电力电子和电力拖动控制系统虚拟实验的开发和应用
电力拖动自动控制系统实验报告
电⼒拖动⾃动控制系统实验报告电⼒拖动⾃动控制系统实验实验⼀转速反馈控制直流调速系统的仿真⼀、实验⽬的1、了解MATLAB下SIMULINK软件的操作环境和使⽤⽅法。
2、对转速反馈控制直流调速系统进⾏仿真和参数的调整。
⼆、转速反馈控制直流调速系统仿真根据课本的操作步骤可得到如下的仿真框图：图 1 仿真框图1、运⾏仿真模型结果如下：图2 电枢电流随时间变化的规律图3 电机转速随时间变化的规律2、调节参数Kp=0.25 1/τ=3 系统转速的响应⽆超调但调节时间长3、调节参数Kp=0.8 1/τ=15 系统转速的响应的超调较⼤，但快速性较好实验⼩结通过本次实验初步了解了MATLAB下SIMULINK的基本功能，对仿真图的建⽴了解了相关模块的作⽤和参数设置。
并可将其⽅法推⼴到其他类型控制系统的仿真中。
实验⼆转速、电流反馈控制直流调速系统仿真⼀、实验⽬的及内容了解使⽤调节器的⼯程设计⽅法，是设计⽅法规范化，⼤⼤减少⼯作计算量，但⼯程设计是在⼀定近似条件下得到的，⽤MATLAB仿真可根据仿真结果对设计参数进⾏必要的修正和调整。
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应⽤最⼴泛的直流调速系统，对于需要快速正、反转运⾏的调速系统，缩短起动、制动过程的时间成为提⾼⽣产效率的关键。
为了使转速和电流两种负反馈分别起作⽤，可在系统⾥设置两个调节器，组成串级控制。
⼀、双闭环直流调速系统两个调节器的作⽤1)转速调节器的作⽤（1）使转速n跟随给定电压*mU变化，当偏差电压为零时，实现稳态⽆静差。
（2）对负载变化起抗扰作⽤。
（3）其输出限幅值决定允许的最⼤电流。
2)电流调节器的作⽤（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*iU变化。
（2）对电⽹电压波动起及时抗扰作⽤。
（3）起动时保证获得允许的最⼤电流，使系统获得最⼤加速度起动。
（4）当电机过载甚⾄于堵转时，限制电枢电流的最⼤值，从⽽起⼤快速的安全保护作⽤。
当故障消失时，系统能够⾃动恢复正常。
《电机与拖动基础》虚拟实验的教学研究
专业 人才培养 的需要，课程 突出了交直 流电动机 拖动 内容 、教
电机与 拖动 基础 ） 本 内容 有 ：掌握 常用交 直流 电机、 ）基
笔者于 ２ ０ 年 编著 了教 材 电机 与拖动基 础 ， 在此 基 学安排使不同类型的电机与其拖动联 系更加紧密。 ０８ 课程 教学 要求 ，将课程教材例题或习题数 据输入到仿真平 台中， 变压器 的基 本理论 （ 电磁 关系、能量 关系等）； 掌握 常用控制电 比较仿真结果 与理 论计算 的区别 ； 实践实验 的参 数输入到虚 机 的工作原理、特性及 用途 ；掌握分析 电动机 机械特性及各种 将 拟实 验中，比较虚 拟实 验的结果与实践实验 的结果 。虚 拟实验 运转状态 的基 本原理 ；掌握 电力拖动的机械过 渡过程的基本特 平 台可 以产生在 实践 实验 中不能 测量 的信号，如 磁链 磁 通等。 性及 主要分析方法 ；掌握 电力拖动系统 中各种电动 机调 速方法
作者简介 ：李正 （９４ ） １７一 ，男，四川宜宾人 ，上海理工大学计算机与电气工程学院，讲 师 ； 上海大学机电工程与自动化学院电力电
子与电力传 动专业 Ｏ 级博 士研 究生 ，（ 海 ２ ０４ ）主 要 研 究方 向 ：电力 电 与电力传 动、 电力系统 及其 自 ７ 上 ０４４ 子 动化 。 （ 海 ２ ０ｇ ）杨 文 上 ０ Ｏ３ 焕 （９ ４ ） 男， 陕西西安 人 ，上 海理 工大学计算 机 与电气工 程学 院，教 授 ，主 要 研 究方 向 ：电力电子与电力传 动、 电机 与电器。（ 海 １５ 一 ， 上
