电力电子仿真教学研究论文

电力电子仿真教学研究论文（通用10篇）

电力电子仿真教学研究论文 篇1

摘要：该文介绍了一种基于multisim仿真软件的电力电子课程教学方法。并选择了两种典型的电力电子电路进行仿真实验,通过实验过程详细说明了仿真电路的建立、电子元件的选择、电路参数设置以及波形分析。

关键词：multisim,仿真,电力电子电路

1概述

电力电子技术是强电专业的一门核心基础课程,其实践性很强,对学生的动手能力要求较高。笔者在该课程的教学过程中发现主要存在以下几个问题:

1)学生很难理解电力电子器件的工作原理,比如晶闸管的导通和关断条件。

2)在授课过程中电力电子波形的绘制需要花费较长的时间,尤其是三相电路的相关波形。

3)在实训过程中耗材的损耗很大,比如晶闸管、晶体管等。

4)电力电子系统多为高电压、大电流的大功率系统,实训过程中对于学生的人身安全和设备安全不能得到绝对保证。

如果在教学过程中引入计算机仿真技术就可以很好的解决这些问题,同时仿真教学可以使得教学过程更为生动、直观, 有利于激发学生的学习兴趣,提高教学质量。

2 multisim仿真软件介绍

20世纪80年代加拿大的IIT公司推出了一款颇具特色的电子仿真软件EWB5.0,其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用。Multisim软件是它的升级版,本文中所使用的是最新的multisim10版本,其主要特点有:

1)具有完全交互式的仿真器,允许使用者对电路进行实时的改变,并能实时的看见电路仿真结果。

2)具有二十多种不同的虚拟仪器,包括示波器、万用表、频谱分析器等。

3)功能强大的教学选项,老师可以自行制定Multisim 10的使用界面和可能选用的仪器和分析,从而控制学生在电路中所见的画面,以及能够存取的功能。

4)16000个零件数据库,16000个零件资料库。

图1为multisim10的主界面。

3仿真实例

1)单相半波可控整流电路(阻性负载)

启动multisim10软件,从其元件库中选择所需的电路元件, 连接成电路。如图2所示。其中双踪示波器用来显示触脉冲和负载上的电压波形,A相位为负载波形,B相位为触发波形。

启动电路开始仿真,波形如图3所示,显然负载上的波形为缺口的正弦半波波形。

2)三相半波可控整流电路(阻感性负载)

如图4所示为三相半波整流电路,负载为阻感性负载。图5为阻感性负载上的电压波形。

4结束语

利用multisim实现仿真实验教学,同传统的电力电子实验相比,可以边实验边修改,由于使用的元器件和仪表都是虚拟的,所以不存在安全问题,另外实验成本低,实验效率高,实验结果直观形象。学生在仿真实验过程中,有自己独立思考的时间和空间,有利于培养学生的创新思维能力。但是仿真实验并不能完全取代传统的实验手段,因为学生在仿真实验中看到的都是理想波形,而实际上会存在很多的干扰信号,学生只有在真实的硬件试验中才会掌握。只有将仿真实验与硬件实验相结合,才能帮助学生更快更好地掌握知识,进一步提高学生的综合实验和创新的能力。

参考文献

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].4版.北京:机械工业出版社,2000.

[2]王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2006.

[3]聂典,丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社,2009.

电力电子仿真教学研究论文 篇2

【关键词】《电力电子技术》      虚拟仿真实验      建设

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，其应用范围非常广泛，涉及一般工业、交通运输、电力系统、通信网络、计算机、新能源发电等，因而《电力电子技术》已成为本科教学阶段的专业基础课程。同时，电力电子技术又具有很强的实践性，故而实验在教学中占据着十分重要的位置。然而由于课程难、内容多、课时少，在实际教学过程中，通常都只留出极少课时甚至没有留出课时让学生自主开展实验与训练。

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和高校实验室建设的重要内容。

为进一步推进我校实验教学信息化建设，加快专业实验教学与现代信息技术的深度融合，努力实现优质实验教学资源的共建共享，切实加强学生创新精神和实践能力的培养，我们开展了《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心的建设工作。

一、建设的任务和原则

《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心的建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练以及现有实验条件不足或学生自主开展实验与训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目。《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心的建设必须充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

二、建设的内容

《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心的建设内容为：

1.虚拟仿真实验教学资源。发挥学院的电气工程学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合信息化实验教学资源，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平实验教学资源（包括软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等），提高实验教学能力，拓展实验领域，丰富实验教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

2.虚拟仿真实验教学的管理和共享平台。建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多专业的虚拟仿真实验教学的需求。探索学校和企事业单位（包括企业、科研机构、政府机构等）共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

3.虚拟仿真实验教学和管理队伍。建设教学、科研、技术人员结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进、学术水平高、教学科研能力强、实践经验丰富、勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。

4.虚拟仿真实验教学中心的管理体系。以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用管理、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。

三、建设的办法

为了确保《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心建设工作的顺利开展，需要采取切实可行的办法：

首先，学院制定出台相关政策措施、中心建设与管理的各项规章制度等文件，并责成相关人员出具中心建设规划与实施方案。

其次，中心开发教学软件、多媒体课件、在线网络课程、教学视频等数字教学资源，且课件要求可在浏览器环境播放。

再有，虚拟仿真实验教学中心的视频材料包含实验教学中心环境全貌、设备全貌、实验项目操作界面和功能界面等内容，反映虚拟仿真实验教学建设、应用和共享的基本情况。

最后，对于虚拟仿真实验教学中心，学校在实验室建设经费中给予一定的建设经费资助，学院也加大校企合作力度，加大经费投入力度。

四、结束语

教学效果和学生的收获是教学研究的出发点和落脚点。针对实际教学过程中极少留出课时甚至没有留出课时让学生自主开展实验与训练的状况，笔者介绍了开展《电力电子技术》虚拟仿真实验教学中心建设工作的情况，涉及建设任务和原则、内容、办法等，希望能起到抛砖引玉的作用。

【参考文献】

[1]王兆安， 黄俊.电力电子技术（第4版）[M].北京： 机械工业出版社， 2000.

[2] 许泽刚， 李俊生， 郭建江.基于电力电子的虚拟综合实验设计与实践[J].电气电子教学学报， 2008， 30 （5）： 62-64.

[3]许泽刚， 张兵， 卢国才.电类综合性仿真实验的设计与实践[J].常州工学院学报， 2009， 22 （6）： 25-28.

电力电子仿真教学研究论文 篇3

电力电子技术是电气工程及其自动化专业的必修基础课程,是一门实用性、工程性和综合性很强的课程。它与电子技术、控制技术和电力技术紧密关联,简而言之就是使用电力电子器件对电能进行处理、变换和控制的技术。随着新型电力电子器件、电路拓扑结构和控制理论的发展,电力电子技术得到了飞速发展,并广泛应用于一般工业、轨道交通、电力系统、电子通讯、家电等各个领域[1]。

电力电子的教学不仅涉及相关理论的分析和计算,更注重对电路和波形的分析,在传统教学中主要采用手工绘制电路和波形的教学方式,存在绘制工作量大、波形图不够精确、波形动态性不强、电路结构不易调整等问题,使得课堂的教学节奏受到一定限制,学生不容易理解电路的完整工作过程,难以达到理想的教学效果。近年来仿真技术是现代电子电路研究分析和设计的重要手段之一,虽然该课程配备了相应的实验和实践环节,但是如何在课堂有限的时间内形象地演示电路的工作过程,仿真环节起到了不可或缺的重要作用。其中MATLAB/SIMULINK作为一种计算机仿真技术,为电力电子课堂教学提供了很好的元件和模型库,以及丰富的仿真例程,在课堂教学中有助于克服传统授课方式的局限性,提升教学的效果[2,3]。

二、MATLAB与SIMULINK简介

MATLAB名字来源于Matrix Laboratory,它是一种科学计算软件,常用来解决科学与工程的实际问题。SIMULINK是在MATLAB所有产品的基础之上形成的,是MATLAB的重要组件之一,SIMULINK的模块库提供了很多的基本模块,目的是让用户能够把更多的精力投入到系统模型本身的结构和算法研究上。

