關(guān)于基于MATLAB的電力電子論文
一、案例教學(xué)法在教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用
案例教學(xué)作為一種行之有效且目的明確的教學(xué)方法，以行動(dòng)為導(dǎo)向越發(fā)受到人們的關(guān)注和青睞。作為一種歸納教學(xué)法，案例教學(xué)作為未來(lái)教學(xué)改革的趨勢(shì)已不可動(dòng)搖，盡管它不可能完全取代傳統(tǒng)的演繹式的教學(xué)模式，卻是一種培養(yǎng)應(yīng)用型人才的良好途徑。案例教學(xué)應(yīng)用的成功與否很大程度上取決于典型案例的選取，要求典型案例既能體現(xiàn)對(duì)基本理論知識(shí)的理解和掌握，又要充分提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。而在電力電子技術(shù)為課程的背景下，學(xué)生需要應(yīng)用所講的知識(shí)來(lái)解釋典型案例所產(chǎn)生的結(jié)果，把案例進(jìn)行模塊化分解，摒棄對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討，最后對(duì)各個(gè)模塊的結(jié)果進(jìn)行整合，才能形成對(duì)典型案例較為完整的研究體系[2]。
二、基于MATLAB/Simulink的課程設(shè)計(jì)
“電力電子技術(shù)”這門(mén)課是電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，課程有幾個(gè)特點(diǎn)：教學(xué)理論性強(qiáng)、波形變化分析復(fù)雜、課程教學(xué)枯燥，學(xué)生理解困難；系統(tǒng)模塊化特點(diǎn)鮮明、模型參數(shù)化明顯，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對(duì)獨(dú)立；項(xiàng)目設(shè)計(jì)綜合性強(qiáng)、技術(shù)應(yīng)用廣，實(shí)際開(kāi)發(fā)的案例比較成熟[3]。教師在分析電子器件的特性和電子電路的工作原理時(shí)，需要觀察波形圖的變化來(lái)闡明工作過(guò)程。傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，由于電子電路變換器部分的電路拓?fù)湫问蕉喾N多樣，如果僅是手繪波形或者多媒體展示波形，教師講解起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)精力，學(xué)生也不能清楚的掌握分析波形圖變化的原因。所以在多媒體教學(xué)中引入仿真教學(xué)是必要的環(huán)節(jié)，通過(guò)仿真電路，學(xué)生可以把變換器的工作原理和物理波形結(jié)合在一起理解，使抽象的電路明了簡(jiǎn)潔，仿真還可以分析更加復(fù)雜的電路并且對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。在課程設(shè)計(jì)中利用MATLAB/Simulink軟件可以有效地構(gòu)建出與實(shí)際相符合的案例，教師在教學(xué)中通過(guò)仿真實(shí)例可以輕松解決波形抽象原理復(fù)雜的問(wèn)題。Simulink非常適合于電力電子系統(tǒng)及電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真，并且具有其他一些軟件所沒(méi)有的特點(diǎn)，仿真系統(tǒng)完全是由用戶(hù)利用系統(tǒng)提供的基本模塊來(lái)構(gòu)建的，系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)和仿真參數(shù)也可以由用戶(hù)自行修改，并且用戶(hù)可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行多種分析和輸出，教師可以直觀展示各種參數(shù)變化對(duì)電路圖波形的影響，學(xué)生改變器件參數(shù)值，可以自己對(duì)比分析不同參數(shù)設(shè)計(jì)下的仿真結(jié)果。這種交互性非常適合于高校相關(guān)課程的教學(xué)科研，學(xué)生通過(guò)這種交互性加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，也可以用來(lái)完成實(shí)驗(yàn)和作業(yè)[4]。以風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)為例，教師首先要分析電路的組成和工作原理，指導(dǎo)學(xué)生利用仿真平臺(tái)搭建數(shù)學(xué)模型，然后一步一步建立各部分電路仿真模型，該電路的仿真過(guò)程可以分為建立仿真模型、設(shè)置模型參數(shù)和觀察仿真結(jié)果。學(xué)生需將案例進(jìn)行模塊化分解，就每個(gè)模塊結(jié)合基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行分析和研究，并進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手調(diào)試，尋找各個(gè)模塊之間的聯(lián)系紐帶，將所有模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)，完成對(duì)典型案例的研究[2]。
三、風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)案例
電力電子技術(shù)在解決能源與環(huán)境的問(wèn)題上做出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。風(fēng)能作為一種綠色能源，風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程就是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為輸送電網(wǎng)的電能，這一部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所以說(shuō)風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)是電力電子技術(shù)，其能量轉(zhuǎn)換部件和控制電路都包含有電力電子器件。由于中小功率風(fēng)電系統(tǒng)中電機(jī)側(cè)一般為不控整流，并且永磁同步發(fā)電機(jī)一般都為低轉(zhuǎn)速電機(jī)，在低風(fēng)速下發(fā)出的電壓有限，不能滿(mǎn)足并網(wǎng)逆變的條件，需要對(duì)其進(jìn)行升壓，因此，中小功率風(fēng)電系統(tǒng)中常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為不控整流器+升壓斬波器+網(wǎng)側(cè)逆變器。風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出的三相不定頻交流電通過(guò)二極管不控整流器整流為電壓不定的直流，然后經(jīng)過(guò)升壓斬波器的作用，將直流電壓抬升至可以進(jìn)行網(wǎng)側(cè)逆變的數(shù)值，并且通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器的控制，使直流側(cè)電容保持恒壓。