做出了极为巨大的贡献。PISPCE和MATLAB是当今较为常见的计算机仿真软件，其中MATLAB是虚拟实验的主要开发软件。

1.2 优势

在如今大多电机课程实验设备条件下，运用直流电机作为调速对象，仅仅只能开出直流调速系统实验。传统实验虽然拥有众多优势，但是劣势也显而易见，诸如体积巨大，维护繁琐，故障频出，购置需要大量资金等。同时在培养方面也具有巨大局限，如容纳人数的数量方面受到限制，对实验计划和方案制定会提出很高的要求，容错率很低，难以满足人才培养的需求。因此，由于传统实验存在的种种不足，衬托出了虚拟实验多种优势。基于计算机平台上的虚拟实验技术将以上劣势化为优势，对仪器和设备几乎没有需求，同时节省资金和空间。

2 具体运用

通过在计算机外接设备上的点击与拖动，将虚拟的各种仪器，按实验的目标与步骤整合成一个完整实验系统的过程，就是虚拟实验。而实验条件的变动，数据的收集汇总，实验结果的分析归纳三个方面全部完成，才意味着整个实验的达成。本文以带有RLC滤波器的交流电机变频调速实验作为实例，实验中包括电机、电力电子、驱动控制三个方面，分析虚拟实验的强大作用，并与传统实验进行比较。

2.1 模型的建立

将电压源型逆变器、电动机主回路以及RLC滤波器通过使用MATLAB中PSB库中的元件模型完成建立。一般出现超过功率变换电路的情况，并产生多环节控制，多信号反馈，多非线性环节的特征，说明控制电路规模较大，需要大量运用集成电路。但是，基于对电路的控制，其输入输出特性是我们研究所要了解的主要目标，而其内部的电压与电流则是可有可无的旁枝末节，导致无法使用虚拟实验来进行电路的控制。所以想要实现仿真的方式，可以通过SIMULINK数学函数进行SPWM的调制电路模型的驱动控制。而右图即为所示。

2.2 模型参数的构建

通过鼠标对元件图标的点击，在出现的参数设置对话框输入诸如电机的额定电压、功率、频率、转动惯量和定转子数据等各种必要参数。通过滤波效果进行滤波器的RLC参数的设计与运算。在接收变频调速的恒压频比所产生的调制信号之后，通过SPWM调制和驱动模块内部函数的计算，再与设计的三角载波进行比较。

2.3 设置仿真模型

设置仿真参数是在仿真模型开始之前必须完成的步骤。包括对开始与终止的时间、步长以及解电路运算方式等仿真类型和相对与绝对的误差等方面进行设置。较快模拟速度的得出需要使用如ode23tb、ode15s这样的刚性系统的参数运算方式。同时，MATLAB软件参数锁设定的虚拟时间与现实的时间并不一致，只是一种对于时间流逝的表现手段。若是缩小步长，则会造成采样点数的增加，使得现实中的执行时间变长。

2.4 实验成果观测

验证参数设计以及电路结构是否合理，是虚拟实验的主要目标。而上述实验能够经过观测器观测电机速度的变化方式与电压的波形，并依靠给定频率的大小，在进行理论的分析之后，对结果的正确性进行判断。而下面两图中的前者是电机转速的变化图，后者则是在固定的载波频率与固定的调制频率之下的逆变器输出线电压幅度频谱。两张图示将谐波各次的大小、总谐波的有效值和基波有效值三个方面十分明了的展示出来。由于电机的运行效率和机器寿命受到谐波的影响，因此，为了减少电机受高次谐波损害，将RLC滤波器安装于电机与逆变器的中间成为了有效的解决方法。总谐波畸变率在经过RLC参数的设计与电机端电压频谱的观测之后可以保持在10%之下。

2.5 实验结果总结

由上面的实验可以得知，作为旋转机械的电机设备，作为是大功率电力开关的逆变器设备等传统实验设备，存在损耗高、构建繁琐、危险性强、价格昂贵等种种弊端。因而既可以对已有系统展开研究又能对处于构想中的设备进行探索，虚拟实验展现了极为显著的优越性。比如上述实验中，在模型库中虽然并不存在满足观测要求的频谱分析仪，但是在运用MATLAB函数展开构建之后，使不可能成为了可能。而虚拟实验的自定义、自主性强的特点，成为了其另一个巨大的优势。同时，虚拟实验具有良好的通用性、与其他系统开展数据交换的便利性以及升级与扩展的成长性，使其在实验数据的分析处理方面显得极为高效迅速。

3 结束语

虚拟实验的优越性，通过上文的分析与具体的实验体现的淋漓尽致。但是，十全十美的系统终归是不存在的，虚拟实验尽管在各个方面上都具有显著的优势，然而也无法取代传统实验。建立极为准确的数学模型，始终是虚拟实验仿真技术中的一个难关，各种限制会使之与实际情况产生差异，这也是传统实验存在的必要性体现。因此，只有现实实验与虚拟实验相互配合，才会使电力拖动等电子电路设计技术得以真正的进步与发展。

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