此外还可以运用电力系统模型库(Sim Power Systems),其在电力控制系统的仿真中得到了广泛的应用。Sim Power Systems的元件库主要由Electrical Sources、Elements、Machine、Measurements、Power Electronics、Application、Extra七部分组成,如图1所示。其中电源库(Electrical Sources)提供交/直流电压/电流源、受控电流及电压源等电气元件;元件库(Elements)为使用者提供了电源、电机、电阻及变压器等电气元件;电机库(Machine)为用户提供了各种电机的模型;测量库(Measurements)包括对电压、电流、阻抗及其他一些参数的虚拟测量仪器;电力系统器件元件库(Power Electronics)提供了晶闸管、二极管、开关等电子器件;应用库(Application)为使用者提供了一些常用的应用系统;附加库(Extra)包括了由其他电力系统器件搭建的模型以及一些常用模块如信号发生器、频谱分析、有功测量模块等。

如果老师在课前应用MATLAB做好演示demo就可以在有限的教学时间中高效地演示和分析教学实例,相比于传统板书的教学方式,应用MATLAB/SIMULINK可以更加自如地修改电路模型,调节参数,更加清晰地显示波形,让学生对于电路的工作过程了解得更加直观,也让教师的授课更加高效和生动。

三、仿真实例

本文以三相SPWM电压型逆变器为例来介绍仿真模型的构建和使用,如图2所示,主要应用SIMULINK和Sim Power Systems进行逆变器的建模仿真与波形分析,并使用powergui中的FFT对电路的输出波形进行谐波分析。

1. SPWM触发模块。

采用三角载波调制法,为了生成每一相触发信号,应用了两个逻辑比较器Relational Operator来比较正弦调制波Ur与三角载波Uc的大小,当调制波信号Ur大于三角载波Uc时,输出高电平;否则,输出低电平。参数设置为:正弦调制波频率50Hz,幅值0.8V;三角载波频率3000Hz,幅值1V。

2. 主电路模块。

采用通用桥模块(Universal Bridge),选择三个桥臂,器件选择为IGBT/Diodes,加载直流电压源。SPWM触发信号输入通用桥的g端口,通用桥会自动分配每一列信号给每一个开关器件,控制该器件的开闭。采用三相对称阻感性负载,作星形连接,R=2Ω,L=0.01m H。为了减小负载相电压波形的谐波失真,应用LC滤波电路,三相电容做星形连接并联接入电路,电感则串联接入电路,滤波电容设为0.3m F,滤波电感设为0.5m H。利用测量模块和虚拟示波器来观测电压电流。

3. 仿真结果。

通过图2的仿真可得到滤波前后三相阻感负载的相电压波形,如图3所示。通过powergui进一步分析,滤波后的总谐波失真(THD)由90.95%降到了11.00%,谐波得到了很好的抑制,而基波电压变化很小。

通过以上分析可见,应用MATLAB/SIMULINK可以方便搭建电路的仿真模型,仿真结果与教材完全吻合。

四、结论

本文分析了传统授课方式在电力电子技术教学中所存在的局限性,提出了在课堂上应用MAT-LAB/SIMULINK仿真技术,有助于教师调整好授课的节奏,减轻教师的工作量,在课堂有限时间内为学生更好地演示电路的工作过程,帮助学生理解不同条件下电路的工作状况。文中介绍了MATLAB/SIMULINK以及Sim Power Systems所能提供的丰富资源,并以三相SPWM电压型逆变器为例来介绍仿真模型的构建和使用。仿真结果验证了该方法的有效性和优越性。由于MATLAB提供的丰富例程几乎涵盖了电气工程的所有专业课程,所以电气仿真技术在电气专业的教学中具有普适性。笔者在近年来的教学过程中运用该方法已经取得了良好的教学反馈。

参考文献

[1]王兆安.电力电子技术[M].第5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2]洪乃刚.电力电子技术基础[M].北京:清华大学出版社,2008.

电力电子仿真教学研究论文 篇4

摘 要：虚拟仿真在电类专业人才培养中占有重要地位，相关资源是新时期教育信息化建设的核心内容。围绕全校电类课程实践教学公共平台，从实验、实习、课外创新与网络共享等方面，对各类虚拟仿真教学资源的建设作了介绍，通过虚拟仿真教学资源推动信息化建设，虚实互补提高教学质量，探索国家级虚拟仿真中心创建之路。

关键词：信息化；虚拟仿真；教学资源；实践平台

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2014）21-0045-03

一、引言

根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，国家级虚拟仿真实验教学中心已成为未来高校信息化建设的主要方向。广州大学电工电子实验教学中心（下称“中心”）作为省级示范中心，建有涵盖实验—实习—课外创新的电类公共教学平台体系，是全校共享的电类专业基础实验室、以及实践和创新基地，在信息化建设方面取得了较大进展。

虚拟仿真是电类学科基本的设计开发与教学工具，相关资源是中心信息化建设的重点。长期以来，中心以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导思想，校企合作研发与共享先进相结合，根据应用创新人才培养目标，紧贴教学需求推进相关资源建设，进行教学改革与创新，虚实结合相互补充[1]，建设了虚拟仿真实验教学中心。

二、教学资源建设

目前中心已投入教学的虚拟仿真资源大体分为四类：设计开发类、教学展示类、Android移动应用、以及开放式网上虚拟实验，实现了实验—实习—课外创新的全平台覆盖[2-4]（如图1）。开设虚拟仿真实验的课程19门，出版教材4本，编写实验讲义15本，中心的实验教学水平实现质的飞跃。

1.构建实验仿真平台，提高综合设计能力

设计开发类仿真软件是电类实验基本的辅助开发工具，起步早，种类多，开设课程多，已投入实验教学的主要有5种，解决了电类学科实验教学部分项目真实实验难以实现、耗材消耗大、设计效率低、设备成本高、尤其是综合设计性实验开展难等问题（如表1）。

2.建设网上虚拟实验室，提高自主学习能力

为了解决课外自学、实验预习及其效果评价、师生互动、数据分析以及教学管理等问题，中心与企业联合开发了开放式网上虚拟实验室，解决了公共基础课的全天候开放式自主学习难题[5]，教研也有了依据，中心教学水平得到质的提高。

学生通过网上虚拟实验平台，利用虚拟元器件与仪器设备搭建电路、调节参数和测量数据，从而进行实验预习与自主实验，不受时空限制，且具智能提示、自动批改、信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成绩发布功能，老师更能掌握学生的预习情况，进行教学演示以及互动答疑等操作，帮助老师从重复性劳动中解脱出来多做创造性劳动；历史数据使后期数据挖掘有了依据，增强了讲课针对性，便于不断优化教学，鼓励老师将更多精力投入到教学研究工作中，提高了教学效果。

已用于5门电类基础实验课：电路、模电、数电、高频、电工电子学，受益专业9个。

3.完善实习虚拟平台，提升工程实践能力

电工电子实习是大部分工科专业的工程实训环节，为了解决部分项目成本高、危险、污染、综合训练难等问题[6]，校企合作研发了教学展示类虚拟仿真资源，采用3D技术，给人身临其境的沉浸式体验，辅助实体训练项目，方便学生预习和教学演示，提高实习效果，其沉浸感、交互性和重复性优势可用于解决电类领域传统教学中微观、抽象、污染或高危过程的展示问题（如表2）。

4.打造课外实践虚拟平台，提高创新能力

（1）虚拟仿真促进跨学科协同创新

中心利用教学资源全校共享优势，创建了跨学科实践创新开放平台，采用Arduino+Android开源软硬件集成一体化虚拟开发环境，每年选拔一批大一学生，构建若干光机电算设计等一体化项目组，结合虚拟仿真技术开设了系列培训课程，如智能车硬件设计（Altium Designer）、AVR与智能车（Proteus）、移动物联网设计（Arduino+Android）等，提供先进、热门的智能赛车原型，指导学生进行以任务为导向的创意机器人或飞行器设计，建立了AB班进退机制，培养学生的团队合作精神和科研、动手、交流沟通能力，提高了学生的跨学科应用水平。

