基于MATLAB的仿真技術在電力電子技術實驗中的應用

韓楊楊

1 引言

“電力電子技術”是很多高校電氣工程及其自動化專業的一門重要專業課程，是電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的，可以看成是弱電控制強電的技術[1].電力電子技術應用范圍十分廣泛，從一般工業、交通運輸、電力系統到家用電器、各種電源，以及新能源、可再生能源中都有應用[2].該課程主要研究各種電力電子器件的結構和應用特性，以及四大電力變換電路的電路結構、工作原理等，具有很強的理論性、實踐性和應用性[3].

雖然電力電子技術課程實踐地位重要，但許多新建本科院校實驗室建設跟不上，配套設備不夠完善，還有一些院校實驗器材老化、設備陳舊等問題突出.其中一些實驗屬于強電實驗，具有一定危險性[4]，老師在講解實驗原理并演示操作流程后仍會有部分學生接線或操作等方面出現問題，可能造成對元器件和實驗設備的損壞[5].因此，仿真技術應用于該課程實踐教學中就顯得特別必要了.

2 MATLAB在實驗教學中的應用

電子、電氣方面的仿真軟件很多，綜合考慮軟件功能、學生能力以及與其它課程的兼容性等因素，選用MATLAB/SIMULINK完成仿真實驗教學.SIMULINK的SimPowerSystems庫中提供了常用的電力電子器件模塊、各種整流、逆變電路模塊等[6]，使用它們搭建電力電子電路模型并進行仿真十分方便.利用MATLAB進行仿真實驗，學生不僅可以完成規定的實驗內容，還可以充分發揮主動性，自行設計實驗電路，模擬故障診斷，提高分析和解決問題的能力.另外，對于電氣工程專業學生來說，很多設計由于各方面限制而無法做出實物，一些研究工作只能通過仿真來完成[7].學生對MATLAB仿真軟件的良好掌握以及分析、設計、綜合能力提高，對電力電子技術課程設計以及之后的畢業設計都是很有幫助的.

3 應用實例

現以筆者所在院校為例，詳細闡述MATLAB/SIMULINK在電力電子技術實驗教學中的應用過程.學院定位為應用型本科院校，特別注重學生創新、實踐能力的培養，因此很多課程實踐部分單獨成課且課時較多，如“電力電子技術實驗”為獨立課程，1學分，24學時，實驗項目數為7—8個，而實驗設備臺數有限且有部分損壞或存在故障，指導教師任務非常繁重，工作量十分巨大.在這種情況下，把部分實驗改成仿真實驗是很切實可行的辦法，而且仿真軟件的學習對學生的分析、設計等實踐能力也有提升作用[8].

仿真實驗教學中，首先讓學生了解實驗目的、內容，之后講解實驗電路及原理，最后演示具體實驗方法操作，還可以根據學生情況適當增加思考題、附加題.以第一個實驗單相半波可控整流電路為例，實驗目的是掌握單相半波可控整流電路在電阻負載及阻感負載時的工作原理；了解阻感負載情況下加續流二極管的作用；基本實驗內容為單相半波可控整流電路在各種負載情況下的MATLAB仿真（包括元件的選擇、仿真電路接法及各模塊參數的設置等）.實驗電路及工作原理可參考理論課教材，基本電路及波形如圖1所示.其中圖1(a)為電阻負載的電路及波形，圖1(b)為阻感負載的電路及其波形，圖1(c)為阻感負載有續流二極管的電路及波形.分析可知，電阻負載時的輸出電壓ud與輸出電流id成正比，輸出電壓平均值Ud=0.45U2(1+cosα)/2；阻感負載時，由于電感的作用使得電流id不能突變，還使得晶閘管的關斷時刻延遲，所以ud波形出現負的部分，其平均值Ud下降（與電阻負載時相比）；阻感負載有續流二極管時，u2正半周時，與沒有加續流二極管時的波形相同.當u2過零變負，續流二極管開始導通使得ud＝0，這時u2為負，晶閘管承受反壓而關斷，因而ud未出現負值，電流id由于電感作用而保持連續.若電感值足夠大，可使id連續，且波形接近一條水平線.

