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基于Matlab的电力电子技术课程的教学探索

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! ! = CN12—1352/N 实 验 室 科 学 第16卷第1期2013年2月 Feb.2013 IAB0RAT0RY SCIENCE V01.16 No.1 基于Matlab的电力电子技术课程的教学探索 陈 宏 (深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳摘516080) 要:针对当前电力电子技术教学与新时期对工程人才的实际需求脱节的问题,借鉴CDIO模式中的关于 产品设计的教育理念,基于课程的教学目标和教学内容,制定合适的工程实践项目——变流器设计。引导学 生自主学习和分工管理,运用Matlab软件完成项目的方案设计和仿真分析的全部工作流程。通过项目驱动的 教学探索,增强了学生的工程实践能力、自主创新能力和团队协作精神。 关键词:CDIO;电力电子技术;Matlab;教学探索 中图分类号:TP391;G642 文献标识码:B doi:10.3969/j.issn.1672—4305.2013.01.016 Teaching exploration of power electronics technology on Matlab CHEN Hong (College of Mechatronics and Control Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 5 1 8060,China) Abstract:In view of the disconnection issues between the present teaching methods of power electron— ics technology and a new period of the actual demand with engineering talent,the advanced concept of product engineering design in CDIO is adopted and practices of engineering project of current trans— former design are established according to teaching objectives and contents.Through independent learning and division of labor and management,students use Matlab and accomplish workflow processes including project design and simulation analysis.The teaching exploration of project driving can help students to strengthen ability of engineering practice,independent innovation and team cooperation. Key words:CDIO;power electronics technology;Matlab;teaching exploration 电力电子技术利用半导体电力开关器件组成各 种电力变换电路实现电能的变换和控制,是一门综 目前电力电子技术的理论基础知识教学以教师在课 堂上通过黑板结合多媒体授课为主,而实验实践教 学一般在通用组合式实验台上完成系列验证性实 验。该教学模式没有充分运用理论知识学习服务于 合电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。 “电力电子技术”课程已成为我国高等院校电气工 程与自动化类本科专业最为重要的学科基础课之 [1—2] n 工程实际运用的现代化教育理念,无法充分调动学 生的学习热情,不利于培养具有当代社会所急需的 具有实际工程能力和经验,具有团体协作精神并解 决工程问题的能力 J。 “电力电子技术”课程具有电路图和波形图复 杂、基本原理抽象、且与工作实践紧密关联的突出特 点。随着当前电力电子技术的在电力、交通运输等 行业的迅猛发展,该课程的教学内容越来越丰富。 CDIO模式以构思(Conceive)、设计(Design)、 实现(Implement)、运行(Operate)产品的全生命周 期为教育背景,使学生通过经验学习来获取工程能 力 。