MATLAB仿真技術在電力電子技術實驗教學中的應用

張鵬

（渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714000）

電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，是借助電力電子器件（如晶閘管、GTO、IGBT等）對電能進行變換和控制的技術[1]。該課程已成為電氣工程及其自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養該專業人才中占有重要地位。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。以單相交流調壓電路的性能研究實驗為例，將MATLAB仿真技術引入到的實驗教學中，對于幫助學生加深理解能夠起到事半功倍的效果。

1 MATLAB軟件特點

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。將其引入到電力電子技術課程的實驗教學中具有很多好處，其仿真圖形直觀逼真、器件參數可在大范圍內調節，不用擔心元器件損壞，也沒有任何危險性，學生若能在實驗課前能獨立完成仿真環節，對實驗課程的效果幫助很大。

2 單相交流調壓電路基本教學及存在難點問題

交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟啟動，也用于異步電動機調速[2-4]。交流調壓電路是指把交流電能的參數（幅值、頻率、相位）加以變換的電路。根據變換參數的不同，交流調壓電路可分為交流電力控制電路和交—交變頻電路[5－6]。根據結構的不同，交流調壓電路有交流調壓電路和三相交流調壓電路兩種。圖1為單相交流調壓電路原理圖，主電路由VT1和VT2兩個晶閘管反向并聯構成，通過控制晶閘管在每一個電源周期內導通角的大小來調節輸出電壓的大小，來實現負載的交流調壓。

圖1 單相交流調壓電路原理圖Fig.1 Single－phase AC voltage regulator circuit schematics

單相交流調壓電路可以根據負載性質的不同可分為電阻性負載和阻感性負載，電阻性負載的控制角的移相范圍為0～π， 阻感性負載的控制角的移相范圍為 φ～180°。 在 ωt=α時，對VT1施加觸發脈沖，當VT1正向偏置而導通時，負載電壓波形與電源電壓波形相同；在ωt=π時，電源電壓過零，因電阻性負載，電流也是零，VT1自然關斷。在ωt=π+α時，對VT2施加觸發脈沖，當VT2正向偏置而導通時，負載電壓波形與電源電壓波形相同；在ωt=2π時，電源電壓過零，VT2自然關斷。

通過上述教學過程，學生對單相交流調壓電路的結構、工作原理及功率器件的控制方式有了基本的認識，難點則集中在于影響因素的分析，由于這部分內容計算復雜，且在實驗過程中又難以觀測，教師在講解起來十分困難，而學生沒有直觀的接觸學習起來也難以理解。因此，引入MATLAB仿真工具是解決上述問題的一個有效途徑。

3 單相交流調壓電路分析

3.1 純電阻負載

交流調壓電路的工作情況與負載的性質有十分重要的關系[7－8]，圖1中負載為純電阻負載，其中晶閘管 VT1和 VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。

純電阻負載時，負載電壓的有效值為式（1）：

因為是純電阻負載，因此負載電流的有效值的計算式為式（2）：

晶閘管電流的有效值為式（3）：

上式中，U0為負載電壓，U1為電源電壓，α為觸發控制角，R為負載電阻。

3.2 阻感負載

阻感負載是比較常見的情況，設負載的阻抗角為φ=arctan（wl/R）。為了方便討論，把α=0的時刻仍定在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負載下穩態時α的移相范圍為φ≤α≤π。純電阻負載時，阻感負載時，負載電壓的有效值為式（4）：

上式中，θ為導通角。

晶閘管電流有效值為式（5）：

3.3 負載電壓諧波分析

由于負載電壓不是正弦波，含有大量諧波，由于波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波，負載電壓用傅立葉級數表示為式（7）：

上式中，Z為阻感負載的阻抗值，φ為阻抗角。

負載電流有效值為式（6）：

上式中，an和bn為波形系數。

各次諧波電壓有效值為式（8）：

負載電流各次諧波有效值為式（9）：

4 仿真結果與實驗結果的對比分析

為了便于比較，在仿真中和試驗中采用相同的參數，并且在仿真中運用FFT工具對負載波形進行了定量的分析。相關參數如表1所示。

在參數設置上，負載電感L=200mH。當觸發角為α=60°時，圖2為仿真時負載電壓波形及FFT分析的結果，圖3為實驗時負載電壓波形。圖4和圖5觸發角為α=120°時，為仿真時負載電壓波形及FFT分析的結果。通過對比圖2、4和圖、5，可以發現仿真結果和實驗結果基本吻合，但是存在一定的偏差，仿真波形在0.01 s前顯示了阻感負載的啟動過程，而在實際實驗過程中由于這個過程的時間非常短暫，往往難以觀測到。另外在實驗結果中晶閘管出現了尖峰電壓，而在仿真中沒有觀測到，這與仿真模型的精度有很大關系。FFT分析的結果與理論結果也是相符合的。

圖2 α=60°仿真時負載電壓波形及FFT分析Fig.2 Load voltagewaveform and FFT analysis in simulation when α=60°

圖3 α=60°實驗時負載電壓波形Fig.3 Load voltagewaveform in experimentswhen α=60°

圖4 α=120°仿真時負載電壓波形及FFT分析Fig.4 Load voltagewaveform and FFT analysis in simulation when α=120°

圖5 α=120°實驗時負載電壓波形Fig.5 Load voltagewaveform in experimentswhen α=120°

在課后，還可以要求學生自行設計參數，觀測試驗的結果，總結各參數對輸出特性的影響。這樣既加深了學生的理解，又可以使學生產生濃厚的學習興趣。因此，利用仿真工具進行說明這些教學難點問題，可以獲得很好的教學效果。

5 結束語

電力電子技術課程實驗教學是理論教學的重要補充，對于學生深入理解課程內容有很大作用。但是，目前實驗課程課時較少，學生在實驗過程中對實驗臺不熟悉，操作費時耗力，該實驗又屬于強電實驗，有一定危險性，學生只能完成規定動作，不敢對疑慮的問題進行實際驗證，這些原因導致了實驗教學的效果往往不佳。以交流調壓電路為例，將Matlab仿真技術引入到電力電子技術實驗課程中，仿真結果十分接近實驗結果，并對照實驗結果進行了分析，大大的克服了傳統實驗教學中存在的問題，加深了學生對課程內容的理解，是一種十分好的方法。

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