MATLAB在“電力電子技術”實驗教學中的應用

摘要：介紹了MATLAB仿真軟件的Simulink工具箱在電力電子技術實驗教學中的應用，并給出了三相半波整流及有源逆變電路仿真實例。實踐證明，利用仿真軟件進行虛擬實驗，有助于學生理解課程理論知識，克服單純依靠硬件實驗裝置進行實驗的不足，有利于提高實驗效率和改善實驗效果，并使學生初步學會利用MATLAB分析電力電子電路的技能。

關鍵詞：電力電子技術實驗；仿真；MATLAB

作者簡介：劉麗萱（1965-），女，河北定縣人，中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，講師；張萍（1972-），女，湖南岳陽人，中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院實驗中心，工程師。（北京 102249）

基金項目：本文系2009年中國石油大學（北京）校級重點教改項目（項目編號：09jgx041）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）22-0098-02

“電力電子技術”是一門面向機械電子、自動化及電子信息專業開設的實踐性很強的應用技術型專業基礎課程。該課程主要研究應用于電力領域的各種電力半導體器件及變流裝置，以實現對電能的變換和控制等內容。電力電子技術是一門實踐性非常強的應用技術，除了需要掌握課程理論知識外，還需要掌握電力電子技術的實驗技能。[1]傳統的實驗多是依托電力電子技術實驗裝置完成的，在實際操作中存在以下問題：一是由于電力電子技術實驗裝置操作復雜，加之實驗學時有限，學生難以在短時間內熟練掌握裝置的使用方法，在實驗過程中器件容易損壞，對學生實驗的效果有一定影響。二是在該課程的實驗教學中，需要觀察電路相應各處的電壓、電流波形信號。在傳統的裝置實驗中是利用雙蹤示波器對電路的相關波形進行觀察和分析的，所以同一時刻只能分析其中的兩路波形，難于對電路的各處波形有一個整體的觀察，從而影響對電路工作情況的整體了解。三是在實驗中，由于實驗設備及電路元器件的老化等問題也會使得實驗結果不準確甚至出現異常情況，從而影響實驗效果。針對電力電子技術實驗教學中存在的問題，本文將MATLAB仿真軟件應用到電力電子技術實驗教學中。利用MATLAB仿真軟件中的Simulink工具箱開發MATLAB仿真虛擬實驗，使學生對所做真實實驗有一個直觀、感性、全面的認識，有助于理解課程理論知識，提高實驗效率和實驗效果。通過虛擬實驗和真實實驗的有機結合，達到激發學生學習興趣、提高電力電子技術實驗教學質量的目的。[2-4]在文中通過三相半波整流及有源逆變電路仿真實例，介紹了電力電子技術虛擬實驗的設計方法并給出了相關的仿真波形。

一、MATLAB仿真軟件介紹

MATLAB是美國Mathworks公司于1982年推出的高性能數學分析與計算軟件。利用其中的Sim-PowerSystems和Simulink可實現對電力電子電路進行動態分析。[5，6]通過鼠標點擊相關模塊庫內的模型，簡單拖曳和移動到模型窗口，即可建立系統的仿真模型，再利用模型元件的屬性對話框設置相關參數后就可以直接對系統仿真，使用Simulink提供的示波器（Scope）模型，可顯示觀測點的信號波形。MATLAB/Simulink提供了一種圖形化的交互環境，從而使得復雜的電力電子電路仿真和分析及波形觀察變得十分容易，而且這種方式非常直觀、靈活。在電力電子技術實驗教學中引入MATLAB/Simulink對相關電路進行直觀、動態、形象及交互地動態分析，不僅可以提高學生的學習興趣，而且作為真實裝置實驗的輔助補充手段，有助于提高實驗教學的效率及教學質量。

二、三相半波整流電路仿真

啟動MATLAB，在Simulink環境下選用相關模塊建立三相半波整流電路仿真模型，如圖1所示。

首先，雙擊相關模塊，利用對話框設置電路參數如下：

電源參數設置：三相交流電源的相位互差120°，電源頻率設定為25Hz，峰值電壓設定為208V。

負載參數設置：R=10Ω，C=inf，L=0H。

晶閘管參數設置：Rn=1mΩ，Lon=0.1mH，RS=50Ω，CS=250e-9F。

脈沖發生器參數設置：在脈沖發生器參數設置對話框內，將Pulse1、Pulse2和Pulse3的脈沖周期設置為0.04s，脈沖高度為5，占空比50%。脈沖移相角（控制角）通過“相位角延遲”對話框進行設置，α=0°時，Pulse1延遲0.0033s、Pulse 2延遲0.0166s、Pulse 3延遲0.0299s。