（2）虚拟仿真方便赛事选拔

依托中心的创新基地，开设了校级科研竞赛创新班，建设了专门的虚拟仿真室和开放室，虚拟仿真的引入，减少了创新班系列课程对设备和耗材的消耗，更为中心赛事组织和学生选拔工作带来了便利，中心通过赛事门户网站和虚拟仿真软件进行预赛，大量虚拟资源通过网站共享，解决了场地依赖问题，赛事过程更容易控制，减少了耗材和人力消耗，决赛时才用实体作品，解决了大规模竞赛的组织、环境、人力和经费等难题。

三、建设虚拟中心网站，扩大资源共享

中心门户网站是信息化建设和资源共享的窗口（如图2）。中心发挥虚拟仿真类教学资源易于网络共享和维护更新的优势，建设了大量虚拟仿真资源，利用门户网站开展网上虚拟实验、网络课程、开放预约、实验管理、赛事组织、论坛交流和青少年科普，服务我校师生及社会，发挥教学资源的延伸作用，突破了时空的限制[7]。

中心通过网站实现了4门网上虚拟实验课程、24门校级网络课程、9门虚拟仿真课件和7种Android虚拟仿真应用的网络共享，提供了约46GB的网络虚拟仿真学习资源，学生可在线预习实验内容、了解实验过程，试做虚拟实验，提供了智能指导、自动批改和信息查询等特色功能，在课外自主学习的过程中，可与教师通过学习论坛互动交流。目前已有5个学院的12个专业使用这些虚拟仿真资源进行自主学习，年约8000人次。

四、结论

虚拟仿真教学资源是未来教育信息化建设的主要方向，也是高校实验教学示范中心建设的重要内容，围绕电类实践教学的需求，进行了各类虚拟仿真教学资源的建设与网络共享，取得了阶段进展；必须看到，虚拟仿真教学资源的建设是一个不断完善的过程，长期投入较大，除了建设校级公共实践平台提高共享效益，探索校企共建共享持续发展的新道路，将是未来建设国家级虚拟仿真实验教学中心的新课题。

参考文献：

[1]张家港职业教育中心.虚拟仿真技术助推学校信息化建设[J].中国教育信息化，2013（15）：43-43 .

[2]曲伟，邱成军.电工电子实验教学中心实践教学体系建设与实践[J].实验室研究与探索，2010，7（29）：216-218.

[3]李安，周南润，王玉皞.通信工程国家级特色专业虚拟实验室建设与实践[J].实验室研究与探索，2013，1（23）：150-154.

[4]虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，7（30）：94-97.

[5]郑炜，齐幼菊.面向成人教育开放式虚拟实验平台的设计与应用[J].现代教育技术，2013，6（23）：116-119.

[6]黄登红.机电一体化专业虚实结合实训模式应用研究[J].中国科技信息，2013，（12）：161-163.

[7]白春章，关松林.信息化教学资源共建共享机制研究[J].中国教育学刊，2013，6（23）：59-63.

电力电子器件的实时仿真 篇5

电力电子器件是电力电子装置的基础, 其性能制约着电力系统中电力电子装置的性能。当前, 电力电子装置的实时仿真研究已经展开[1,2], 但这些实时仿真将电力电子器件视为理想开关, 这种简化固然不影响系统级的仿真精度, 但并不能预测电力电子器件的工作特性。而电力电子器件的电压尖峰、电流尖峰、开关损耗等工作特性非常突出, 这些问题恰恰是威胁电力电子器件乃至电力系统可靠性的重要因素。绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor, IGBT) 具有驱动功率小、开关速度快、导通电流大、功率损耗小等优点, 是目前技术成熟、应用广泛的电力电子器件。本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为例, 进行电力电子器件的实时仿真研究。

电力电子器件的模型有物理模型[3,4]和功能模型[5,6,7]2种。物理模型在物理本质上揭示载流子的运动规律, 模型精度较高, 但大多数生产商并不提供器件的物理参数, 且仿真速度慢, 不适用于实时仿真。功能模型将器件内部视为一个“黑匣子”, 按照仿真功能的需要从元件的外部电特性出发构造模型, 虽然精度不如物理模型高, 但参数易提取, 仿真速度快, 适合用于实时仿真。

目前, 国内外学者采用不同的方法对电力电子器件开展了功能模型研究。文献[5]采用线性化的方法, 但没有考虑器件开关过程中的电压尖峰和电流尖峰。文献[6]采用分段解析函数的方法, 但将续流二极管的反向恢复电流峰值视为恒定值。文献[7]采用实测数据的方法, 但对于不同型号的器件, 需要搭建不同的实验电路。本文根据IGBT和电力二极管的开关特性和换流过程, 建立IGBT和电力二极管的换流模型, 从器件数据手册获取参数, 采用分段插值的方法, 建立IGBT的实时仿真功能模型, 参数易于获取, 并且能够在很大的电压和电流范围内对电力电子器件开关过程中的关键指标进行仿真。

1 电力电子器件功能模型原理

文献[8]提出用替代定理来说明功能模型, 用电压源或电流源替代电力电子器件, 并提出了电压源和电流源的选取原则和确定方法:选取的电压源和电流源必须独立, 且选为电压源时需保证连续, 选为电流源时需保证导数连续。本文在建立电力电子器件的功能模型时也借鉴了这一思想, 并对文献[8]所建模型进行了改进, 去掉了IGBT杂散并联电容, 使模型更加便于仿真计算。

本文以IGBT构成电力电子电路的基本开关单元为研究对象, 建立IGBT和电力二极管的功能模型。基本开关单元如图1 (a) 所示, 包括一个IGBT、电力二极管、电压源和电流源, 其中, 电压源和电流源为电压源型电路和电流源型电路的替代, 图中:S为IGBT的驱动信号。在换流瞬间认为U和I保持不变, 在开关过程中IGBT的电流波形相对简单, 因此选为电流源;根据选取的电压源和电流源必须独立的原则, 电力二极管选为电压源;IGBT和电力二极管分别用受S控制的电流源和电压源替代;同时, 考虑了线路的杂散电感LS1, LS2, 等效电路如图1 (b) 所示。

列写基尔霍夫电压和电流方程, 有

式中:iC为IGBT的集电极电流;uR为二极管的反向电压;iF为二极管的正向电流;uCE为IGBT的集射极电压。

由式 (2) 解得, 二极管电流iF=I-iC, 代入式 (1) , 有

令LS=LS1+LS2, 则

等效电路进一步简化为图1 (c) , 解得IGBT栅射极间电压为:

可见, 只要给出受控的电流iC和电压uR, 便可以求得iF和uCE。

下面分别从IGBT开通和关断2个过程, 采用分段插值的方法建立基本开关单元的器件模型。其基本思想是:假设已知开关过程的电压、电流波形上的一些关键点, 如起始点、极值点、拐点、不可导点, 然后用简单解析函数分段描述开关电压电流波形。

2 基本开关单元功能模型

基本开关单元的开关过程分为IGBT的开通过程和关断过程, 其功能模型从IGBT的开通和关断2个过程分别建立。

2.1 IGBT开通过程模型

图2为IGBT的开通过程模型。在t=t0 (on) 时刻驱动IGBT开通。IGBT的开通过程也是电力二极管的关断过程, 由于电力二极管反向恢复过程的存在, IGBT的集电极电流iC在开通过程中会出现电流尖峰。IGBT的开通过程主要分为4个阶段:开通延迟阶段[t0 (on) , t1 (on) ]、电流上升阶段[t1 (on) , t2 (on) ]、反向恢复阶段1[t2 (on) , t3 (on) ]和反向恢复阶段2[t3 (on) , t5 (on) ]。

由图2可以得到部分阶段时刻的表达式为:

