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摘要:电力电子技术的关键知识点多为变换器工作过程分析,在电路结构复杂、电路具有多个工作状态的条件下,通过传统教学手段讲解的过程冗长、枯燥而且容易漏掉细节。本文对MATLAB/Simulink仿真环境下的SimPowerSystems仿真模型库进行简单介绍,并通过搭建串联谐振直流环节DC-DC变换器模型,演示了MATLAB/Simulink环境在教学实践中应用,最后本文对教学效果进行了评估和总结。
关键词:MATLAB/Simulink;SimPowerSystems;串联谐振直流环节DC-DC变换器;教学方法
作者简介:胡楷(1974-),男,山东桓台人,国防科技大学机电工程与自动化学院,讲师,工学博士,主要研究方向:电气传动与电能质量治理、空间仪器工程等;单庆晓(1973-),男,湖南衡阳人,国防科技大学机电工程与自动化学院,副教授,工学博士,主要研究方向:自主供电技术、卫星导航与授时等。(湖南 长沙 410073)
作为专门研究电能变换、控制的一门交叉性学科,电力电子技术已经渗透到了生产、生活的各个方面。[1]从电力系统的角度看,在发、输、配、用各环节都已经受益于电力电子技术的应用。从学科教学的角度看,电力电子已经成为自动化、电气工程类专业学生重要的专业基础课。[2,3]在国家强制“节能减排”的大环境下,电力电子技术的教学和应用得到了更加广泛和深入的关注。研究电力电子教学的新方法、提高课堂教学效果、提高学生对电力电子技术的掌握程度和应用水平,就具有了更加重要的现实意义。
电力电子技术是一门实用性很强的学科,其组合变换电路的拓扑结构、工作过程、器件开关模式都非常复杂。传统教学方法中,采用结合板书、挂图方式讲解,往往很难兼顾横向(同一时刻、不同器件)、纵向(不同时刻)变换电路的工作情况和关键参数变化,学生想在讲解中抓住重点也非常困难。随着计算机技术和仿真技术的飞速发展,各种专业的仿真工具的功能越来越全面、强大,在电力电子课堂教学采用仿真实例教学的方法在实践上变成可能。在电力电子教学中采用实例仿真的教学方法,可以展现整个变换电路工作过程,能够对各种关键參数、器件开关状态进行动态演示。另外,仿真过程可以多次重复,反复观察一些关键时间点和关键器件的变化情况。无疑实例仿真教学法可以大大提高学生的可接受程度,使学生对讲授内容理解得更为深刻。
MATLAB/Simulink是一个通用的仿真平台,建立在该平台上的各种工具箱,能够大大简化仿真模型的搭建工作,因而在科研和教学当中得到了广泛的应用。[4-6]在Simulink5.1以上版本中加入了实体模型仿真的概念,功能更加强大,SimPowerSystems就是实体模型仿真的模块库之一,该模块库包含了电力电子仿真的各种基本器件和必要控制算法,为仿真教学方法在电力电子教学中的应用提供了良好的技术平台。
一、电力系统仿真模块库简介
在Simulink5.1以后的版本中,用于电力系统仿真的模型库引入了实体模型仿真的概念,并且改名为SimPower Systems。该模型库包含7个子模型库,常用的有以下6个模型库。
(1)电源模型库。包括单、三相交流电源,受控源和直流电源。
(2)无源元器件库。包括电阻、电容、电感和变压器等常见的无源元器件。
(3)电机模型库。包括各种直流、交流电机和发电机等的模型。
(4)测量模型库。包括各种单、三相的电流、电压测量模块。
(5)电力电子模型库。包含了晶闸管、GTO、功率MOSFET、IGBT等器件的模型,还包含了通用开关桥电路模型。
(6)附加模型库。附加模型库又包含多个子模型库,其中的控制模型库最常用,三相可控整流触发信号发生器、模拟与数字滤波器、PWM信号发生器等都包含在这个模型库中。
使用Simulink进行电力电子仿真的步骤包括:变换器电路分析、控制策略制定、选取适当的电力电子器件模型搭建主电路、选取适当的通用仿真模型搭建控制和驱动部分电路、给定初始化参数、启动仿真过程、仿真后端数据处理和图形化等。
二、典型教学应用案例