有助 于提 高教学质量 。 武汉 大学 徐清超 、刘启胜于 ２ ０ ０ ６年设
二 虚拟实验设计
１虚拟实验设计的内容 ． 电机与拖 动基 础》是 电气工程及其 自动化专业 的一 门专业
电力电子系统的建模与仿真研究
电力电子系统的建模与仿真研究一、引言随着工业化和信息化不断推进，电力电子成为了近些年来的热点研究领域之一。
电力电子技术是指在电力系统中对电能进行转换、控制和调节等过程中应用的电子技术，其所涉及到的领域包括功率电子器件、电磁兼容、系统控制等方面。
在电力电子系统的设计与开发过程中，建模与仿真技术已经发挥了重要的作用，本文将对电力电子系统建模与仿真研究进行探讨。
二、电力电子系统建模技术电力电子系统建模是指对于电力电子系统的各个组成部分进行抽象和模拟，以期能够得到该系统的整体性能和特性。
电力电子系统建模技术可以分为两类：物理建模技术和黑盒建模技术。
1.物理建模技术物理建模技术是指基于物理原理和电路等的数学模型对电力电子系统进行建模。
比如，对于交流变电站来说，可以利用电机理论及变压器的等效电路进行模拟。
物理建模技术适用于系统结构相对稳定和系统的单元较为清晰的情况下，能够更精确地反映工程实际应用。
2.黑盒建模技术黑盒建模技术是指将某些受控系统作为整体，而不考虑其内部结构和机制，将系统的输入和输出关系进行数学描述。
黑盒建模技术适用于系统内部结构复杂、组成部分很多或者对系统行为知识不够充分或不可预知的情况。
常用的黑盒建模技术包括ARMA、ARIMA、ARMAX、Gray Box等。
三、电力电子系统仿真技术电力电子系统仿真技术是指将建模结果转化为可以数字化处理的仿真模型，开展电力电子系统行为的数字化仿真分析。
在电力电子系统设计中，利用仿真技术可以预测系统性能、分析系统的优化方案和研究系统的控制策略。
电力电子系统的仿真技术包括离散时间仿真与连续时间仿真。
1.离散时间仿真离散时间仿真是指将一个连续时间的电路模拟器在存在离散时间的情况下进行仿真。
使用离散时间仿真可以很好地处理数值误差的问题。
通常，离散时间仿真适合于模拟具有整数时节性的系统。
离散时间仿真主要有的两种方法是事件驱动仿真和固定时间间隔仿真。
2.连续时间仿真连续时间仿真是指基于微分方程或者差分方程的模型对电力电子系统进行仿真。
基于MATLAB的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计
电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering电子技术Electronic Technology基于MATLAB的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计张岩贾小龙（宁夏理工学院宁夏回族自治区石嘴山市753000）摘要：本文在MATLAB的基础上，利用现代仿真技术对电力电子变换器电路进行了SIMULINK仿真，完成了借助于图形用户界面GUI 功能的虚拟实验平台的搭建，达到了基本的实验要求。
关键词：MATLAB;电力电子技术；仿真模型；GUI1背景传统高校实验室所占实验经费比例大，软硬件设备一般比较昂贵的，容量有限且电气信息类技术更新非常快，要建立非常完备且与时俱进的实验教学环境是很困难的。
虚拟仿真实验既节省了资金，又可突破传统实验室在硬件设备上的限制，缓解了实验经费不足与实验人数过多的矛盾，突破了时空的局限，优化了教育资源，提高了学习兴趣和效率，真正实现理论教学与实验教学的结合。
因此，虚拟实验室的研究对于现代远程教学和高等院校的实验教学、课堂教学都很有意义。
2虚拟实验平台的国内外研究现状近年来计算机技术的发展为虚拟仿真实验平台开发提供了技术支持，已有很多高校和企业着手研究虚拟实验仿真平台。
例如：美国卡耐基梅隆大学早期开发的虚拟实验平台，他们的技术方案是通过计算机所搭建出来的函数发生器、示波器等实验硬件设备连接到Internet上，学生或其他用户可以通过上网然后网络远程连接并加以使用。
麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）,该院校着手项目的主要是为了建设众多学科科目的虚拟实验平台，此项目是同微软公司通力合作开发出来的I-Lab,设计出来的平台可以用来研究基于虚拟现实的科学技术与电气工程的创新型教育体系。
目前国内的一些高等院校逐渐设计出了自己的虚拟实验平台。
中国科学技术大学早期设计的物理虚拟实验平台是把实验运用在教学的演示和简单物理实验这些问题上，此设计是国内第一套有推广价值的实验教学平台。
电力拖动自动控制系统实验报告
电力拖动自动控制系统仿真实验报告课程名称：电力拖动自动控制系统课程编号：年级/专业/班：姓名：学号：任课老师：实验总成绩：电力拖动自动控制系统仿真实验报告实验项目名称：转速反馈控制直流调速系统实验指导老师：一、实验目的：1、进一步学习利用MA TLAB下的SIMULINK来对控制系统进行仿真。
2、掌握转速、电流反馈控制直流调速系统的原理。
3、学会利用工程的方法设计ACR、ASR调节器的方法。
二、仿真实验电路模型：比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型三、实验设备及使用仪器：安装windows系统和MATLAB软件的计算机一台四、仿真实验步骤（按照实际建模操作过程填写）：1、打开模型相关编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择File —New—Model菜单项实现。
复制相关原器件：双击所需要子模块图标，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。
2、模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端处，则在两模块间产生—>线。
修改相关参数：双击模型图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。
3、仿真过程的启动：单击启动仿真工具的按钮或选择Simulation—Strat菜单栏，则可启动仿真过程，再双击Scope模块就可以显示仿真结果。
4、仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的默认值注意改动，这里把Strat time和Stop time栏分别填写仿真的起始时间和结束时间，把默认时间从10.0s修改为0.6s。
重新启动仿真。
5、调节其参数的调整：根据工程的要求，选择一个合适的PI参数。
Kp=0.25,1/t=3,系统转速的相应无超调，但调节时间很长；当Kp=0.8，1/t=15，系统转速的相应的超调较大，但快速性较好。
五、实验数据、图表或计算等：修改控制参数后的仿真结果Kp=0.25,1/t=3,系统转速的相应无超调，但调节Kp=0.8，1/t=15，系统转速的相应的超调较大，但快速性较好。
《电力拖动控制系统》虚拟实验平台的开发
发工具 和仿真工具箱， 开发 电力 拖动控制系统的虚拟实验平 台． 虚拟实验平 台由验证性实验 、 综合性实验、 设计性实 验和开发性实验组成， 不仅能有效扩展实验空 间和时间， 加强实验内容的深度 ， 提高学生综合运用知识能力和创新能 力， 而且也可作为科研 、 设计 和分析的重要工具 ．
关键 词 ： 电 力拖 动 控制 系统 ； 虚拟 实 验 平 台 ； Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ 中图 分 类 号： Ｇ ６ ４ ２ ． ２ ３ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５— ０ ６ ９ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３—０ ０ ６ ２ —０ ４