式中:trr为二极管反向恢复时间;kD为常数, 且0

下面对各阶段IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR进行插值。

1) 开通延迟阶段:IGBT仍处于关断状态, 电力二极管仍处于导通状态, 漏电流和通态压降数值较小, 予以忽略, 视为0, 即iC=0, uR=0。

2) 电流上升阶段:IGBT的集电极电流iC从0上升至其幅值I, 电力二极管的正向电流iF相应减小但仍然处于导通状态, uR=0。

根据电流导数连续的原则, IGBT的集电极电流iC用经过点1 (t1 (on) , 0) , 点2 (t0 (on) +td (on) , 0.1I) , 点3 (t0 (on) +td (on) +tr, 0.9I) 和点4 (t2 (on) , I) 并且在点1处的导数为0的二次函数进行插值, 得到:

式中:a1 (on) 为系数。

结合器件数据手册中IGBT开通延迟时间td (on) (从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10%到集电极电流iC上升至其幅值的10%的时间) 和电流上升时间tr (iC从其幅值的10%上升至90%的时间) , 在建立基本开关单元的器件模型时, 认为驱动信号S电平变化的时间为0, 可以推导出系数a1 (on) 和阶段时刻t1 (on) 和t2 (on) , 即

代入式 (7) 有:

3) 反向恢复阶段1:IGBT电流由于电力二极管的反向恢复过程继续上升, 由其幅值I升至其峰值I+IRM, 但上升速率变慢, 电力二极管反向电压uR从0上升至其幅值U。IGBT电流用经过点4 (t2 (on) , I) 和点5 (t3 (on) , I+IRM) , 并在点5导数为0的二次函数进行插值, 得到:

为简化计算, 假定电力二极管反向恢复电流峰值IRM与正向电流I呈比例关系, 即, 则由电力二极管在额定电流IFN下的反向恢复电流峰值IRMN, 可以得出。

IGBT电流可以进一步表示为:

电力二极管反向电压uR用经过点8 (t2 (on) , 0) 和点9 (t3 (on) , U) 的一次函数进行插值, 得到:

即

4) 反向恢复阶段2:IGBT集电极电流iC随电力二极管反向恢复电流的下降而由其峰值I+IRM下降至其幅值I, 由于线路杂散电感的存在, 电感两端将感应出反向压降, 并与电压源U一起作用于电力二极管上, 在二极管两端产生电压尖峰。遵循电流连续的原则, IGBT电流分两段, 即[t3 (on) , t4 (on) ]和[t4 (on) , t5 (on) ], 用经过点5 (t3 (on) , I+IRM) , 点6 (t4 (on) , I+IRM/2) 和点7 (t5 (on) , I) 并且在点5和点7导数为0的二次函数进行插值。其中t4 (on) =t3 (on) + (1-kD) trr/2。

在[t3 (on) , t4 (on) ]上的插值函数为:

在[t4 (on) , t5 (on) ]上的插值函数为:

二极管反向电压uR=U-LSdiC/dt, 则在[t3 (on) , t4 (on) ]上, 有

在[t4 (on) , t5 (on) ]上, 有

t5 (on) 之后, IGBT处于开通状态, 二极管处于关断状态, iC=I, uR=U。

2.2 IGBT关断过程模型

图3为IGBT关断过程模型。在t=t0 (off) 时刻驱动IGBT开通。IGBT的关断过程也是电力二极管的开通过程, 这个过程主要分为3个阶段:关断延迟阶段[0, t1 (off) ]、电压上升阶段[t1 (off) , t2 (off) ]和电流下降阶段[t2 (off) , t4 (off) ]。

由图3可以得出部分阶段时刻的表达式为:

式中:kud为常数, 且0

1) 关断延迟阶段:IGBT仍处于开通状态, 电力二极管仍处于关断状态, iC=I, uR=U。

2) 电压上升阶段:IGBT电压从0增大到其幅值U, 电力二极管反向电压相应减小并仍然关断, IGBT电流保持其幅值I不变, 即iC=I。

电力二极管反向电压用经过点3 (t1 (off) , U) 和点4 (t2 (off) , 0) 的一次函数进行插值, 得到:

3) 电流下降阶段:IGBT集电极电流iC从其幅值I下降至0, 电力二极管电流iF相应上升, 遵循电流导数连续的原则, IGBT电流分两段用二次函数进行插值。

在[t3 (off) , t4 (off) ] (t4 (off) =t3 (off) +1.5tf, 其中tf为电流下降时间, 集电极电流iC从其幅值的90%下降至10%所需时间) 上, 类比于开通过程IGBT电流上升阶段, 有

在[t2 (off) , t3 (off) ]上, 用经过点1 (t2 (off) , I) , 点2 (t3 (off) , 0.9I) 并在点1导数为0, 在点2导数与在[t3 (off) , t4 (off) ]上相等的二次函数进行插值, 得到:

忽略电力二极管正向恢复过程, 则电力二极管反向电压, uR=0。t4 (off) 之后, IGBT处于关断状态, 电力二极管处于开通状态, iC=0, uR=0。

综上所述, IGBT集电极电流iC和电力二极管反向电压uR的模型为:

式中:fi (on) (t) , fi (off) (t) , fu (on) (t) , fu (off) (t) , gi (on) (t) , gi (off) (t) 的具体取值见附录A。

可以看出, 该模型为工作电压U、工作电流I和时间t的函数, 只要给定U, I和驱动信号S发生电平跳变的时刻, 便可以确定IGBT的集电极电流iC和电力二极管的反向电压uR, 进而得出IGBT集射极间电压uCE和电力二极管的正向电流iF。iC用二次函数进行插值, uR用一次函数进行插值, 具有较快的计算速度, 可以满足实时仿真的要求。

3 仿真结果

在现场可编程门阵列 (field programmable gate array, FPGA) 中对模型进行了实时仿真, IGBT和电力二极管的型号为三菱公司的IGBT模块CM1200DC-34N, 杂散参数LS=100nH, 工作点U=850V, I=600 A, IGBT和电力二极管开关过程的仿真结果见附录A图A1。

IGBT模块的开关电压、电流得到以后, 可以通过积分运算获得开关损耗能量, 即

同样, 对850V电压下, IGBT的开通损耗Eon、关断损耗Eoff和电力二极管的反向恢复损耗Erec随电流的变化进行了仿真, 将仿真结果与数据手册所给的典型值[9]绘在一起, 如图4所示。

开关损耗仿真结果均能落在典型值附近。仿真结果表明, 本文IGBT和电力二极管的实时仿真能够反映电力电子器件开关过程中的电压、电流尖峰和开关损耗等关键指标。

4 结语

IGBT和电力二极管的实时仿真方法可以推广至其他电力电子器件, 如电力晶体管 (GTR) 、电力场效应晶体管 (MOSFET) 、集成门极换流晶闸管 (IGCT) 等。电力电子电路的基本开关单元通过组合可以构成电力系统中各种斩波电路和逆变电路[10]。因此, 本文IGBT和电力二极管的实时仿真方法能够实现电力系统各种斩波电路和逆变电路中电力电子器件的实时仿真。

附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。

摘要：电力电子器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等问题是威胁电力电子器件乃至电力系统中电力电子装置可靠性的重要因素。文中以技术成熟、应用广泛的绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 构成电力电子电路的基本开关单元为例, 进行电力电子器件的实时仿真研究。根据电力电子器件的开关特性, 分析了电力电子器件间的换流过程, 建立电力电子器件的实时仿真功能模型, 并在现场可编程门阵列 (FPGA) 中实现电力电子器件的实时仿真。仿真结果能够反映电力电子器件开关过程中电压尖峰、电流尖峰以及功率损耗等关键指标。

关键词：电力电子器件,实时仿真,电压尖峰,电流尖峰,开关损耗

参考文献

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[9]Mitsubishi Electric.Cm1200dc-34ndatesheet[R].2005.