打開仿真/參數窗，選ode23tb算法，相對誤差設置為1e-3，初始仿真時間設置為0，終止時間為0.1s。

其次，單擊工具欄的按鈕，進行仿真，帶電阻性負載的三相半波整流電路在控制角α=0°時電路仿真結果，如圖2所示。

最后，在圖1所示的仿真電路模型中，模塊中的其他參數不變，重新設置負載參數為：R=1Ω，L=0.01H，重新設置Pulse模塊的參數，改變觸發角α=90°時，Pulse Generator延遲0.0133s、Pulse Generator1延遲0.0266s、Pulse Generator2延遲0.0399s。單擊工具欄的按鈕，進行仿真，即可得到帶阻感性負載的三相半波整流電路在控制角α=90°時電路仿真結果，如圖3所示。

三、三相半波有源逆變電路仿真

啟動MATLAB，在Simulink環境下選用相關模塊建立三相半波有源逆變系統仿真模型，如圖4所示。

首先，雙擊相關模塊，利用對話框設置電路參數如下：

電源參數設置：三相交流電源的相位互差120°，電源頻率設定為25Hz，峰值電壓設定為100V。

負載參數設置：R=10Ω，L=0.08H，C=inf，反電動勢E=120V。

晶閘管參數設置：Rn=1mΩ，Lon=0.5mH，RS=500Ω，CS=4.7e-6F。

脈沖發生器參數設置：打開脈沖發生器模塊參數設置對話框，將Pulse1、Pulse2 和Pulse3的脈沖周期設置為0.04s，脈沖高度為5，占空比50%。脈沖移相角通過“相位角延遲”對話框進行設置。α=60°，Pulse延遲0.01s、Pulse1延遲0.0233s、Pulse 2延遲0.0366s。

打開仿真/參數窗，選ode23tb算法，相對誤差設置為1e-3，初始仿真時間設置為0，終止時間為0.1s。

其次，單擊工具欄的按鈕，進行仿真，觀察控制角α=60°時三相半波有源逆變電路仿真波形，如圖5所示。

從以上仿真實例可以看出，只需修改仿真電路中相關模塊的參數就可以改變電路的負載性質及控制角的大小，從而很方便地實現對不同性質的負載及不同控制角時電路工作波形的分析。更為重要的是在仿真波形中，可同時觀察多路相關波形，從而對電路的各處波形有一個整體的觀察，便于掌握電路的整體工作情況，也彌補了真實實驗中示波器同一時刻只能觀察分析兩路波形的不足。

四、結論

從文中電路仿真波形可以看出，仿真結果與理論分析基本相同，證明了利用MATLAB仿真電力電子電路的可行性和正確性。更為方便的是，可通過修改仿真電路中相關模塊的參數就可以改變電路的負載性質及控制角的大小，從而很方便地實現對不同性質的負載及不同控制角時電路工作波形的分析。實踐證明利用MATLAB仿真軟件中功能強大的Simulink工具箱設計電力電子技術虛擬實驗作為真實硬件裝置實驗的輔助手段，應用到電子電子技術實驗教學中，不僅可以彌補裝置實驗存在的不足和缺陷，而且能使學生初步掌握利用MATLAB分析電力電子電路的技能。通過虛擬實驗和真實實驗的有機結合，達到激發學生學習興趣，提高電力電子技術實驗教學質量的目的。

參考文獻：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(第四版)[M].北京:機械工業出版社，

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[2]汪義旺，索跡.電力電子技術仿真實驗教學探討[J].實驗科學與技術，2011，(4).

[3]劉玉娟，賀磊.仿真技術在電力電子實驗中的應用[J].中國電力教育，

2011，(30):157-158.

[4]馬立華，席惠.MATLAB在電力電子實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2005，(2):33-36.

[5]黃忠霖，黃京.電力電子技術的MATLAB實踐[M].北京:國防工業出版，2009.

[6]李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京:電子工業出版，

2006.

（責任編輯：宋秀麗）