《 电力 拖动控 制系统 》 是 自动化 专 业 和 电气 工程及 其 自动化 的一 门核 心专 业课 ， 具有 完整 的理论 体 系和 很 强 的工 程性 、 实 践性 ． 课 程详 细讲 述 控 制理 论和 电力 电子 技术 在 电力 拖 动控 制 系统 中 的具 体应 用 及工 程 设计 方 法 ， 它不仅 能培 养学 生 的系 统概 念 和应 用基 本理 论 与方 法进 行 工程 设计 的能力 ， 而且 还有 利 于学 生 工 程实 践 能力和创 新能力 的培养 ｎ 】 ． 但 由于教 学条件 和实验设 备 的限制 ， 课程 的实践 教学效 果还 有待进 一步 提高． 针对 上 述 问题 ， 在 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿 真环 境 下， 设计 和 开发 电力 拖动 控制 系统虚 拟实 验平 台， 将 虚拟 技 术应 用于实 践教 学， 可 以加深学 生对理 论知识 的理解和掌 握， 进一 步提 高学 生 的工 程实践 和创新 能力２ ０ １ ３年 ９月
电力拖动控制系统教学中的探索与实践
维普资讯
科技信息
。木刊重稿 ｏ
Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ Ｉ Ｆ Ｒ ＴＯ Ｃ Ｅ Ｃ Ｎ Ｏ ＭＡ Ｉ Ｎ
２０ ０７年
第３ 期
电力拖动控制系统教学中的探索与实践
王 晓琳 ‘
（ 南京航空航天大学 自动化学院电气工程 系 江苏 南京 ２ ０ １ ） １０ ６
论 是 在 当 今 的 工 业 应用 领 域 还 是 现 代 科 技 研 究 前核 心 的数 字控 制 技 术 的飞 速 发 展 ， 电力 拖 动 控 制 领 域 多 门课 程 的综 合 和 升 华 ， 一 门 综 合性 较 强 的专 业 课 程［ｔ 因 此 ， 学 是 ６ｑ － 。 在 中 的相 关 技 术 已 经 发 生 了很 大 的变 化 ： 电力 电子 变 换 器 中 以 晶 闸管 为 习该 门课 程 之 前 ， 求 学 生 必 须 掌握 一 定 的专 业 基 础 知 识 。 要 主 的可 控 器 件 已逐 步 被 功 率 开关 器件 所 取 代 ， 换 技 术 也 因此 由相 位 变 从 内容 上 来 看 ， 电机 学 课 程 中讲 授 的是 各 类 电机 的基 本 工 作 原 理 控 制 转 变 成 脉 宽 调 整 ； 拟 控 制 器 已 经 基 本 让 位 于数 字 控 制 ： 流 拖 和 特 性 ； 模 交 自动 控 制 原 理 课 程 中 主 要 是 阐 述 经 典 控 制理 论 的 概 念 、 析 分 动 系统 逐 渐 取 代 直 流 拖 动 系 统 成 为 不 争 的 事 实 ． 且 交 流 拖 动控 制技 方 法 及 其 应 用等 方 面 ； 而 电力 电子 技 术 着 重 介绍 各 种 典 型 电 源转 换 电路 术 本 身也 有不 小 的发 展 Ｉ１ 果 仍 然 采 用 原 有 教学 内 容 ， ‘ 。如 － ３ 则无 法 体 现 结 构 ， 析 其 工作 原 理 以及 线 路 参 数 设 计 方 法 。 由 于 电力 拖 动控 制 系 分 出 该 课 程 的 先 进 性 和 实 用 性 ， 此 ， 必 要 结 合 教 学 大 纲 对 电力 拖 动 统 主 要 由 电 机本 体 、 因 有 功率 电路 及 其 驱 动 装 置 、 制 器等 部 分 组 成 。 电 控 而 控 制 系统 课 程教 学 内容 作 相 应 的 修 改 。 