电力电子仿真教学研究论文 篇6

以电力电子器件为基础的柔性交流输电系统(FACTS)技术作为实现输电网参数和变量的柔性化控制的有效手段,近20年来得到广泛研究和应用[1]。实时仿真是电力系统进行试验研究、规划设计、调度运行和状态安全评估的重要工具。现有的电力系统实时仿真平台可分为机电暂态和电磁暂态过程仿真。机电暂态仿真的步长一般在毫秒级,典型步长为10 ms,电磁暂态仿真的步长一般在微秒级,典型步长为50μs[2]。但由于仿真步长及接口,众多仿真软件无法对含有FACTS控制器的复杂电力系统进行动态性能研究[3],文献[4]利用实时数字仿真系统RTDS(Real Time Digital Simulator)组建了风力发电开发测试平台,仿真步长50μs,可对多组控制器进行控制测试。但RTDS主要是面向整个电力系统的仿真,且价格昂贵。目前FACTS控制器和电力驱动的开发测试,通常先进行离线仿真以验证算法,然后通过数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)等嵌入式控制器实现复杂算法的实时控制[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。随着电力电子的发展和控制数字化的实现,课程重构也使现有的实验教学方法面临新的改革,构建快速开发实验平台是一种有效的方法[15]。

d SPACE平台作为国际上通用的快速控制原型RCP(Rapid Control Prototype)和硬件在回路仿真HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)标准开发测试平台,在航空航天、工业控制、汽车等领域得到广泛应用[16,17,18],目前只有少数院校在此平台上进行电力系统的相关研究[19]。本文研制的实时仿真综合平台,以d SPACE平台为核心,通过建立实时仿真模型和设计模块化体系结构,实现对中小功率电力电子和电力驱动控制系统的实时仿真和快速开发,仿真步长可设20μs,满足电力电子器件对速度的要求。

1 实时仿真综合平台结构框架

根据应用于电力系统的FACTS技术和面向电机控制的电力驱动要求,结合V型开发流程中HILS和RCP的技术规范,本文提出图1所示的实时仿真平台总体结构框图。整个综合仿真平台以d SPACE平台为核心,采用模块化结构设计,分为硬件结构和软件结构两大部分。

1.1 平台硬件结构

平台硬件主要由d SPACE硬件和主电路组成。平台控制器是d SPACE硬件的主要组成部分,其构成实时仿真平台硬件的控制核心;由功率器件构成的主电路是硬件电路的基础,实现能量传递和交换;另有电源电路、测量电路、驱动电路、保护电路和电网接入等辅助电路。根据不同的应用对象(电网或电机)和控制目的,通过选择器件类型和电路结构等方式,可以灵活改变主电路拓扑,从而快速实现有源电力滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)、变频和励磁等多种功能。

本实验平台主要用于配电网电能质量控制器研发和电机的驱动控制。根据应用系统的技术指标,实际平台控制器选用d SPACE单板系统DS1104,其主CPU为MPC8240,可直接进行浮点运算,带有DSP TMS320F2407,可以直接输出三相PWM控制脉冲。另有ADC、DAC、UART、增量编码器和I/O等常用外设接口。

主电路功率器件为:MOSFET模块FB180SA10,用于汽车的电机控制测试;2.2 k W智能功率模块PS12036,用于学生实验验证;IGBT功率模块PM300DVA120用于低压静止无功发生器、有源电力滤波器等产品研制实时控制仿真实验。

在此基础上,用户可根据实际功能需要,按照平台的硬件结构对电路进行更换、扩展,或通过通信总线组成多处理器复杂系统,以满足不同的测试要求。

1.2 平台软件结构

平台软件结构由Matlab/Simulink软件、d SPACE软件和实时仿真模型库组成。Matlab/Simulink用于建立系统模型、设计控制算法和进行离线仿真,是平台软件结构的基础。实时仿真模型库是平台的核心技术之一,在Matlab/Simulink环境下建立,分为系统模型和控制算法两大部分。系统模型实现对电路结构的数学描述,在离线仿真时取代实际的物理模型;控制算法在分析系统模型基础上,通过选取的控制策略实现对应的控制性能。采用实时仿真系统子模型,可以进行离线仿真和算法验证。d SPACE软件体系主要实现实时代码生成、下载软件和测试软件,其中代码生成及下载软件集成于Matlab中,实现与Matlab的无缝连接。通过d SPACE实时接口(RTI),用硬件接口关系代替原先的逻辑连接关系,构成闭环测试系统,实现实时仿真功能。

基于图1结构实现的实时仿真综合平台,可以快速对电路结构模型进行闭环测试,以验证所建模型是否与实际物理原型相符;也可以对不同的算法进行测试,从而得到更适合系统实现的控制程序。

2 实时仿真综合平台主要技术

2.1 平台实时仿真模型库设计

要进行实时仿真,首先要建立起系统的数学模型。基于Matlab/Simulink环境开发的电力系统仿真模型Sim Power Systems等是面向离线仿真应用的,无法利用d SPACE平台测试软件对其内部描述变量进行动态分析,因此,要首先建立以面向实时仿真应用的系统模型。

考虑到实时仿真系统的变结构、非因果特性[19],对整个闭环控制系统采用分割处理的办法,采用输入-输出描述法建立各个具有因果关系的子系统。采用面向对象的设计方法,可以不断封装和派生出更多的子模型。各个子系统模型既可应用于离线仿真,也可应用于实时仿真。

2.2 功率开关器件的硬件电路设计

功率开关模块构成平台的硬件基础,受控制器输出的PWM信号驱动,又直接与高压大电流系统相连,若设计不当极易烧坏,因此开关器件电路设计是硬件设计的重点,主要技术措施有4项。

a.裕量设计:器件选型时留有一定的裕量。

b.缓冲吸收电路设计:实验结果表明,设计合理的缓冲电路,可以减少开关冲击,将du/dt从0.3减少到0.15以下。

c.驱动电路设计:采用高速光耦器件,以实现控制脉冲对开关管的精确控制。严格控制上升时间,以保证死区时间生效;PWM的光耦驱动信号与功率模块的连接距离2 cm以下,减少干扰,防止误触发。

d.保护电路设计:当检测到主电路有短路、过压、过热和欠压等异常情况发生时,实现多级保护。通过硬件保护、软件保护方式同时封锁PWM信号输出,通过跳闸保护实现主电路与电网分离。

2.3 平台数字化控制和实时仿真步长

数字化控制因控制灵活,输出性能稳定,在实时控制中得到广泛应用。本平台实现数字化控制,其中系统实测信号通过测量电路由A/D进行模拟到数字的转换;通过实时代码生成工具RTW(Real-Time Workshop)产生可在平台控制器上运行的标准C代码程序;RTI实现物理系统与离线仿真系统的信息数字化交换;通过数字脉宽调制(DPWM)输出功率开关管的控制脉冲,实现对系统的目标控制。随着电力系统和电力驱动对控制性能要求的不断提高,非线性控制、模糊控制、自适应控制等算法被应用到控制系统中。通过平台数字化控制技术,以图形化的方式完成参数调整、指令输入、结果显示存储等所有功能,为复杂算法的实现提供了有利的环境。

基于Matlab/Simulink的离线仿真数据交换在计算机的CPU与存储器之间进行,数据处理时间没有严格的边界。实时仿真平台要在仿真计算机、平台控制器与外部物理系统之间进行数据交换,其数据处理要受外部实物系统真实时间约束,有严格的时间边界。平台通过PWM控制技术,实现对功率变换模块的控制,其输出速度决定系统的响应速度,通常要求在一个PWM周期内完成控制算法以及平台控制器和仿真计算机之间的数据交换,以获得较好的响应速度,满足实时仿真需要。DS1104控制器的DPWM输出频率高达5 MHz,但实现上受功率模块的频率限制,目前中小功率器件的开关频率最高约为20 k Hz。采用DS1104控制器,通过实时内核和RTI可实现仿真周期为20μs的实时仿真,满足对速度的要求。

3 平台实时仿真设计实现

PWM整流器可实现网侧电流正弦化,且运行于单位功率因数及能量可双向传输,在静止无功发生器(STATCOM)、APF、统一潮流控制器(UPFC)等柔性交流输电系统广泛应用[20]。下面给出以PWM整流器为控制对象的系统设计过程及其控制实验结果。

3.1 PWM整流器模型

三相电压型PWM整流器的电路结构如图2所示。图中,ua、ub、uc为三相对称电源相电压;ia、ib、ic为网侧相电流;udc为直流侧电压;L和R为滤波电抗器的电感和电阻;idc为直流侧电流;iL为负载电流。