以文献[7]所述的串联谐振直流环节DC-DC变换器为例,系统原理电路如图1所示。
上图中的电感L和电容C组成二阶串联谐振电路,整个变换器的工作过程包括6个工作模态,如果以标幺制表示的电容电压VnC和电感电流inL作为坐标系,那么这6个工作模态在(VnC,inL)平面上可以用4个半圆和2个点表示。具体的计算分析过程可以参阅文献[7]。
上述电路的重点是向学生讲解谐振环节C-L器件中的电压和电流变化,引出轨迹图的概念,进而从轨迹图上某些特定点阐明开关器件的零电流通断过程。讲解过程至少需要兼顾6种电路工作模态下三个电路部分的状态:S1、S2的通断状态、二极管DA～DD的续流和导通状态、VnC和inL的变化波形。如果把三个电路部分作为横向,6个工作模态作为纵向,则知识点纵横交叉,前后衔接的情况非常复杂,要巨细靡遗地讲清楚这么多信息非常困难,学生想要在课堂授课时间理解和掌握也是有困难的。以演示方式结合板书绘制的Vnc-inL轨迹图如图2所示。
接合Simulink仿真方式,可以从纵向上把6个工作模态分开,仿真中每完成一个工作模态就可以暂停,对该模态中的各个元器件的工作状态、电压电流进行详细的分析,无疑可以大大提高教学效果。
下图是在Simulink5.1版本环境下建立的串联谐振直流环节DC-DC变换器仿真模型。
在图3的模型中用一个IGBT加反并联二极管代替图1中的S1、S2开关以及与之反并联的二极管,用电容+电阻并联的方式代替直流电压源负载Vo,用一个Multimeter模块测量电路中的各个参数。虽然Multimeter模块可以对仿真模型中的每个元器件的电压、电流进行测量,但为了叙述方便起见,这里只给出最关键的负载稳态电压Vo和VnC-inL平面上的系统工作轨迹的测量结果。
仿真模型中的电感量为L=1mH,电容值为C=1nf,谐振环节的谐振频率为:
为了实现DCM工作模式,控制IGBT开关频率的为79kHz,直流电压型负载的电压波形如图4所示。
当V0到达恒定状态时,变换器在VnC-inL平面上的轨迹也进入了稳定状态,此时可以暂停仿真过程,对变换器的各个工作过程进行详细的讲解。完整的LC谐振环节在VnC-inL平面上的系统轨迹如图5所示。
上述仿真模型以及仿真过程形象地把整个谐振变换器的工作过程和轨迹图展示出来,整个过程是动态进行的,图形变化是连续的,讲解是连贯的,无疑对于学生来说能够更加直观地理解所讲授内容。
三、效果评估及总结
通过在现代电力电子的教学实践中使用MATLAB/Simulink仿真环境,收到了以下几个方面的良好效果。
首先,实现了理论与实践的紧密结合。电力电子是一门实践性很强的课程,通过把教材上的理论和案例用仿真模型实现,再现理论分析的结果,可以使学生了解到整个电路的工作过程,便于学生理解教学内容。通过仿真过程还可以增强学生对于所学内容活学活用的能力。
其次,增加了学生的学习兴趣。应用基于MATLAB/Simulink的仿真模型,可以用模型库中的示波器、XY图形把仿真电路中的电压、电流进行直观的表现,把枯燥的知识用另一种方式表达出来,增加教学过程的互动性,比单纯课堂讲解的方式更生动,利于学生更好地接受所学的知识。通过安排和鼓励学生自己动手进行仿真模型搭建、观察、实验,激发了学生对电力电子技术的学习兴趣。
最后,通过MATLAB/Simulink仿真方式与PPT动画方式相比,可以简化教师的备课工作,而且教学效果更好。
通过在实际教学过程中,对各个关键教学知识点进行MATLAB/Simulink仿真教学,受到了学生的普遍欢迎,收到了很好的教学效果。证明仿真教学技术对于电力电子教学来说是非常有效的教学辅助手段。
参考文献:
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2]关晓菡,张卫平,张东彦.国内外高校电力电子技术教育现状综述[J].电气电子教学学报,2006,28(2).
[3]桂武鸣,刘子建.电力电子技术课程教学改革实践探索[J].邵阳高等专科学校学报,2001,14(4).
[4]王小刚,王佳庆.MATLAB/Simulink在电力电子交互式教学中的应用[J].电气电子教学学报,2004,26(5).