力 拖 动 控 制 系 统课 程 主要 是 对 其 系统 性 能 进 行 分 析 ， 研 究 相 应 的 控 并 首 先 ， 体 现本 门课 程 知 识 的基 础 性 、 用 性 和 专 业 性 ， 直 流 拖 制 方 案 ， 为 实 在 以此 满 足所 提 出 的控 制 性 能 要 求 。 此 ， 先要 求 学 生 要 熟 悉 因 首 动 系 统 部 分 ， 减 了 晶 闸管 相 控 控 制 系统 的 可 逆 运 行 以 及 直 流 电 动 机 电机 学 中有 关 （ 流 、 流 ） 删 直 交 电机 结 构 特 点 、 作 原 理 、 械 特 性 等 相 关 工 机 的斩 波 控 制 部 分 ， 点 讲 解 单 闭 环 控 制 直 流 控 制 系 统 和转 速 、 流 双 内容 ， 掌握 普 通 电 机 数 学 模 型 的基 础 上 ， 析 现 有 电力 拖 动 控 制 系 重 电 在 分 闭 环 直 流 控 制 系统 的 工 作 原理 、 闭环 控 制 系 统 的 工 程 设 计 方 法 。其 统 性 能 参 数 （ 转 矩 、 速 ） 双 如 转 与控 制 量 （ 电流 ） 间 的关 系 。然 后 根 据 如 之 次 ， 突 出 教 学 内 容 的 先进 性 和适 应 性 ， 求 反 映 科 技 发 展 的新 产 品 、 系统 要 求 ， 电 机作 为 控 制 系统 中 的控 制 对 象 ， 运 用 自动 控 制 原 理 为 力 将 并 新 工 艺 和新 技 术 ， 增 加 了直 流 控 制 系 统 的 数 字 控 制 一 章 ． 要 介 绍 的控 制理 论 选 择 和 设 计 相 应 的控 制器 结 构 和 参 数 。 以要 求 学 生 必 须 新 主 所 数 字控 制 数 闭 环 直 流 控 制 系统 （ 电机 驱 动 专用 处 理 器 ＤＳ 以 Ｐ为 例 ）Ｍ 熟 悉 经 典 控 制 理 论 的 基 本 概 念 以及 分 析 方 法 ， 时 域 分 析 法 、 轨 迹 ； 如 根 法 、 和 Ｍ ｒ法 三 种 测 量 电 机 转 速 的 方 法 及 各 自特 点 ； 字 Ｐ Ｔ法 厂 数 Ｉ调节 法 、 域 分 析 法 、 性 系 统 校 正 方 法 以及 线 性 离 散 系 统 等 。 同时 ， 频 线 电力 器 以及 连 续 函数 离 散 化 的 方 法 。 交流 控 制 教 学 内容 上 保 留 了 原 有 的 电 子 器 件 作 为 执 行 单 元 。其 工 作 特 性 也 对 调 速 系统 的 性 能 有 很 大 影 在 “ 流 电机 变 频 调 速 的基 本 原 理 ” “ 应 电 动机 变 频 调 速 的机 械特 性 ” 响 ， 此 在 学 习 本 课 程 之 前 ， 必 须 掌 握 电力 电 子 技 术 中 涉 及 功 率 器 交 、感 因 还 以 及 “ 应 电动 机 变 频 调 速 系 统 ” 大 部 分 。 中重 点 讨 论 了 恒 压 频 比 件 的 工 作 原 理 及 其 特 性 ， 及 直 直 、 直 和 交 直 变 换 器 的 基 本 拓 扑 结 感 三 其 以 交 控 制 的 开环 变 频 控 制 系 统 ， 以 电 流 控 制 型感 应 电 动 机 转 子磁 场 定 向 构 等 方 面 的 内容 。 并
“电力拖动自动控制系统”课程教学改革探讨
算机控制技术”等课程 的相关知识，课程具有系统性、实践性 ，
是一 门综 合理论 基础 和工具应用到 工程实践 中去 的典型课 程 ，
二 教学内容改革 ，突出工程应 用需要
本课程 为电气工程 及其 自动化 专业 的专业方 向课 ，课程教
能培养学生 的系统概念 ，还 能培养学生应用基 本理论与方 法进 学 内容分为课 堂教学与实验及课程设 计两部 分。课程 的教学目 行工程 设计的 能力。通 过课程学 习和 实践 ，以使学生建 立起以 的为 ：以电机 为对象 ，以电力 电子功率变 换器为弱 电控制 强电 下几个 观 点 ，形成 正 确 的 认识 论 。 的媒 质，以自动控制理论为 分析 和设 计基 础，以电子线路或计