记Sk=Sk+-Sk-(k=a,b,c),其中Sk±=1表示开关管导通,Sk±=0表示开关管截止。不计开关损耗,并考虑电网及PWM电路为三相对称系统,对于交流侧,由基尔霍夫电压定律(KVL)可得:

对于直流侧,由基尔霍夫电流定律(KCL)可得:

其中,idc=(Saia+Sbib+Scic)/2。

根据功率不变原则,可以对应转换成αβ坐标系或dq坐标系下的数学模型,以方便系统的控制设计。

3.2 PWM整流器控制策略

采用PWM整流器作为电路结构的电力电子控制系统通常是通过控制PWM整流器的电流来实现其控制目标(如稳定电压、补偿无功和抑制谐波等),因此,对PWM整流器的电流控制成为系统软件设计的核心。通常,对PWM整流器电流控制方法可分为间接电流控制和直接电流控制,其中直接电流控制具有控制精度高、动态性能好等优点。直接电流控制方法有滞环控制、定时比较控制、三角波比较及无差拍控制等[21]。本实验采用基于坐标变换的三角波比较直接电流控制,其控制方案如图3所示。

PWM整流器的实测三相输出电流ia、ib、ic经过dq变换与控制电流生成无功和有功电流指令。其中有功电流的参考值指令id*与电路拓扑结构有关,采用自励启动方式时可由直流侧电压调节器输出给定,采用他励启动方式时可直接给定。指令由电流控制器进行算法运算,经过dq反变换得到控制开关管的PWM指令信号。通过坐标变换,使参考指令和反馈值在稳态时均为直流信号,因此可通过调节器进行无稳态误差的电流信号跟踪,从而消除系统的静态误差,提高系统对PWM整流器电流的控制精度。

3.3 实验结果

为验证平台的结构设计及其对PWM整流器的控制性能,搭建了50 k V·A PWM整流器及其控制电路。实验结构如图4所示。

三相交流电源经自耦变压器T1以及隔离变压器T2、T3接入系统。

实验主电路主要参数如下:IGBT功率模块为PM300DVA120;整流模块为DF100AA160;交流侧连接电抗为1 m H/100 A;直流侧电容为2个10000μF/450 V电容串联;系统线电压为380 V/50 Hz。

PWM参数为开关频率6 k Hz,死区时间5μs。为减少器件开关对输出的抖动,采用中断的CPU处理方式,以保证数据采集与PWM周期同步。用TDS2014型4通道示波器对波形进行实时记录。

图5给出了指令电流为40 A(有效值)时实验平台对PWM整流器输出电流实时控制的稳态结果。从图中可以清楚看出,电力电子实时仿真综合平台对PWM整流器的电流流向实现了精确控制,可实现容性无功或感性无功的产生;同样也可控制PWM整流器工作于整流或逆变状态,实现能量的双向流动,从而实现PWM整流器的四象限运行控制。

图6是用FLUKE434测试输出无功电流时的电流波形结果。图7是指令电流动态变化时系统瞬时响应的实验结果。

从图6可以看出,PWM整流器输出无功电流相序正确,频率通过相位控制和电网保持一致,电流谐波含量非常低,波形已经接近正弦。

图7表明,PWM整流器的输出电流响应仅为数毫秒,没有明显的振荡调整过程,反映出实验平台对PWM整流器的控制具有良好的性能。

4 结语

电力电子仿真教学研究论文 篇7

《电力电子技术》课程是高职院校电类专业课程, 大多都沿用课堂教学加实验的教学模式。实验基本都是基于实验箱的实验平台, 存在不透明的问题[1]。同时, 该平台硬件更新换代慢, 无法赶上技术的发展及技术革新的步伐[2,3]。因此, 很多院校开展了该课程的计算机仿真实验教学。可通过仿真软件来模拟电路工况, 并且仿真不受时间、空间和实验条件的限制, 也不用担心出现实验事故。

2 仿真实例浅析

该文基于Matlab7.10中Simulink环境平台下进行仿真实验, 研究为单相桥式全控整流电路。启动Simulink平台, 调出模型库中相关模块, 按原理图连线, 实现该电路的建模, 如图1所示。双击模块图标, 弹出参数设置对话框, 然后按框中提示输入。电路模块设置大致为:输入电压为 (220*sqrt (2) ) 、频率为50, 测量选Voltage;负载选择R为2;脉冲发生器:同步频率为50, 脉冲宽度为10, 脉冲角为30;其它模块参数默认。在菜单中选择Simulation parameters后, 取5个周期 (0.1s) , 仿真数值计算方法选ode23t。点击仿真开始, 系统进入稳态后, 可双击示波器图标, 弹出波形后作研究分析, 见下图2、3。该电路在仿真平台下, 可以直观显示多路实时波形及具体值, 而在实验室中做实验同一时刻只能观看到两路波形。加深对电路变换原理及其波形产生过程的理解, 提高了学生的实验兴趣。

3 结语

该教学模式让学生处于一种体验式的学习环境而不是枯燥而抽象的理论推导, 提升了学生的独立分析解决问题和创新能力, 加强实验技能的培养同时促进了课程教学质量的提高, 实践能力逐步提升。

参考文献

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电力电子仿真教学研究论文 篇8

1电力电子技术课程教学中存在的问题

电力电子技术课程综合性很强,内容丰富,信息量大,传统的教学方法受学时和实验条件的限制,教学效果不是很理想。主要存在以下问题:

(1) 在电力电子技术的理论教学中,由于高职学生理论基础普遍差一些,学生参与课堂的主动性不高。将虚拟仿真技术应用在该课程教学中,通过仿真软件来讲授理论知识,使抽象的理论教学变得生动形象,能够发动学生,让学生主动参与实际的学习过程,观察到参数的改变对电路的影响,加深了对理论知识的理解。

(2) 在电力电子技术的实践教学中,学时不足和实验设备的短缺等因素影响了实验的顺利进行。此外,在电力电子技术实验过程中,学生操作不熟练,因此,故障率高,烧断保险、烧坏设备的情况经常出现,直接影响了实践环节的教学效果[2]。采用计算机仿真技术,用模拟元件代替实际元件进行实验,节省了实验耗材,学生还可以在课外独立完成仿真实验。

总之,借助计算机仿真技术,既提高了理论教学效果,又弥补了因实验场地、实验条件、仪器设备等因素带来的不足,提高了实践教学质量。

2 虚拟仿真技术在电力电子技术课程中的应用

2.1 虚拟仿真软件简介

虚拟仿真技术,是用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术[3],是随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。MATLAB是美国Math Works公司于1976 年开发的Matrix Laboratory(矩阵实验室)软件的简称[4]。早期的MAT LAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算,后面经过不断的扩充和更新,成为了一个高级计算和仿真平台。本文中,电力电子电路的仿真主要使用simpowersystem和simulink两个模块库进行。

2.2 虚拟仿真技术在电力电子技术课中的应用

下面以单相桥式全控整流电路为例,介绍M A T L A B的仿真教学过程,该电路由交流电源,晶闸管、负载以及触发电路组成。

(1)建立仿真模型

打开MATLAB软件,新建MDL文件,在simulink和simpow ersystem模块组中提取所需的模块,按照单相桥式全控整流的原理图连接起来组成仿真电路如图1所示。其中,晶闸管的触发电路采用简单的脉冲发生器,控制角以脉冲的延迟时间表示。最后,需要在仿真模型中加入powergui模块,电力系统仿真必需加入该模块,否则无法运行[5]。

(2)参数设置及仿真结果分析

设置交流电源峰值220V,频率为50Hz,初始相位为0°;负载电阻R = 2Ω ;脉冲发生器1的周期为0.02,相位为0.02/12,脉冲发生器2的周期为0.02,相位为0.02*7/12;仿真时间为0.06s,仿真类型为ode15s[stiff/NDF],参数设置完后,点击“运行”按钮。阻性负载,α=30°时负载两端电压和电流波形如图2所示,晶闸管两端电压和电流波形如图3所示。