[5]张宝生,王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].电气电子教学学报,2004,26(3).
[6]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2007.
[7]Jai P.Agrawal.Power Electronic Systems–Theory and Design
[M].BEIJING:Tsinghua University Press,2001.
(责任编辑:赵赟)
关键词:MATLAB/Simulink;SimPowerSystems;串联谐振直流环节DC-DC变换器;教学方法
作者简介:胡楷(1974-),男,山东桓台人,国防科技大学机电工程与自动化学院,讲师,工学博士,主要研究方向:电气传动与电能质量治理、空间仪器工程等;单庆晓(1973-),男,湖南衡阳人,国防科技大学机电工程与自动化学院,副教授,工学博士,主要研究方向:自主供电技术、卫星导航与授时等。(湖南 长沙 410073)
作为专门研究电能变换、控制的一门交叉性学科,电力电子技术已经渗透到了生产、生活的各个方面。[1]从电力系统的角度看,在发、输、配、用各环节都已经受益于电力电子技术的应用。从学科教学的角度看,电力电子已经成为自动化、电气工程类专业学生重要的专业基础课。[2,3]在国家强制“节能减排”的大环境下,电力电子技术的教学和应用得到了更加广泛和深入的关注。研究电力电子教学的新方法、提高课堂教学效果、提高学生对电力电子技术的掌握程度和应用水平,就具有了更加重要的现实意义。
电力电子技术是一门实用性很强的学科,其组合变换电路的拓扑结构、工作过程、器件开关模式都非常复杂。传统教学方法中,采用结合板书、挂图方式讲解,往往很难兼顾横向(同一时刻、不同器件)、纵向(不同时刻)变换电路的工作情况和关键参数变化,学生想在讲解中抓住重点也非常困难。随着计算机技术和仿真技术的飞速发展,各种专业的仿真工具的功能越来越全面、强大,在电力电子课堂教学采用仿真实例教学的方法在实践上变成可能。在电力电子教学中采用实例仿真的教学方法,可以展现整个变换电路工作过程,能够对各种关键參数、器件开关状态进行动态演示。另外,仿真过程可以多次重复,反复观察一些关键时间点和关键器件的变化情况。无疑实例仿真教学法可以大大提高学生的可接受程度,使学生对讲授内容理解得更为深刻。
MATLAB/Simulink是一个通用的仿真平台,建立在该平台上的各种工具箱,能够大大简化仿真模型的搭建工作,因而在科研和教学当中得到了广泛的应用。[4-6]在Simulink5.1以上版本中加入了实体模型仿真的概念,功能更加强大,SimPowerSystems就是实体模型仿真的模块库之一,该模块库包含了电力电子仿真的各种基本器件和必要控制算法,为仿真教学方法在电力电子教学中的应用提供了良好的技术平台。
一、电力系统仿真模块库简介
在Simulink5.1以后的版本中,用于电力系统仿真的模型库引入了实体模型仿真的概念,并且改名为SimPower Systems。该模型库包含7个子模型库,常用的有以下6个模型库。
(1)电源模型库。包括单、三相交流电源,受控源和直流电源。
(2)无源元器件库。包括电阻、电容、电感和变压器等常见的无源元器件。
(3)电机模型库。包括各种直流、交流电机和发电机等的模型。
(4)测量模型库。包括各种单、三相的电流、电压测量模块。
(5)电力电子模型库。包含了晶闸管、GTO、功率MOSFET、IGBT等器件的模型,还包含了通用开关桥电路模型。
(6)附加模型库。附加模型库又包含多个子模型库,其中的控制模型库最常用,三相可控整流触发信号发生器、模拟与数字滤波器、PWM信号发生器等都包含在这个模型库中。
使用Simulink进行电力电子仿真的步骤包括:变换器电路分析、控制策略制定、选取适当的电力电子器件模型搭建主电路、选取适当的通用仿真模型搭建控制和驱动部分电路、给定初始化参数、启动仿真过程、仿真后端数据处理和图形化等。
二、典型教学应用案例
以文献[7]所述的串联谐振直流环节DC-DC变换器为例,系统原理电路如图1所示。
上图中的电感L和电容C组成二阶串联谐振电路,整个变换器的工作过程包括6个工作模态,如果以标幺制表示的电容电压VnC和电感电流inL作为坐标系,那么这6个工作模态在(VnC,inL)平面上可以用4个半圆和2个点表示。具体的计算分析过程可以参阅文献[7]。
