精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)Simulink在“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用基金項(xiàng)目：本文系“2010年度廣東省高等教育教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號：BKYB）的研究成果。電力電子技術(shù)是高等院校電氣類專業(yè)的必修課程之一，是一門綜合性、工程性和實(shí)用性很強(qiáng)的課程。該門課程的內(nèi)容涉及整流、逆變、斬波及變頻等電力變換電路，分析各種電路拓?fù)涞碾妷?、電流波形是教師課堂講授和學(xué)生學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容之一。目前幾乎所有學(xué)校對該課程的教學(xué)均采用課堂教學(xué)加驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。雖然大多數(shù)教師在課堂教學(xué)中都借助了多媒體課件，但依然需要花費(fèi)大量精力對電路工作過程及其波形進(jìn)行描述和分析，學(xué)生僅憑聽講還是很難深入理解。在課件中加入動態(tài)演示，如加入flash動畫，可比較形象直觀地說明電路的工作原理，但其制作比較困難，只能演示電路在某一工作狀態(tài)下的波形，修改各種參數(shù)不方便，所以教學(xué)效果不夠理想。[1]而實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在較多問題和局限。大多實(shí)驗(yàn)采用的掛件結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)箱，電路和系統(tǒng)是封閉式的、看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生只是按照老師或者實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的指導(dǎo)，機(jī)械地接線、讀取和記錄數(shù)據(jù)、波形，很多學(xué)生并不理解其中的原理，只要電路接線正確、設(shè)備完好就能完成實(shí)驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)條件的限制、實(shí)驗(yàn)課時較少等因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇面較窄、實(shí)驗(yàn)數(shù)量少且較簡單；實(shí)驗(yàn)設(shè)備逐漸老化導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析不符或出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)的電壓電流較大、有一定的危險性。因此，本文提出在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中引入Simulink仿真工具，彌補(bǔ)了以上的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，把傳統(tǒng)授課與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)相結(jié)合，不但使學(xué)生更容易理解理論知識、從消極學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃忧笾?，而且培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動手能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量。一、Simulink仿真工具[1-4]Simulink是Matlab軟件內(nèi)置的一個仿真工具，可以用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。它提供一種面向系統(tǒng)框圖的仿真平臺，不需要書寫代碼，只需用鼠標(biāo)拖動模型庫中的功能模塊并將它們連接起來，再利用模塊的屬性對話框設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，其系統(tǒng)的函數(shù)和電路元器件的模型都用框圖來表達(dá)，框圖之間的連線表示信號流動的方向。用戶只要學(xué)習(xí)圖形界面的使用方法和熟悉模型庫的內(nèi)容，就可以很方便地進(jìn)行系統(tǒng)和電路的仿真，而不必去記那些復(fù)雜的函數(shù)。Simulink集成了許多模型庫，其中的電力系統(tǒng)模型庫（SimPowerSystems）具有豐富的器件模塊庫和齊全的分析功能，且操作方便、簡單易學(xué)，可以方便快捷地分析電力電子電路，特別適用于電力電子的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。