我校作为教育部第一批CDIO试点高校, 基金项目:广东省高等学校特色专业建设点基金(2010 年);深圳大学教学研究项目(项目编号: 4CHA)。 在机械、电气和土木类各专业试点展开了CDIO模 式的教学探索与实践。CDIO模式的设计(Design) 陈宏:基于Matlab的电力电子技术课程的教学探索 55 在产品全生命周期中具有承上启下的地位,现时工 科领域急需大量具有丰富经验的工程设计人员,如 何将产品设计(Design)环节合理地引入工科专业的 课程教学过程中,成为一个十分迫切的研究课题。 作者在电力电子技术课程教学中,结合理论教学的 各知识节点,设计恰当的工程项目课题,并制定相应 的考核方法。使学生熟悉工程类产品的整个研发和 设计过程,从中提高自主学习能力、实践经验以及职 业责任感,使该课程的教学质量和教学效果得到大 幅提升。 l 面向产品设计的工程项目教学法 电力电子技术是一门理论与工程实践高度结合 的专业课程,基于CDIO模式中的设计(Design)的 教育理念,采用面向产品设计的工程项目教学法,为 学生构建一个实际的工程项目设计环境,让学生以 主动的、实践的、与课程理论知识有机联系的方 式学习。 工程项目教学法是指师生通过共同实施一个完 整的项目工作而进行的教学活动,核心是制定合适 的工程实践环境。所以必须根据学生的实际情况以 及在当前工程应用,以课程的教学目标和内容为基 础,制定具有较高实用性且具有不同难度梯度的工 程项目。同时,在理论授课过程中以设计的工程项 目为主线,采用“提出问题、分析问题、解决问题”的 模式,注重与实际工程应用的联系,使学生有针对性 地自觉主动汲取所需知识。在实施过程中教师仅起 指导、监管、咨询的作用,通过“任务分析一方案讨 论和设计一工作总结一考核”四个步骤,将教学内 容与工程实践紧密联系,提高学生的工程意识和工 程素养。 (1)任务分析:教师在教学初期下达工作任务, 学生根据任务自由分组和合理分工。各组学生通过 广泛细致的资料查阅,分析任务涉及的专业知识及 可行性,通过自学习了解和掌握所需知识点。 (2)方案设计和实施:学生对工作任务内容进 行详细分析,完成初步设计方案,撰写方案可行性报 告。由各工作小组互相点评,并由指导教师给出修 改性意见,学生通过具体研究确定最终设计方案并 完成详细设计工作,加工制造工程样机或者虚拟样 机系统。 (3)工作任务总结:对样机进行工作性能测试 或仿真实验,基于学习的理论做具体分析,并提出相 应的优化改进方案。总结前期的全部设计工作成 果,按照标准格式撰写工程项目报告及相关技 术文档。 (4)考核:学生考核成绩由所属工程项目组的 综合评分和个人工作评分两部分组成,其中综合评 分依据预先制定的标准,包括资料调研情况、方案设 计可行性、总结报告和技术文件质量、项目答辩等, 通过项目组互评和指导教师测评作加权平均。个人 评分依据基础知识掌握能力、知识运用能力和实际 动手能力、团队协作能力等标准由本组组员互评计 分。 2基于MATLAB的工程项目实践 半导体变流技术是电力电子技术的主要内容, 电力变换分为四大类,即整流(AC—DC)、逆变(DC— AC)、直流斩波(DC—DC)、变频变相(AC—AC)。其 中整流电路广泛应用于直流电机、直流输电、开关电 源等,而逆变电路在有源电力滤波器、高压输电和变 频器等方面应用较多。工程项目设计任务要求根据 指定的三相电源和三相负载,设计一套AC/DC/AC 变流装置,并满足具体的性能指标值,包括额定电 压、额定功率、电压纹波系数、过载能力、频率规模 等 J。我院在电力电子技术实践教学环节中采用 “TJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置”, 实验装置采用挂件式结构,可根据不同实验内容进 行组合。但该实验装置各挂件种类数量有限,功率 容量较低,且存在一定的高压危险性,仅适用于课程 内的验证性实验,无法应用于设计性工作任务。 MathWorks公司的MATLAB为解决该问题提供 了很好的设计工具,它作为高性能数值计算软件,适 用于多学科的大型仿真计算。针对电气系统的可视 化建模与仿真,MATLAB软件提供了SimPowerSys. tems工具箱,涵盖了电路、电力电子、电气传动等学 科常用元件和系统仿真模型。利用SimPowerSys— tems工具箱的电源子库(Electrical Sources)、基本元 件子库(Elements)、基本附加元件子库(Extra Li— brary)、电机子库(Machines)、测量子库(Measure— ment)和电力电子元件子库(Power Electronics),结 合Simulink模块的各功能子系统,能够以直观易用 的图形方式对电力系统、电力传动系统进行设计、仿 真计算和分析研究 J。