上述电路的重点是向学生讲解谐振环节C-L器件中的电压和电流变化,引出轨迹图的概念,进而从轨迹图上某些特定点阐明开关器件的零电流通断过程。讲解过程至少需要兼顾6种电路工作模态下三个电路部分的状态:S1、S2的通断状态、二极管DA～DD的续流和导通状态、VnC和inL的变化波形。如果把三个电路部分作为横向,6个工作模态作为纵向,则知识点纵横交叉,前后衔接的情况非常复杂,要巨细靡遗地讲清楚这么多信息非常困难,学生想要在课堂授课时间理解和掌握也是有困难的。以演示方式结合板书绘制的Vnc-inL轨迹图如图2所示。
接合Simulink仿真方式,可以从纵向上把6个工作模态分开,仿真中每完成一个工作模态就可以暂停,对该模态中的各个元器件的工作状态、电压电流进行详细的分析,无疑可以大大提高教学效果。
下图是在Simulink5.1版本环境下建立的串联谐振直流环节DC-DC变换器仿真模型。
在图3的模型中用一个IGBT加反并联二极管代替图1中的S1、S2开关以及与之反并联的二极管,用电容+电阻并联的方式代替直流电压源负载Vo,用一个Multimeter模块测量电路中的各个参数。虽然Multimeter模块可以对仿真模型中的每个元器件的电压、电流进行测量,但为了叙述方便起见,这里只给出最关键的负载稳态电压Vo和VnC-inL平面上的系统工作轨迹的测量结果。
仿真模型中的电感量为L=1mH,电容值为C=1nf,谐振环节的谐振频率为:
为了实现DCM工作模式,控制IGBT开关频率的为79kHz,直流电压型负载的电压波形如图4所示。
当V0到达恒定状态时,变换器在VnC-inL平面上的轨迹也进入了稳定状态,此时可以暂停仿真过程,对变换器的各个工作过程进行详细的讲解。完整的LC谐振环节在VnC-inL平面上的系统轨迹如图5所示。
上述仿真模型以及仿真过程形象地把整个谐振变换器的工作过程和轨迹图展示出来,整个过程是动态进行的,图形变化是连续的,讲解是连贯的,无疑对于学生来说能够更加直观地理解所讲授内容。
三、效果评估及总结
通过在现代电力电子的教学实践中使用MATLAB/Simulink仿真环境,收到了以下几个方面的良好效果。
首先,实现了理论与实践的紧密结合。电力电子是一门实践性很强的课程,通过把教材上的理论和案例用仿真模型实现,再现理论分析的结果,可以使学生了解到整个电路的工作过程,便于学生理解教学内容。通过仿真过程还可以增强学生对于所学内容活学活用的能力。
其次,增加了学生的学习兴趣。应用基于MATLAB/Simulink的仿真模型,可以用模型库中的示波器、XY图形把仿真电路中的电压、电流进行直观的表现,把枯燥的知识用另一种方式表达出来,增加教学过程的互动性,比单纯课堂讲解的方式更生动,利于学生更好地接受所学的知识。通过安排和鼓励学生自己动手进行仿真模型搭建、观察、实验,激发了学生对电力电子技术的学习兴趣。
最后,通过MATLAB/Simulink仿真方式与PPT动画方式相比,可以简化教师的备课工作,而且教学效果更好。
通过在实际教学过程中,对各个关键教学知识点进行MATLAB/Simulink仿真教学,受到了学生的普遍欢迎,收到了很好的教学效果。证明仿真教学技术对于电力电子教学来说是非常有效的教学辅助手段。
参考文献:
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2]关晓菡,张卫平,张东彦.国内外高校电力电子技术教育现状综述[J].电气电子教学学报,2006,28(2).
[3]桂武鸣,刘子建.电力电子技术课程教学改革实践探索[J].邵阳高等专科学校学报,2001,14(4).
[4]王小刚,王佳庆.MATLAB/Simulink在电力电子交互式教学中的应用[J].电气电子教学学报,2004,26(5).
[5]张宝生,王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].电气电子教学学报,2004,26(3).
[6]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2007.
[7]Jai P.Agrawal.Power Electronic Systems–Theory and Design
[M].BEIJING:Tsinghua University Press,2001.
(责任编辑:赵赟)