式， 以课程设计为目标， 突出实验的应用性 ， 求激 发学生兴趣， 力
具有更强的适 应能力。
一
上述 观念 的培养，为 学生 今后的学 习铺平 了道 路，而且培
会 起 作用 ，将 受 益 一 生 。
认识学习内容 的应用性 ，使学生在今后就业和 发展 的大环 境下 养了他们科学 的思 维方式和不 断进取 的精神 ，即使在 工作后还
作者简介 ：钱晓耀 （９ １ ） １６一 ，男，浙江杭州人 ，中国计量学院机电工程学院，副教授，工学硕士，主要研究方向 ：电气工程、检
测技 术及 自动化 ；陈卫民 （９２ ） １７ － ，男，江西广丰人 ，中国计量 学院机电工程学院，副教授，上海大学电气工程学院博士研 究生，主要
研 究方 向 ：电机 与 电气控 制 、检 测技 术 及 自 动化 。 （ 江 杭 州 ３０ １） 浙 １０８
很大差 距，课 程中的 “ 工程设计 ”方 法能引导学生 的思维更切 机 的转 速调节，磁 带的速度 调节等。调 速控制系统又可分为直
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第24卷增刊 2005年实验室研究与探索RESEARC H AND EXPLORATION IN LABORATORYVol.24Sup.2005电力电子和电力拖动控制系统虚拟实验的开发和应用洪乃刚, 汪小平, 黄松清(安徽工业大学电气自动化系,安徽马鞍山243002)摘 要:仿真目前已成为科学研究的重要手段,将计算机仿真技术引入到电力电子和电力拖动自动控制系统课程的教学中来,在计算机上进行虚拟实验,使抽象的教学变得形象直观,更重要的是使学生掌握现代化的科学研究和工程设计方法,在提高教学质量,加强学生科学素养和能力培养中发挥明显作用。
关键词:虚拟实验;仿真;电力电子;电力拖动自动控制系统;教学改革中图分类号:TM921文献标识码:B文章编号:1006-7167(2005)Z -0337-04The Applications of Invented Experiments on the Teaching of PowerElectronics and Electric DrivesHONG Nai -gang , WANG Xiao -ping , HU ANG Song -qing(Electric Automation Department,Anhui Univ.of Technology,Ma ,anshan 243002,China)Abstract :Simulation is an important method in science ing the technology of simulation,to develop invented e xperiments in course of the power electronics and elec tric drive automatic control system can raise education qualities in course of electric drive automatic c ontrol system,and can raise science makings and capacity of students.Key words :invented e xperiment;simulation;power electronics;electric drive;education reform收稿日期:2005-05-161 虚拟仿真实验5电力电子技术6和5电力拖动自动控制系统6是两门应用性很强的课程,实验在课程教学中占有及其重要的位置,通过实验不仅验证各种电力电子变流电路和拖动控制系统理论分析的结果,加强对理论的认识,并且重要的是通过实验提高学生实际动手能力的培养。
