案例分享 | 仲恺农业工程学院—新工科电力电子与电机控制教学实验台(YXMBD-TE1000)


仲恺农业工程学院(Zhongkai University of Agriculture and Engineering)简称“仲恺”,以廖仲恺名字命名,位于广州市,是国家首批卓越农林人才教育培养计划高校,教育部本科教学评估优秀学校,未来技术技能与人文交流人才国际训练基地,广东省特色高校提升计划建设高校,为中国-拉丁美洲农业教育科技创新联盟、一带一路暨金砖国家技能发展国际联盟成员。


仲恺农业工程学院前身为1925年提议创办的仲恺农工学校;于1927年3月正式招生;于1984年升格为本科院校,定名“仲恺农业技术学院”;于2006年获得硕士学位授予权;于2008年3月更名“仲恺农业工程学院”;于2021年获批博士学位授予立项建设单位。


截至2022年6月,学校有海珠、白云2个校区,校园总规划面积2484亩,现占地面积1765亩;下设二级学院(教学部)20个,开设本科专业64个;有硕士学位授权一级学科9个、硕士专业学位授权类别6个、博士后科研工作站1个;有全日制在校本科生、研究生27838人,教职员工1658人。

 

 

现代电力电子技术发展趋势


电力电子在现代工业中的重要角色


电力电子技术作为门新兴的交叉学科,在能源革命中扮演着重要角色,电力电子技术的应用必须要进行相应的充分准备才能将其优势发挥到最大,否则该技术的潜能不能得到工程技术人员的深刻认识,或者预期的节能效果也可能会因为错误的参数设置而无法实现。 


现代工业对电气工程技术人员的专业素质提出越来越高的要求,电力电子专业人员不仅要具备扎实的理论知识、全面的计划能力,还要掌握接线和参数设置等实践技能。因此,面向技术应用的高等工程必须要强调实践导向。

 

学习和理解电力电子与驱动技术的基础知识


研旭电力电子与驱动控制的实验平台系统让学习和实验变得更简单、更高效。丰富的基础和进阶实验硬件配置方案不仅能让学生进行复杂的实验,还能够循序渐进地传授理论知识,帮助学生获得工程实践技能和科研项目经验。实验从简单的晶体管开关开始,到介绍调制方法,再到阐释复杂的变速直流驱动和三相驱动原理,系统化的实验项目都配备了内容丰富的互动式实验教学软件。详细的多媒体实验指导手册和本安型的实验设备则让项目式的实验学习过程变得轻松有趣。课程软件能图形化显示所有实际测量值或控制实验硬件设备。软硬互动的实验方式大幅提高学习效果。


现代电气传动技术的开发和分析工具


为了应对技术变革带来的挑战,现代工业企业迫切需要高素质的工程技术人才,除了掌握扎实的专业知识,他们还要熟悉并掌握在工程技术中广泛应用的高效工具的使用方法。在全球范围内,Matlab®/ Simulink®编程语言已成为科学技术计算和仿真的行业标准。借助Matlab®/ Simulink®高级语言及其数值计算、可视化和编程等交互环境,驱动控制技术的开发周期得到大幅缩短。当前,电力电子技术的应用范围正在不断扩大。这些工业化的工具使用过程十分复杂,因此必须通过理论联系实际的方式,特别是借助实验系统和“半实物仿真”的实验方式,进行系统地传授和学习。在培养未来工程师的方面,全世界的高等院校都有义不容辞的责任。

 

基于模型开发MBD半实物仿真


研旭驱动控制器可通过编程接口实现自由编程。借助YXSPACE-SP1000实验系统可在Matlab®/Simulink®中实现复杂变速驱动的快速仿真,然后将生成的代码程序写入驱动控制器中。在可变负载条件下,学生还可以使用拓展工具对系统进行复杂分析。Matlab®/Simulink®是高等院校广泛使用的实验和科研软件,研旭电力电子实验系统实现驱动硬件系统与该软件的实时互动操作,为电力电子和驱动技术实验教学和科研提供了一种新方式。

 

 

实验平台介绍


实验平台能满足高等院校“电力电子技术”、“半导体变流技术”、“电机控制(直流电机调速、交流电机调速及变频调速)”等课程实验教学。


系统构架

 

 

系统特点


更精细的模块化单元封装
● 采用更为美观、集成度高的封装形式。
● 模块化更合理,数字化更突出。
更完善的安全保护机制
● 具备硬件保护和软件保护双重保护,可靠性高,软件保护可大大减少器件的损坏,可避免出现经常换器件的麻烦。
更细致的实验指导教程
● 创新的交互式实验课程软件,提供进行实验所需的各种支持。它不仅提供实验过程指导,还提供相关理论知识讲解介绍,记录测量结果,并可导出各类数据。
理论仿真验证与实际元件实验验证相结合
● 在 Matlab 中设计的控制算法自动生成代码,自动加载到实时目标机中运行,避免了繁琐的编程和Debug工作
● 使用门槛低,会 Matlab 仿真即可完成实验测试工作,所有测试工作只需一人即可完成
更灵活,更开放
● 硬件模块化设计,多种实验拓扑模块可选,同时,可根据需求定制各种不同的功率硬件,拓扑结构、功率级别、传感器的数量位置等均可以变化。
● 软件模块化设计,编程和监控全部采用基于模型的可视化设计方法,提供各类验证过的算法模型,可直接组合调用,大大缩短上手时间。
更可信,更可靠
● 采用高可靠性的功率模块和经过完善测试的接口模块,故障率低
● 具备数字仿真和物理电路双重验证,设计更灵活,实验数据更具说服力。

