基于MATLAB/SIMULINK的電力電子實驗仿真

周志剛，敖章洪

（湖南文理學院 電氣與信息工程學院，湖南 常德 415000）

基于MATLAB/SIMULINK的電力電子實驗仿真

周志剛，敖章洪

（湖南文理學院 電氣與信息工程學院，湖南 常德 415000）

電力電子技術是一門實踐性很強的專業基礎課,為加深理論知識，加強該門課程的實驗教學效果，本文提出了一種基于MATLAB/SIMULINK實驗的設計思想，開發出相應的仿真平臺，并建立了三相半波可控整流電路的動態仿真模型，給出了仿真實例并驗證了模型的正確性，從而為電力電子實驗教學提供了一個有效的輔助工具.

電力電子實驗；SIMULINK；動態模型；仿真

電力電子技術是應用于電力領域當電子技術，是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術[1].它是20世紀后半葉發展起來的一門嶄新的技術,如今已發展成了一門橫跨電子、電力和控制三個領域的新型工程技術科學.作為電氣工程及其自動化等電類專業的學生,電力電子技術是適應性、工程性和綜合性很強的專業課程，電力電子技術實驗在教學中占有十分重要的地位.由于實驗課學時不足和實驗設備臺套數等原因，使學生動手機會減少；實驗項目少且較簡單；并且實驗設備存在老化、接觸不良等問題，使實驗結果與理論知識不符或存在較大差異；而且，由于在高壓下進行的實驗對器件和操作者也有一定的危險.因此，實驗結合工具軟件進行仿真是該課程實驗教學中值得探討的問題.本文基于MATLAB仿真軟件對三相半波可控整流電路進行了建模和仿真，并得出了相應的仿真結果,對電力電子實驗教學具有較高的參考價值.

1 SIMULINK仿真環境介紹

Math-works公司推出的基于MATLAB平臺的Simulink是動態系統仿真領域中廣為應用的仿真集成工具之一,它在各個領域得到廣泛的應用[2].Simulink環境下可以使用的電力系統仿真模塊庫（Power System Blockset）主要由加拿大的Hydro Queboc和TECSIM International公司共同開發的，其功能非常強大，可以用于電路、電力電子系統、電機系統、電力傳輸等領域的仿真，提供一種類似電路搭建的方法用于系統模型的繪制[2].在Simulink環境下，電路元器件的模型和系統的函數都可用框圖來表達，框圖之間的連線表示信號流動的方向，用戶只要學習圖形界面的使用方法和熟悉模型庫的內容，就可以很方便地進行系統和電路的仿真.

在電力系統工具箱(Simpower System Blockset)中有一個電力電子器件模塊庫（Power Electronies）,在此模塊庫中包含了理想開關元器件、二極管、晶閘管、可關斷晶閘管、功率MOS場效應管、絕緣柵極雙極晶閘管、通用整流橋及兩個附加的控制模塊組等基本模塊.

MATLAB/SIMULINK仿真過程如下[3]：

（1）新建模型文件.在SIMULINK下建立一仿真模型的新文件，用以存放仿真電路模型.

（2）提取電路元器件模塊.分別調取SimPowerSystems中相應的模塊拖放入仿真平臺.

（3）建立仿真模型.將電路元器件模塊按電原理圖連接起來搭建仿真模型.

（4）設置模型參數.雙擊模塊圖標，打開模塊參數設置對話框，根據需要輸入各參數.

（5）仿真結果.在參數設置完畢后即可開始仿真，在菜單Simulation下選擇Start，或者直接點擊工具欄上的“start sinmulation”按鈕，仿真立即開始，雙擊示波器，可彈出示波器窗口顯示輸出波形.中途若要停止仿真可以選擇Stop或工具欄上的按鈕.

2 電路的建模及仿真

三相半波可控整流電路原理圖如圖1所示.電路由變壓器T、共陰極組晶閘管和負載組成，通過對3只晶閘管進行適時的觸發，把交流變為直流，同時可以通過改變控制角調節直流側的平均電壓.該電路的仿真過程如下.

圖1 三相半波可控整流電路

2.1 仿真模型建立

（1）建立仿真模型新文件.并重命名為sxbbzl.

（2）提取電路元器件模塊.分別調取SimPowerSystems中相應的模塊拖放入仿真平臺.

（3）將電路元器件模塊按圖1連接起搭建仿真模型，如圖2所示.

2.2 模型參數的設置

圖2 三相半波可控整流電路仿真模型

2.2.1 對稱三相交流電源參數設置

有效值設置為220V，頻率為50Hz，相位分別為0°、-120°、120°，其它為默認值.

2.2.2 晶閘管參數設置

橋臂數取3，對稱三相交流電源接整流橋輸入端，電力電子元件選擇晶閘管，其它為默認值.

2.2.3 脈沖觸發器設置

頻率為50Hz，脈沖寬度取3.6°.

2.2.4 仿真參數設置

開始仿真時間為0，停止仿真時間為0.02S，選擇ode23tb算法，仿真誤差為1e-3.

2.3 模型仿真

2.3.1 電阻性負載

設置負載參數：選擇R=45Ω，L=0H，C=inf.觸發角分別設置為30°、60°.啟動仿真，仿真結果如圖3、圖4所示.

圖3 電阻性負載α=30°時整流電路輸出波形

圖4 電阻性負載α=60°時整流電路輸出波形

由圖3和圖4可以看出，當電阻性負載時，輸出電壓和電流波形相同.在α<30°時，負載電流波形連續；在α>30°時，負載電流斷續.隨著控制角α的增大，整流輸出電壓平均值降低.

2.3.2 阻感負載

設置負載參數：選擇 R=45Ω，L=0.1H，C=inf.觸發角設置為60°.啟動仿真，仿真結果如圖5所示.

圖5 阻感性負載α=60°時整流電路輸出波形

由圖可見，電壓波形出現負的部分，在電感較大的情況下，負載電流連續.若將阻感負載中的電感改為1H，觸發角維持為60°，負載電壓和電流波形如圖6所示.由圖可見，在相同的控制角下，負載中的電感越大，電感平波的效果越好，整流輸出電流波形越平穩.

圖6 阻感性負載α=60°時整流電路輸出波形（L較大）

3 結束語

通過以上介紹、分析可見，利用MATLAB/SIMULINK對電力電子電路進行仿真，只要將所需元器件模型用鼠標拖入工作窗口，然后根據仿真電路的拓撲結構連好電路，仿真模型便自動生成，設置好各元件參數和仿真參數后即可進行仿真.通過改變參數（負載和控制角），便得到各輸出量對應不同條件下的波形，使教學更具有實時性、直觀性，使學生學習電力電子技術時能獲得形象生動的仿真效果，加深有關理論知識的掌握，便于學生更好地、牢固地掌握電力電子技術這門課程的有關知識，同時也彌補了傳統實驗裝置的不足.

〔1〕王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社,2009.

〔2〕周淵深.交直流調速系統與 MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社,2003.

〔3〕李家坤,劉姣姣.MATLAB仿真技術在電力電子教學中的應用[J].長江工程職業技術學院學報,2009,26(1):75-77.

TP391

A

1673-260X（2011）09-0204-02