網(wǎng)側(cè)變流器將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相的三相交流電饋入電網(wǎng)[5]。課程設(shè)計(jì)案例中利用MATLAB工具，對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。所研究的'仿真系統(tǒng)由永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)、不可控整流器、升壓斬波、DC-AC并網(wǎng)逆變器部分組成。學(xué)生可以把該風(fēng)力發(fā)電仿真模型分成同步發(fā)電機(jī)仿真模塊、斬波變流器仿真模塊和逆變仿真模塊，就每個(gè)模塊運(yùn)用理論知識(shí)進(jìn)行仿真，最后將各模塊結(jié)合起來(lái)達(dá)到整個(gè)案例體系的研究。永磁同步發(fā)電機(jī)額定參數(shù)：電壓700V，功率2750kW，電流2270A，功率因數(shù)0.95，速度16rpm，頻率16Hz，極對(duì)數(shù)2p＝120，電阻R＝5.97m-Ohm，電感Ld=Lq=1.0757mH。風(fēng)力發(fā)電課程設(shè)計(jì)案例系統(tǒng)仿真框圖如下圖所示：1.同步發(fā)電機(jī)仿真永磁同步發(fā)電機(jī)仿真主要是依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，研究在一定速度驅(qū)動(dòng)下帶三相電阻負(fù)載的永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出特性。仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3和4所示。仿真論證了實(shí)際電機(jī)參數(shù)下所達(dá)到的額定輸出電壓、電流值及輸出的正弦特性、頻率特性。2.斬波變流器仿真升壓斬波變流器仿真主要是研究升壓斬波部分的變壓調(diào)節(jié)功能。仿真模型如圖5所示。升壓斬波電路的輸入設(shè)定為一定電壓信號(hào)輸入，通過(guò)占空比控制，輸出穩(wěn)定的期望輸出電壓，仿真結(jié)果如圖6所示。系統(tǒng)仿真表明：調(diào)節(jié)控制脈沖的占空比可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的跟蹤控制。3.逆變器仿真并網(wǎng)逆變器仿真主要是研究并網(wǎng)逆變部分輸出調(diào)節(jié)特性，在給定輸入直流電壓，帶三相負(fù)載的逆變器離網(wǎng)運(yùn)行特性。仿真模型如圖7所示，仿真波形如圖8所示。仿真結(jié)果表明：逆變器輸出電壓為50Hz基波主頻分量的脈沖調(diào)制波形，經(jīng)部分濾波后為50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負(fù)載下電流為正弦波。此課程設(shè)計(jì)案例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的2.5MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)并網(wǎng)控制系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真研究，得出一定速度驅(qū)動(dòng)下帶三相電阻負(fù)載的永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出特性，仿真論證了電機(jī)參數(shù)下輸出電壓、電流的正弦特性、頻率特性；升壓斬波部分的仿真表明調(diào)節(jié)控制脈沖的占空比可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的跟蹤控制；并網(wǎng)逆變部分的離網(wǎng)仿真表明逆變器輸出電壓為50Hz基波主頻分量的脈沖調(diào)制波形，經(jīng)部分濾波后為50Hz正弦波電壓，在一定濾波和電阻負(fù)載下電流為正弦波。此案例的仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期的效果，為學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的提升得到良好的體現(xiàn)。
四、結(jié)語(yǔ)
論文提出電力電子技術(shù)教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段和教學(xué)方法的創(chuàng)新。詳細(xì)介紹了通過(guò)MATLAB中的射的內(nèi)容。四、教學(xué)實(shí)踐思考與建議為了達(dá)到我國(guó)工程師人才培養(yǎng)的要求，提高“傳熱學(xué)”的授課效果，結(jié)合中山大學(xué)中法核工程“傳熱學(xué)”的教學(xué)實(shí)踐，作者在課程安排、課堂組織和教材安排等方面進(jìn)行了思考并給出如下建議：1.課程安排1周集中授課，學(xué)生不容易完全消化所學(xué)知識(shí)，可將課程安排到3周，每周8個(gè)課時(shí)，4個(gè)課時(shí)用于授課，4個(gè)課時(shí)用于習(xí)題，以便學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握。2.課堂組織采取講述和習(xí)題的類(lèi)型，課時(shí)按1:1分配，習(xí)題課采取4~5人一小組的形式，以提高學(xué)生的自我參與意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作與交流能力，通過(guò)習(xí)題過(guò)程，使學(xué)生更好的理解和掌握所學(xué)知識(shí)。3.教材安排目前國(guó)內(nèi)“傳熱學(xué)”的優(yōu)秀教材非常多，但基本上都是較為通用的、適用于長(zhǎng)課時(shí)的教材。因此，可針對(duì)課時(shí)安排和授課要求，有針對(duì)性地組織相應(yīng)的教材編寫(xiě)工作，以便更好地滿(mǎn)足法國(guó)工程師培養(yǎng)模式本土化授課模式的需求。4.課程設(shè)計(jì)針對(duì)“傳熱學(xué)”工程應(yīng)用性較強(qiáng)的特性，結(jié)合學(xué)科研究進(jìn)展，給出一些科技創(chuàng)新的方向，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步深入研究，在業(yè)余時(shí)間開(kāi)展較為深入的課程設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生科研能力和靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。5.考核安排建議采用開(kāi)卷考試，成績(jī)?cè)u(píng)定采用平時(shí)成績(jī)（20%）與考試成績(jī)（80%）相結(jié)合的形式，一方面便于監(jiān)督學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)自主性并克服學(xué)生考前突擊的頑癥，另一方面也能很好地考核學(xué)生對(duì)傳熱知識(shí)的掌握程度。
作者:薛花 范月 王育飛 單位:上海電力學(xué)院電氣學(xué)院
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