 

 

系统组成


电力模块与接线拓扑

 

 

快速原型控制器(RCP)

 

 

采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU,其仿真结果针对实际 研究更具有参考性;
◆ 保护机制齐全,此部分不需要用户实际搭建保护模型,只需配置控 制量的极限值即可实现实时保护,让用户不用为安全保护费心,更 
 多的关注于核心控制算法;
◆ 模型与硬件接口链接简单,只需记住端口编号即可,更不用配置硬 件各类细节,免去一切不必要的麻烦;
◆ 具备自主编写的驱动库,可以直接导入到Simulink库中,用户可以 直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库,将模型中的数据直接 与硬件对接,无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件,可适用 于各种工程调试需求。

 

 

实验管理及课程培训系统

 

实验管理系统主界面

 

◆ 创新的交互式实验课程软件,提供进行实验所需的各种支持。它不仅 提供实验过程指导,还提供相关理论知识讲解介绍,记录测量结果, 并可导出各类数据。
◆ 实验课程软件需集成所有的实验例程,统一在一个软件中运行,可一 键打开,自动完成程序的下载、仿真以及数据的在线观测。
◆ 实验课程软件需提供进行实验所需的各种支持。包括但不限于实验指 导书,相关理论知识讲解、自动记录实验过程中的各种数据,导出各 类数据。 
◆ 支持Matlab运行环境及Simulink实验仿真模型,结合实验课程,可直 接一键打开模型并自动搭建UI界面,提供离线模式和在线模型,可直 接进行仿真实验验证。
◆ 每一个例程都提供离线仿真模型和实物控制模型,学生导入模型,进 行虚拟仿真和实物控制的实验验证。
◆ 原理理论学习,实验管理系统提供相关实验的理论内容与辅助教学视 频,可由教师机进行管理。

 

实验例程集成融合

 

独立例程说明书集成可直接打开

 

◆ 集成所有实验例程,系统可自动导入相应实验的 Simulink控制模型,无需打开其他软件。
◆ 可导入预设实验控制界面,集成章节化的实验说明手册,在实验工程文件基础上按照实验指导进行控制操。

 

离线matlab模型集成调用

 

在线matlab模型集成调用

 

◆ 可自动抓取实验数据、完善实验报告,提交实验报告, 若有其他开放性实验,可自己建立相关模型进行验证。
◆ 可自动保存实验过程中产生的各种数据,支持自主导入控制模型,进行快速原型控制器的程序一键生成与烧写。

◆ 数据库管理系统,并具备录波功能,波形数据可直接在matlab或第三方软件中打开并查看。

 

开发设计学习流程

 

 

实验内容

Matlab/Simulink软件仿真基础
1、电力电子技术概念开发设计学习流程
2、电力电子器件概述
3、Matlab及Simulink介绍
4、PWM的基本原理和控制方法
5、PWM在Simulink的生成
6、SPWM的基本原理和控制方法
7、SPWM在Simulink的生成

基于模型开发(MBD)半实物仿真介绍
1、基于模型开发(MBD)理念介绍
2、快速原型控制器(RCP)介绍
3、RCP控制器与matlab对接操作
4、Simulink离线模型的分割与硬件模型库的调用
5、RCP实时仿真监控系统界面的搭建

晶闸管整流与调压变换实验(SCR)
1、单相半波整流电路实验
2、三相半波整流电路实验
3、单相桥式半控整流电路实验
4、三相桥式半控整流电路实验
5、单相桥式全控整流电路实验
6、三相桥式全控整流电路实验
7、单相交流调压电路实验
8、三相交流调压电路实验
(以上实验均提供离线模型仿真+半实物模型控制仿真,可相互论证)

直流-直流DC-DC变换实验(MOSFET)
1、Buck斩波电路实验
2、Boost斩波电路实验
3、Buck-Boost斩波电路实验
4、Cuk斩波电路实验
5、Sepic斩波电路实验
6、Zeta斩波电路实验
7、双向半桥DC/DC斩波电路实验
8、四开关管Buck-Boost斩波电路实验
(以上实验均提供离线模型仿真+半实物模型控制仿真, 可相互论证)

直流-交流DC-AC变换实验(IGBT)
1、单相正弦波脉宽调制(SPWM)整流电路实验
2、三相空间电压矢量(SVPWM)整流电路实验
3、单相正弦波脉宽调制(SPWM)独立逆变电路实验
4、单相正弦波脉宽调制(SPWM)并网逆变电路实验
5、三相空间电压矢量(SVPWM)独立逆变电路实验
6、三相空间电压矢量(SVPWM)


实际项目案例分享

 

 

 

 

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