采用MATLAB作为设计分 析工具,使学生能够直观和灵活地设计电力电子系 统,通过CDIO模式中设计(Design)环节培养实际 工程能力和经验。 AC/DC/AC变流装置是利用电力半导体元件 的通断,将工频交流电转换为设定频率的电能变换 装置。通常采用交一直一交方式,即先把工频交流 56 衾 验 室 科 学 电源通过整流装置转换为直流电源,然后再把直流 电源通过逆变装置转换为频率、电压可调的交流电 源供给负载端。变流装置的电路系统由整流、逆变、 控制、滤波缓冲等环节构成(图1所示)。 L l l C —dVc -_J 图1 AC/DC/AC变流系统 整流电路的种类繁多,按整流电源的相数分为 单相和三相整流,按整流结构形式分为半波、全波和 桥式整流。根据所设计系统的性能要求,采用三相 桥式全控整流电路,该电路适用于整流负载容量较 大,要求直流电压脉动较小的场合,是电力电子技术 应用最广泛的电路之一。由图2所示,三个晶闸管 (Q1、Q3、Qs)连接在一起构成共阴极组,另一组晶 闸管(Q4、Q6、Q2)连接在一起构成共阳极组,共同 连接在A,B,C三相电源;通过6脉冲发生器顺序控 制各晶闸管,改变脉冲的触发角可调节整流电路的 输出电压值 J。 + Ql Q3 fQ5 A B C l Q4 6 2 图2三相桥式全控整流电路 为减小逆变装置的重量、增加开关频率和提高 可靠性,采用全控型的电力半导体器件IGBT管。 基于PWM控制技术使用三相桥式SPWM型逆变电 路,可有效输出电压和频率,同时增大输出电压 中最低次谐波的阶次并减小其谐波数值,改善输出 电压正弦波形。由直流电源、给定信号发生器、SP. WM脉冲触发器、IGBT逆变桥及负载等部分组成的 (见图3)。电路采用双极性控制方式,U、V、W三相 的SPWM控制公用一个三角波,根据信号发生器生 成三相调制参考信号,实现可控的调压调频输出,系 统调节速度快,动态响应性能好 。 3 MATLAB建模和仿真分析 依据CDIO模式中设计(Design)的先总后分的 N 图3三相桥式SPWM型逆变电路 准则,将AC/DC/AC变流器设计方案细化,利用 Matlab建立仿真模型(如图4所示)。按照指定的 三相电源设置Three—Phase Source模块相电压25 kV和频率50 Hz,通过额定功率5万kW和额定频 率5O Hz的双绕组Three—Phase Transformer元件降 压至有效值600 V。三相整流桥采用内阻抗 1milliohm、正向压降0.8 V和缓冲电阻100n的U. niversal Bridge子模块,其6个开关件晶闸管的通断 由Synchronized 6一Pulse Generator子模块产生的6 组同步脉冲控制,脉冲频率为工频5O Hz,脉宽10 degree。脉冲控制角由Constant子模块设定为10 degree,采用双脉冲形式,直流侧的滤波电感和电容 分别等于2 mH和0.05 F。 6组IGBT管作为开关件的Universal Bridge构 成三相逆变桥,IGBT管的控制脉冲由双极式3桥6 脉冲PWM Generator子模块提供,三角载波频率 2000Hz,采用外调制波控制方式。三相调制信号根 据工程项目的要求输出电压频率,基于恒压频比 (比例系数0.018)通过Fcn和Clock子模块产生三 相相差120degree的指定频率和幅值的正弦波,构建 给定信号发生器。设计变流装置的输出分别使用 Three—Phase Series RLC Branch子模块和Three— Phase Series RLC Load子模块作为滤波缓冲环节, 三相负载根据额定功率和复阻抗值选用Three— Phase Parallel RLC Load子模块表示,其有功功率、 感性无功功率和容性无功功率分别为50 kW、2 kW 和0。 设置系统仿真为变步长方式,采用ODE23tb解 算器,相对误差为0.001,仿真时间为2 S开始系统 变流仿真。25 KV工频电源通过三相变压器(Y型 一次绕组和△二次绕组)的变压,经三相电压电流 表测出相电压为幅值770 V工频三相交流电。合理 设定Synchronized 6一Pulse Generator子模块的控制 角,通过三相桥式全控整流电路,将50 Hz交流电转 李景庆,等:面向工程实践能力培养的高分子物理实验教改与实践 有利于鼓励学生深入探究,自我学习。 [2] 何峰,冯小平,谢峻林.材料专业设计性实验教学改革与实践 [J].实验室科学,2012(2):9—12. 3 结语 [3] 刘仿军,鄢国平,喻湘华,等.高分子材料与工程专业人才培养 高分子物理实验自改革至今已经在两届学生中 模式研究与实践[J].武汉工程大学学报,2009,31(6):88—91. 进行了试点,今年正式在本科生中全面实施。