分析单相桥式全控整流阻感性负载电路的原理时,只需要设置参数R = 2Ω ,L = 0 1 . H,可以很方便地得到阻感性负载电路的波形。教师演示完后,要求学生自己动手仿真,观察其他控制角时,整流输出电压、电流波形。学生在自己仿真的过程中,不仅可以很直观地看到参数的改变对电路的影响,还可以通过改变参数的设置加深对触发电路与主电路的同步等抽象问题的理解。

3 结论

MATLAB仿真技术在电力电子技术教学过程中的合理应用,既可以激发学生的兴趣,将抽象问题以仿真的方式呈现出来,加强直观性,吸引学生注意力,让学生主动参与到课堂教学中来。又弥补了因实验场地、仪器设备等硬件条件的不足,尤其实验中不易观察到的现象,可以进行模拟仿真,使整个实验教学更充实完善,通过软硬结合、相互补充的方式,培养了学生的工程实践能力。

摘要：电力电子技术是高职院校电气自动化专业的一门实践性很强的专业课程。本文分析了电力电子技术课程教学中存在的问题,将虚拟仿真技术应用在电力电子技术课程教学中,激发了学生的学习兴趣,加深了学生对理论知识的理解,同时仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制,提升了实践教学质量。

关键词：虚拟仿真技术,MATLAB,高职,电力电子技术

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电力电子仿真教学研究论文 篇9

关键词：电子技术基础；仿真软件；虚拟实验平台

电子技术基础课程是一门实践性很强的专业技术基础课，该课程教学是以理论课教学、课程实验和课程实践等教学环节构成。计算机仿真技术能把复杂事物简化、变抽象为具体、微观的事物放大、宏观事物缩小，缩短时空距离。在教学实践过程中，结合理论教学的进程，利用Multisim，Protel 99 SE，EWB，PSPICE，SystemView等仿真软件辅以生动的仿真演示，作为教学的补充，为传统的教学注入活力。这一方法实现了理论讲解和验证的同步进行，能增强教学的直观性与灵活性，使一些抽象的概念形象化、直观化、简单化，弥补了理论上的抽象性，可以提高课堂教学效率，取得良好的教学效果。

一、利用计算机仿真环境激发学生的学习兴趣

电子课程课本内容过于理论化，过于注重原理分析、公式推导，理论课教学学生听起来枯燥无味，难于理解，对该课程缺乏学习动力和热情。利用计算机仿真作为教学载体，可以很好地解决学生的学习兴趣问题。

利用Multisim 7电路设计仿真软件辅助教学后，在讲解电路原理的同时，可穿插Multisim 7软件对电路进行仿真。如在单级共射极放大器电路教学中，在讲解完基本电路原理后，利用Multisim 7软件对此电路进行仿真演示。先用Multisim 7软件模拟连接电路，确定电路中的各元器件参数，使用Multisim 7软件虚拟仪器进行在线测量，再对照电路设计要求更改相关元件参数，观察所得的变化，最后与理论计算进行对比。这样就将理论上枯燥而不易理解的教学内容形象地展现在学生面前。在整个教学过程中，学生自始至终都保持极高的学习兴趣。

在学习电子技术基础的过程中，抽几节课讲解仿真软件的使用方法。结合教师在课堂上的演示，学生首先学会Multisim 7软件的基本操作。运用Multisim 7软件，学生可以在较短时间内完成各类模拟电路、数字电路的原理验证性实验。使用虚拟测试仪器对电路进行仿真实验如同置身于实验室使用真实仪器测试电路。由于在电子技术基础理论教学引入了虚拟的电子实验，使课堂教学情境化，增强了教学的直观性、形象性、生动性和时效性，激发了学生的学习兴趣。

二、利用虚拟仿真弥补演示实验的不足，提高课堂教学效率

电子技术基础课程中许多概念和原理经常是通过实验来帮助学生加以理解。实物演示方法虽然有直观、生动、真实的特点，但演示准备工作量大，不便观察。教学演示的内容一旦确定，其可变性很小，灵活性差。并且有些现象在传统的演示实验中是无法展示的，很难达到理想的教学效果，因此可以借助于虚拟仿真实验。将仿真技术应用于教学中，能模拟一些用语言难以清楚表述的和现实实验不易进行的内容。

例如，利用Protel 99 SE软件仿真显示出波形，振荡器起振的过程非常直观，还能看出这种振荡电路的波形存在较大的失真，但振荡波形较稳定。如果对波形失真要求较高，则需要采用改进型号振荡电路，即克拉泼或者西勒振荡电路。这种教学模式生动活泼，学生自始至终保持着极高的学习兴趣，加深了理解和记忆，有效提高了课堂教学效率。

三、利用仿真实验，突破教学难关，增强教学效果

将仿真技术应用于教学中，可以把许多抽象和难以理解的内容变得生动有趣，动态地演示一些现象，化难为易，使教学中的难点、重点变得一目了然，便于学习者观察与思维，从而更好地理解和掌握所学知识，有效地实现精讲，突出重点，突破难点。

课堂上教师可以根据讲课需要，运行Multisim 7软件，模拟各种实验，并根据需要随意控制，使“实验结果”反复重现，使实验演示与教师的讲解同步进行；通过屏幕的展示，使一些抽象的概念形象化，将一些学习方法以动态方式图解。这样的教学模式生动活泼，调动了学生的学习积极性，帮助学生正确理解概念，掌握知识，提高了课堂教学效率。例如利用Multisim 7软件对负反馈放大器进行辅助仿真教学。反馈不仅是改善放大电路性能的重要手段，而且也是电子技术和自动调节原理中的一个基本概念。在放大电路中引入电压串联负反，会导致电压放大倍数下降，但输出电压的稳定性提高，非线性失真减少，通频带展宽，输入电阻增加，输出电阻减少。借助于Multisim7软件对电压串联负反馈放大电路进行仿真实验来验证这些影响，得出与理论相符合的结果，以利于课堂教学的成功进行。

四、虚实结合，增加实践环节

电子技术课程是一门实践性很强的专业基础课程，理论学习必须紧密地与实践结合起来。在电子技术实践课之前，学生先利用仿真软件将电路进行仿真，得到实验结果以后，再进行实际的安装、焊接、调试。学生做实验的兴趣提高，信心加强，实验教学质量大大提高，在仿真软件中，可以随时修改元件参数，并能马上获得仿真结果。使教师、学生感觉到自己置身于特殊的教与学的环境之中, 从而产生亲临真实电子技术基础环境的感受和体验。Muhisim 7软件还提供了故障设置功能，实验时，学生可以两人为一组，互设故障，然后通过仿真结果进行故障分析，最后排除。这样，学生能初步学习电路的故障分析，大大提高了学习兴趣和实际动手能力。学生可提出各种设计方案，从而大大提高了分析问题、解决问题的能力，激发了他们的创新意识，也大大提高了学生电子技术基础的设计水平。

例如在典型的互补对称式推挽OTL功率放大电路的实践中，先在Multisim7软件中绘制仿真电路，运行仿真电路，通过数字万用表和示波器观察输出结果。若结果不符合设计要求，则需修改电路再对电路进行仿真调试，直到符合要求为止，并输出Protel格式网络表文件。再应用Protel 99 SE 软件载入网络表，将元件封装形式修改为Protel形式的元件封装，设计PCB布线图。然后，根据布线图制作印刷电路板，并进行实物安装与调试。制作成功时的成就感激发了学生的学习热情，让学生有目的、有针对性地学习相关理论知识。通过相应的电子制作，在实践中巩固所学理论，并能用理论知识解决制作中遇到的问题，达到较好掌握理论知识与实践技能的目的。

（作者单位：恩平市中等职业技术学校）

参考文献：

[1]夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel 99 se［M］.北京：北京希望出版社，2002.

[2]熊伟，侯传教，梁青，孟涛.Multisim 7 电路设计及仿真应用［M］.北京：清华大学出版社，2005.