圖1 單相半波可控整流電路及波形

仿真實驗方法，電阻負載的單相半波可控整流電路仿真步驟：

3.1 搭建仿真電路模型

首先運行MATLAB，進入SINMULINK后創建新的模型，在打開的頁面中繪制電路的仿真圖，如圖2所示.

圖2 帶電阻負載的單相半波可控整流電路仿真圖

3.2 設置模塊參數

在需要設置參數的模塊上雙擊，會出現參數設置對話框.其中：晶閘管模塊采用默認參數，串聯RCL支路R＝2Ω（L＝0H，C＝inf）.交流電壓源參數設置如圖3所示：

圖3 交流電壓源參數設置

脈沖發生器參數設置（α＝30°），如圖4所示：

圖4 脈沖發生器參數設置（α＝30°）

3.3 設置仿真參數

在仿真參數設置對話框（點擊“Simulation”菜單下的“Configuration parametes”）中，選擇 ode23tb算法，開始仿真時間設置為0.0，停止仿真時間設置為0.1.

3.4 仿真

單擊工具欄中的仿真按鈕開始仿真.仿真結束后，打開示波器可以觀察仿真輸出結果，如圖5所示（其中圖5(a)是觸發角α＝60°時對應的波形，圖5(b)是觸發角α＝90°時對應的波形）.五個波形從上到下依次為：觸發信號、晶閘管上流過的電流、晶閘管上承受的電壓、輸出電壓Ud、（二次側）輸入電壓U2.結果和圖1(a)中的波形進行比較，調整觸發角α的大小，要求得到 α＝0°、30°、60°及 90°的輸出波形，觀察并記錄之.

圖5 電阻負載的單相半波可控整流電路仿真波形

阻感負載的單相半波可控整流電路的仿真方法與帶電阻負載時基本相同.只需將RLC串聯分支參數改為阻感負載.在本例中，設置電阻R=2,L=0.01H,電容為inf.仿真完成后，示波器波形如圖6所示（其中圖6(a)是觸發角α＝30°時對應的波形，圖6(b)是觸發角α＝90°時對應的波形）.六個波形從上到下依次為：觸發信號、晶閘管上流過的電流、晶閘管上承受的電壓、輸出電壓Ud、輸出電流Id、（二次側）輸入電壓U2.結果和圖1(b)中的波形進行比較，改變觸發角α大小，要求得到α＝0°、30°、60°及90°對應的輸出波形，觀察并記錄之.

圖6 阻感負載的單相半波可控整流電路仿真波形

把阻感負載時的仿真電路加上續流二極管，設置好參數，α取不同值，進行仿真，仿真電路如圖7所示.

圖7 阻感負載有續流二極管的單相半波可控整流電路仿真圖

仿真完成后，觀察示波器波形，如圖8所示（其中圖 8(a)是 L＝0.01H（α＝30°）時對應的波形，圖 8(b)是 L＝0.1H（α＝60°）時對應的波形），結果與圖 1(c)中的波形進行比較，理解續流二極管的作用.改變觸發角α及電感L大小，要求得到不同L值下，α＝0°、30°、60°及 90°對應的輸出波形，分別記錄之.

4 結語

圖8 阻感負載有續流二極管的單相半波可控整流電路仿真波形

根據應用型本科院校的教學要求，考慮學院實際情況并結合課程自身特點，將仿真技術引入到電力電子技術實驗教學中.經過一段時間的觀察和了解，發現通過仿真實驗學生對電路工作原理的理解加深了，學習更加積極，采用這種模式可以激發學生對該課程的興趣，變被動為主動，提高學習效率，也可以減少因實驗設備等問題對教學效果的影響，教學質量也有很大提升.借助MATLAB仿真軟件進行電路分析和研究，可以更好地培養學生綜合、創新能力，為下一階段的課程設計和畢業設計等打下良好基礎.