但是目前这两课的实验往往受到客观条件的限制,设备、场地、时间等等诸多因素制约了实验的数量和质量。
现在一般一门课程只能设置有限几个实验,并且要在规定的时间内完成。
学生对按规定程序操作的指定性实验不感兴趣。
在学生有一些新想法需要通过实验来验证时,实验室的条件则很难做到,这不利于学生创新能力的培养。
对此实验室采取了许多措施,如开放实验室、设立设计性实验等,但是收效多不很大,主要是计划外的实验需要较长的准备时间,有些器件、设备、仪器的条件实验室很难多具备。
为了提高实验的质量和加强学生能力的培养,为学生创新思维创造条件,我们在教学中开展了虚拟实验的开发和研究工作。
虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项新技术,利用计算机的强大功能虚拟仿真实际的物理系统,已经在科学研究、工程设计等诸多方面发挥了巨大的作用,并且已经开发了多种软件。
将计算机仿真引入到课程教学中来开发虚拟实验,使学生能在计算机上做实验,在计算机上研究各种电路和系统,并且可以任意地在计算机上设计、修改电路和系统,且立即看到所设计电路或系统运行的效果,不仅可以提高学生学习的兴趣,加深学生对理论的认识,更重要的是掌握了一种现代设计分析手段,使学生可以利用这方法研究开发新的系统和装置,对学生的创新能力培养可以起重要的促进作用,因此我们在5电力电子技术6和5电力拖动自动控制系统6两门课的教学中逐步开发了虚拟实验。
在实践中我们采取将虚拟实验和传统的物理实验相结合的形式进行,在传统的实验中特别重视加强实际动手能力的训练,发挥虚拟实验和传统实验的不同优势,使学生培养取得了更好的效果。
目前常见的电力电子和拖动控制仿真软件有PSPICE 、MATLAB 、Saber 、PSI M 等,这些软件各有优点,其中以MATLAB 的应用更为广泛,在自控理论和其它课程中都有应用,尽管MATLAB 的电力电子器件采用了较为简单的开关模型,在模型的精确性上来说较PSPICE 稍差一些,但是MATLAB 在电路和控制的连接中较为方便,因此从课程的衔接和相关性方面考虑,我们的虚拟实验主要在MATLAB 上开发。
2 虚拟实验的开发为了加强5电力电子技术6和5电力拖动自动控制系统6课程的实验环节,弥补实验学时和实验室条件的不足,更重要的是为学生创新能力的培养创造更好环境和提供更好更有效的手段,我们进行了5电力电子技术6和5电力拖动自动控制系统6虚拟实验的开发工作。
在MATLAB P SIMULI NK 平台上开发了5电力电子技术6和5电力拖动自动控制系统6的虚拟实验,这些实验主要有:电力电子电路的仿真方面,单相和三相整流电路,直流斩波器,交流调压,SPW M 逆变器等。
电力拖动自动控制系统方面,直流双闭环调速系统,直流可逆调速系统,直流PWM 调速系统,交流调压调速系统以及交流VVVF 调速系统和矢量控制的部分实验内容。
现举几例说明。
2.1三相桥式可控整流电路的仿真虚拟实验图1 三相桥式整流电路仿真模型图1为在SI MULINK 平台上构建的三相桥式可控整流电路的仿真模型。
模型由各种电路元器件的模块组成,其中包括三相交流电源(ua ub uc),三相变压器(Transformer),三相测量单元(V -I),三相桥式晶闸管整流器(6-pulse thyristor bridge ),同步变压器(T -Transformer),触发器(6-pulse)和模拟负载的RLC 电路。
在模型中还有多种测量仪器,包括示波器(sc ope)和电压的有效值测量(RMS)等等。
仿真模型包含了三相桥式可控整流电路实际实验中的所有设备、元器件和仪器,仿真模型和实际实验电路是完全相似和映射的。
图2为模型经仿真计算后,通过示波器模块观察到的部分波形和结果,仿真得到的电压和电流波形和实验中从示波器得到的波形完全一致,并且通过虚拟的仿真几乎可以观察电路任何一点的电压和电流波形,对电路的工作情况可以作更详细深入的研究,这是虚拟实验的特点,不足的是缺少学生实际动手的训练,如果将两者结合起来,可以得到更好的效果。