电力电子仿真教学研究论文 篇10

智能电网技术正逐渐成为世界各国电力行业竞相研究的主题[1]。智能电网的重要组成部分之一是电力电子变压器,较传统铁芯式变压器而言,具有许多优点,如体积小、重量轻、成本低、供电质量高、四象限工作能力、智能化控制,符合智能电网的发展要求。因此,电力电子变压器受到了广泛和深入的研究[2,3]。电力电子变压器一般是指高压输入-低压输出的电力电子变换器。到目前为止,出现了多种功率电路。鉴于电力电子变压器需要采用高频降压变压器,实现降压和电气隔离,可以根据变压器前级和后级不同进行分类。变压器前级电路主要包括交直交型和交交型,变压器后级电路主要包括不可控整流型和PWM可控整流型[4,5,6,7,8]。变压器前级交交型电路具体包括单相-单相矩阵变换器和三相-单相矩阵变换器等,与交直交型电路相比,它是单级变换器,省去了中间储能环节,具有结构紧凑、效率高等优点。变压器后级电路具体包括工频或高频输入的单相二极管不控整流器或单相PWM整流器等,其中后者能够实现单位输入功率和能量双向流动[3]。基于以上考虑,本文理论分析、仿真分析了两种单相交流电源输入、三相交流低压输出、高压端采用交流推挽变换器、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器拓扑:第一类可以实现单向能量传输;第二类可以实现双向能量传输。单相输入交流线电压为10 kV,三相输出交流电压为三相208 V。

1 电路拓扑与工作原理

1.1 单向电力电子变压器

单向电力电子变压器的电路拓扑如图1所示,输入交流线电压10 kV,输出单相交流电压±120 V,可以获得单相交流电压240 V[9]。

图1中电路结构和工作原理为:

电感L1、L2与电容C1构成网侧滤波器,起到滤波作用。

双向开关BS1、BS2构成变压器前调制电路,负责将高压工频电压斩波成高压高频交流电压,开关频率一般高于几 kHz,占空比为50%。

T1为高频降压变压器,起到降压和隔离作用,没有直流磁化问题。

C2为滤波器电容,负责旁路来自后级的高频电流成分。

反向快速恢复二极管FRD1～FRD4构成高频整流器,负责将高频低压高频电压整流成低压二倍工频的正弦半波电压。该整流器的存在决定整个电路具有单向功率传输能力。

电感L3、逆变开关RCS1、反向快速恢复二极管FRD5、电解电容E1构成升压型阻抗变换器,使其输入端呈现单位功率因数,输出幅值略升高的直流电压。

逆变开关RCS2～RCS7构成3H桥逆变器,输出±120 V,实际上应该增加载侧滤波器。

图中的阻抗变换器实质上为功率因数校正器,在输出直流电压的同时,可以获得单位输入功率因数,即输入阻抗为纯阻性,该阻性特征可以传递到高压网侧,获得网侧单位输入功率因数。波调制电路的BS1与BS2无需考虑安全换流策略。逆变器的负载为瞬时恒定负载时,有利于网侧单位输入功率因数的实现,否则需要更大容量的电解电容E1。

1.2 双向电力电子变压器

1.2.1 第一种双向电路

第一种双向电路如图2所示,输入交流线电压10 kV,输出单相交流电压+120 V,具有双向功率传输能力。

电感L1、L2与电容C1构成网侧滤波器,起到滤波作用。

图2中电路结构和工作原理为:双向开关BS1、BS2构成变压器前调制电路,负责将高压工频电压斩波成高压高频交流电压,开关频率一般高于几kHz,占空比为50%。

T1为高频降压变压器,起到降压和隔离作用,没有直流磁化问题。

双向开关BS3、BS4构成变压器后解调电路,能够还原出低压工频交流电压,开关频率一般高于几kHz,占空比为50%,脉冲规律分别与双向开关BS1、BS2的脉冲规律相同。

电感L3、L4与电容C2构成载侧滤波器,起到滤波作用,输出低压交流正弦电压。

1.2.2 第二种双向电路

第二种双向电路如图3所示,是在图2的基础上,去掉其输出滤波器,增加单相PWM整流器作为阻抗变换器,最后增加3H桥逆变器。输入交流线电压10 kV,输出单相交流电压±120 V,具有双向功率传输能力。

图3中的工作原理为:由电感L3、逆导开关RCS1～RCS4构成的单相PWM整流器可以在获得幅值增加之后的直流电压之后,获得单位输入功率因数,即输入阻抗为纯阻性,该阻性特征可以传递到高压网侧,获得网侧单位输入功率因数。

1.2.3 第三种双向电路

第三种双向电路如图4所示,是在图3的基础上,去掉其变压器次级的解调电路,改为单相-单相矩阵变换器结构。输入交流线电压10 kV,输出单相交流电压±120 V,具有双向功率传输能力。

由双向开关BS1～BS4构成的单相-单相矩阵变换器,起到解调电路作用,获得低压交流电压,为后级单相PWM整流器供电。BS3与BS6为一组,其驱动脉冲同BS1。BS4与BS5为另一组,其驱动脉冲同BS2。占空比均为50%,该电路同样可以获得网侧单位输入功率因数。以上四种电力电子变压器电路的共同特点是:(1) 高压端变换器为交交变换器,单级结构,电路非常简单;(2) 低压端变换器包含阻抗变换器,可以获得网侧单位输入功率因数;(3) 输出±120 V交流电压;(4) 高频降压变压器设计简单,没有磁路饱和问题;(5) 高频变压器前后的交交变换器不存在安全换流问题;(6) 整个电路由已有基本电路构成,结构简单,控制容易,可以很方便地构成大功率三相-三相电力电子变压器。

2 仿真分析

利用MATLAB/Simulink建立了图1、图2、图3、图4的仿真电路,包括功率电路和控制电路,进行了较为完整的仿真分析,获得了期望的结果。为简化起见,以图3所示的具有双向功率传输能力的电力电子变压器为例,给出仿真过程和有关结果,其仿真原理如图5～7所示,其中拆分的三部分依次级联。电解电容E1为2 820 μF。BS1与BS2、BS3与BS4的斩波频率为5 kHz,BS1与BS3、BS2与BS4采用相同的驱动脉冲,占空比均为50%,无需检测输入电压的相位。

降压变压器T1的变比为45:1,当输入交流电压有效值为10 kV时,T1输出交流电压的有效值为220 V。

电感L1、L2均为0.2 mH,电容C1为47 nF,L3为1 mH,单相PWM整流器中逆导开关RCS1～RCS4的开关频率为20 kHz,输出直流电压平均值为385 V。采用单周控制,即电压外环负责控制输出电压,电流内环采用单周期控制,也无需检测输入电压的相位。

3H桥逆变器中逆导开关RCS5～RCS10的开关频率为20 kHz,输出交流电压±120 V。采用单周控制,即电压外环负责控制输出电压,电流内环采用单周期控制。

在供电状态下,负载为20 kW时,网侧电压与电流的仿真波形如图8所示。在发电状态下,馈电为20 kW时,能量由低压端直流接入环节馈入,此时网侧电压与电流的仿真波形如图9所示。

提出的电力电子变压器拓扑极为简单,不足之处在于桥前的双向开关两端将承受两倍的网侧电压,仿真波形如图10,使功率器件的耐压要求加倍,所以本方案只适用于低压电网。

3 结束语

本文提出了两类单相交流电源输入、三相交流低压输出、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器拓扑,分析了它们的工作原理,并利用MATLAB/Simulink进行了负载为20 kW时供电与发电状态的仿真。结果表明设计的两类单相交流电源输入、三相交流低压输出、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器方案是可行的,可用于电压智能电网的应用。

参考文献

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[4]方华亮,黄贻煜,范澍,等.配电系统电力电子变压器的研究(J).电力系统及其自动化学报.2003,15(4):27-31.

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[6]潘悦维,万衡,黄佳,等.基于空间矢量调制的升压型矩阵式变换器的实现[J].电气自动化.2012,34(1):17-18.

[7]贺博,程善美,龚博.单相混合三电平PWM整流器的研究[J].电气自动化,2012,34(1):48-51.

[8]Kaushik Basu,Apurva Somani,Krushna K Mohapatra,et al.A Three-Phase AC/AC Power Electronic Transformer-based PWM AC Drive withLossless Commutation of Leakage Energy(C).//International Symposium on Power Electronics,Electrical Drives,Automation and Motion,Pisa,Italy,June14-16,2010,SPEEDAM2010.2010:1693-1699.