SimPowerSystems模型庫中包含應(yīng)用程序模塊庫（ApplicationLibraries）、電源模塊庫（ElectricalSources）、電器元件模塊庫（Elements）、電機(jī)模塊庫（Machines）、電力電子元件模塊庫（PowerElectronies）、測量儀器模塊庫（Measurements）、其他電氣模塊庫（ExtraLibrary）七大部分，每一部分又包括了許多相應(yīng)的電力設(shè)備模型。二、三相電壓型逆變電路的建模與仿真實(shí)例在三相電壓型逆變電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相電壓型橋式逆變電路，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路由直流電容和六個橋臂組成，負(fù)載采用星形接法，開關(guān)器件采用IGBT。電路采用180°導(dǎo)電方式，即每個橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120°，所以任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，因此又被稱為縱向換流。在一個周期中電路有6個工作狀態(tài)、對應(yīng)導(dǎo)通的器件分別是：V1、V2、V3，V2、V3、V4，V3、V4、V5，V4、V5、V6，V5、V6、V1，V6、V1、V2，每個工作狀態(tài)持續(xù)60°，開關(guān)器件從V1到V6每隔60°按順序?qū)?。輸出三相交流相電壓和線電壓均為階梯波，改變輸入直流側(cè)電壓的大小就能改變輸出三相交流電壓的幅值；改變開關(guān)切換的頻率就能改變交流輸出電壓的頻率。輸出線電壓的公式如下：[5]（1）其中，n=6k±1。根據(jù)圖1用Simulink搭建的仿真電路如圖2所示。模型的搭建過程及各種參數(shù)設(shè)置如下：（1）在ElectricalSources模塊庫中選擇直流電源模塊（DCVoltageSource），電壓幅值設(shè)置為100V。（2）在PowerElectronies模塊庫中選擇通用多功能橋式電路（UniversalBridge），橋臂數(shù)選擇3，電力電子器件選擇二極管反并聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管，測量選擇三相線電壓與直流平均電壓，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。（3）在Elements模塊庫中選擇SeriesRLCBranch（電阻、電感、電容串聯(lián)支路），支路類型選擇電阻和電感組合，分別設(shè)置為1Ω和1mH，測量選擇支路電壓和電流。（4）在Measurements模塊庫中選擇電流測量模塊（CurrentMeasurement）和萬用表模塊（Multimeter），萬用表模塊中選擇測量值分別為三相交流輸出A相的相電壓，A、B相間的線電壓和A相的相電流3個測量參數(shù)。（5）在Simulink模型庫中的信號與系統(tǒng)模塊庫中選擇信號合成與信號分解模塊，選擇輸入數(shù)量為6、輸出數(shù)量為3；在儀器儀表模塊庫中選擇示波器，在常用標(biāo)簽頁選擇坐標(biāo)系數(shù)為4、仿真時間為0.0001s，在數(shù)據(jù)歷史標(biāo)簽頁中，勾選保存數(shù)據(jù)到工作區(qū)；在信號源模塊庫中選擇6個脈沖發(fā)生器，設(shè)置參數(shù)分別為：幅值1V、周期0.02s、脈沖寬度50%，相位依次延遲0.02/6s。（6）設(shè)置仿真時長為0.08s，采用變步長算法ode23tb（stiff/TR-BDF2）求解，其他參數(shù)采用默認(rèn)值。三、仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果如圖3所示，4個波形自上而下分別為三相交流輸出A、B相間的線電壓、A相的相電壓、A相的相電流和輸入直流側(cè)的電流。從波形可以看出，輸出三相交流相電壓和線電壓均為階梯波，周期為0.02s，相電流波形也不是正弦波，其形狀和相位與負(fù)載有關(guān)，直流輸入電流在0.02s內(nèi)脈動6次。可見仿真結(jié)果與課本結(jié)論一致。Simulink提供的Powergui具有很強(qiáng)大的功能，利用Powergui可以對輸出的電壓波形進(jìn)行傅里葉分析。雙擊Powergui中的FFT分析選項(xiàng)，選擇分析的波形是A、B相間的線電壓，基波頻率為50Hz，起始時間設(shè)為0.02s，分析周期數(shù)為1個周期，顯示方式采用柱狀圖，如圖4所示。其中，基波幅值為109.5V，與公式（1）理論計(jì)算值110.3V誤差很小，輸出電壓值含有5、7、11、13等6k±1次諧波，與理論一致，分析結(jié)果中含有的其他成分的諧波以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，是由于仿真元件不是絕對理想所致。四、結(jié)語通過以上具體的例子可以看出，用Simulink仿真電力電子電路非常方便、簡單、快捷，只要在模塊庫找到對應(yīng)的模塊，然后正確地接線，再設(shè)置好每個模塊的參數(shù)，最后運(yùn)行仿真就可以得到結(jié)果。在課堂講授的過程中演