2.2 直流双闭环调速系统的虚拟实验转速电流双闭环控制是直流调速系统的重点内容,它将控制理论中的反馈控制理论与直流电机的调速控制相结合,使直流调速具有良好的动态响应和抗扰动能力。
在转速电流调节器参数设计中则应用了控制理论的校正方法,这是建立在线性系统基础上的,理论计算转速的超调量在30%以上,在考虑调节器输出限幅后超条量可以控制在10%以内。
但这仍与实际情况有误差,原因是系统中的晶闸管整流器的输出非线性还没有考虑,晶闸管整流器的输出电压是非线性的,且电流不能反向。
而建立在线性系统基础的控制理论还不能很好地反映这个问题,但是仿真却可以反映出来,因此我们设计了直流双闭环系统的三个虚拟实验112,通过对这三种情况的仿真进行对比分析,使学生掌握理论设计与实际系统产生偏差的原因,并在虚拟的系统上进一步调整参数,使系统的电流转速响应达到更优的状态,为将来学生遇到这类问题时能对实际系统能进行确当的调整。
图3是三个虚拟实验中检测的电流电压波形,其中(a)是按调节器校正工程方法设计后系统转速电流的响应结果,(b)是考虑调节器输出限幅后的结果,这时电枢电流出现了反向的情况,338实 验 室 研 究 与 探 索第24卷而实际晶闸管整流器的电流是不能反向的。
(c)是用虚拟的晶闸管-电动机系统取代其传递函数后,双闭环控制直流调速系统的电流电压波形,波形与实验结果完全相符,这说明虚拟系统完全可以代替实际的物理系统,这为调速系统的研究、分析和设计提供了一种简便快捷的方法,并不需要仪器和设备,而效果更好。
图2三相桥式整流电路仿真结果图3 双闭环直流调速三种虚拟实验的电流转速比较2.3 矢量变换矢量控制是交流电机变频调速中的热门课题,而坐标变换是矢量控制中的关键问题,在学习中学生面对的是一大堆坐标变换的复杂数学公式,对坐标变换的目的和效果却难于建立较清晰的物理概念,对理解矢量控制的原理带来很大的困难。
为此我们利用MATLAB L 中的工具演示了坐标变换的过程如图4,其中图4(a)是设定的三相电流波形,经三相静止坐标系P 二相静止坐标系的变换后可以得到如图4(b)的二相电流波形,再经二相静止坐标系P 二相旋转坐标系的同步旋转变换后得到图4(c)的二相直流电流波形,这二相直流电流分别代表了电机控制中的励磁和转矩分量。
通过这样的坐标变换使交流电动机可以以直流电机的控制模式进行控制,获得和直流电机相同的调速性能,这是交流电动机矢量控制的基本思路,简单的仿真可以使学生建立矢量控制的物理概念,加深了学生对矢量控制的理解。
我们并在这基础上开发了交流电动机矢量控制变频调速的虚拟实验[2],仿真了交流电动机矢量控制的全过程,在教学中发挥了良好的作用。
图4 矢量坐标变换关系3 虚拟实验的教学效果自在5电力电子技术6和5电力拖动自动控制系统6课程中引入虚拟实验以来,首先是受到学生的欢迎他们可以在实验室以外,通过仿真和虚拟实验来学习和研究电路和系统,更重要的是通过虚拟实验学到了现代系统和电路的设计和研究方法,仿真为他们创造性能力的开发提供了一个重要的工具,使他们可以在这个平台上验证自己的创造性思维,创造出新的电路和(下转第344页)339增刊洪乃刚,等:电力电子和电力拖动控制系统虚拟实验的开发和应用3扩大使用的层面为了提高设备的利用率,一套实验设备尽可能的能为多门课程和多个层次的学生学习提供服务,我们在此进行了积极有益的尝试。
首先,该套控制系统可为学习三门自动化专业课程的学生提供实验服务:¹为计算机控制技术课提供算法、控制软件编程、系统构造设计和集散控制系统等方面的研究。
º为过程控制课系统提供智能控制仪表、过程控制系统及算法的研究。
»为计算机控制网络课程服务。
可提供RS-232通信、RS-485通信和基于WEB方式下的控制层面的研究。