通过三 [4] 韩雅静,原续波,李宝银,等.材料科学与工程专业教学平台实 验室综合实验课程改革初探[J].高等工程教育研究,2005 届学生的教学工作,我们认为通过实验的整合和研究 (S1):55—57. 型内容的扩展,在增进学生参与兴趣的同时,更加有 [5] 王吉会,刘家臣,郑俊萍,等.“材料力学性能”课程的教学改革 利于推动学生更多地动手和动脑,避免了原有简单验 与实践[J].高等工程教育研究,2005(s1):79-85. 证性实验过程中部分学生思考少的现象。另外,聚合 [6] 靳正国,郭瑞松,侯信,等.大材料专业“材料科学基础”课程 物共混体系的制备这一工程化实验贴合社会实际需 的教改认识与实践[J].高等工程教育研究,2005(1):31-35. [7] 朱平平,杨海洋,何平笙.“高分子物理实验”精品课程建设的 求,拉近了教学实践环节与工业生产问的距离,对培 探索[J].高分子通报,2007(7):6卜64. 养学生工程能力起到了很好的推动作用。改革后调 [8] 董智贤.扩招形势下高分子物理实验教学探索[J].广东工业 研表明,新的教学模式对参加教学活动的学生产生了 大学学报(社会科学版),2009(B06):254-256. 极大的触动,取得了良好的教学效果。正如学生所 [9] 杜滨阳,叶一兰,郑强.关于改进《高分子物理实验》课程的几 说:作为工科学生,多年的书本理论学习后终于自己 点设想[J].高分子通报,2011(5):98-102. [1O] 王继虎,甘文君,温绍国,等.《高分子物理实验》综合性、设 动手实践出了一些实用的材料。学生在制作材料的 计性实验教学改革[J].高分子通报,2012(5):119-121. 同时,也提升了自身这一“人才材料”的质量。 参考文献(References): 收稿日期:2012-10-10 修改日期:2012-11一o9 [1] 雅菁,刘志锋,辛颖,等.材料类专业实验中心建设与实验教学 作者简介:李景庆(1975一),男,山东临沂人,博士,副教授, 改革的探索与实践[J]・实验室科学,2009( ):27-30. 主要研究方向为高分子材料。 <>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>● (上接57页) 应用水平和自主学习的能力,从操作层面给出该课 程教学探索的一种新思路。 参考文献(References): 许春雨.电力电子技术课程的教学与实践[J].电气电子教学 学报,2010,32(1):55-56. 张红梅,张庆新,许谨.《电力电子技术》课程教学改革的探索 [J].实验室科学,2008,11(3):17-19. 徐占国,冯冬菊.关于电力电子与自控系统实验教学的探讨 [J].实验室科学,2010,13(5):26—28. 高雪梅,孙子文,纪志成.CDIO方法与我国高等工程教育改革 [J].江苏高教,2008(5):69-71. 罗高涌,张瑾.基于CDIO模式的校企合作办学的工程应用型 图8 负载三相线电压和线电流 人才培养模式研究[J].高教探索,2011(5):7卜75. 韩绍程,罗长杰.基于CDIO工程教育理念的电类基础实验教 4 结语 学改革探索[J].实验室科学,2011,14(4):46—47. CDIO的主旨是提供真实工程环境,提高学生的 王云亮.电力电子技术[M].北京:电子工业出版社,2009:170-189. 黄忠霖,黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京:国防 动手实践能力并培育创新思维。作者在电力电子技 工业出版社,2009:182—191. 术课程教学中,利用CDIO模式中重要的设计(De. 刘继伦.三相电压型PWM整流器直接功率控制仿真研究[J]. sign)环节,提出面向产品设计的工程项目教学法, 实验室科学,2011,14(4):101—103. 为学生提供适当的AC/DC/AC变流系统设计的工 [10] 姚兴佳,张纯明,李宏峰,等.基于Matlab/Simulink的双PWM 程项目课题。通过必要的理论教学和项目课题指 逆变系统仿真[J].电气技术,2007(12):20—23. 导,引导学生运用所学的电力电子技术基本理论知 收稿日期:2012—09—27 识,通过Matlab的Simulink和simPowerSystems设计 修改日期:2012-11-02 工具,自主完成系统设计和仿真分析。这样不仅培 作者简介:陈宏(1971一),男,浙江绍兴人,博士,副教授, 育了学生的学习兴趣,更重要的是提高了实际工程 主要从事自动化专业的教学和研究工作。 寸ll 

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