基于LabVIEW與Simulink的電力電子電路故障仿真

羅漪瀾 鄒恩 何忠禮 林舜杰

摘 ?要：為了對電力電子電路故障時的工作情況進行探討與分析，本文以三相橋式全控整流電路為例，基于LabVIEW和Simulink建立了電力電子電路在故障情況下的電路仿真模型，對電路故障時的工作情況進行了仿真分析，仿真結(jié)果展示于LabVIEW界面中，仿真參數(shù)亦可在界面直接修改。該故障仿真對理解電路原理、推測故障原因及在電路設(shè)計時選取器件參數(shù)等有參考意義。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;Simulink;故障仿真

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0028-03

Abstract：In order to discuss and analyze the working conditions when the power electronic circuit fails，this article take the three-phase bridge full-controlled rectifier circuit as an example，established the circuit model of the power electronic circuit using LabVIEW and Simulink under fault conditions，then simulate and analysis the working situation of circuit faults. The simulation results are displayed in the LabVIEW interface，and simulation parameters can be modified directly on the interface also. The fault simulation has reference significance for understanding the circuit principle，estimating the cause of the fault，and selecting the device parameters when designing the circuit.

Keywords：LabVIEW;Simulink;fault simulation

0 ?引 ?言

“電力電子技術(shù)”課程一直以來以電路種類多、波形復(fù)雜成為較難的專業(yè)課程之一。為了更好地理解電路原理掌握電路應(yīng)用，除進行實物實驗外，在理論學習時常通過Flash動畫或Simulink電路仿真來加深對相關(guān)知識的理解[1，2]，但課本中的分析往往只針對最理想的工作情況，而實際電路在工作時不可避免地會出現(xiàn)故障，這就使得對電路的故障分析必不可少。

本文針對電力電子技術(shù)學習中存在的電路故障分析需求，基于LabVIEW和MATLAB搭建了電力電子電路模型，并針對電路可能出現(xiàn)的故障進行分類分析，將故障時的電路參數(shù)直觀展示于LabVIEW虛擬示波器中。不僅能降低對復(fù)雜理論知識的理解難度，為電路故障分析及電路設(shè)計提供依據(jù)，更能提高學生對課程知識的探索興趣，有助于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的綜合能力。

1 ?Simulink電路模型的搭建

1.1 ?Simulink電路模型

Simulink給電力系統(tǒng)仿真提供了專門的模塊庫SimPower-Systems，其中包括Power Electronics模塊庫、二極管、晶閘管、GTO、理想開關(guān)、MOSFET、IGBT和通用橋等模型以及3相序列分析、連續(xù)/離散同步6-/12-脈沖發(fā)生器等[3]。除此之外，SimPowerSystems還包含電源、電氣元件、電路測量、電機等模塊，能夠滿足電力電子電路仿真的基本需要。

在電力電子電路中，整流電路是最基本也是應(yīng)用最廣泛的電路，本文以三相橋式全控整流電路為例，對電路進行故障仿真。三相橋式全控整流電路模型如圖1所示，整流橋晶閘管的觸發(fā)信號由Synchronized 6-Pulse Generator提供，各晶閘管觸發(fā)脈沖依次相差60度，改變輸入?yún)?shù)alpha_deg即可改變晶閘管控制角α。用直流電源模擬負載中的反電動勢，用于帶電動勢負載及有源逆變時的分析。在模型中加入若干測量模塊，分別對三相交流側(cè)線電壓、晶閘管VT1電壓、流經(jīng)負載電流及負載上電壓參數(shù)進行監(jiān)測。

1.2 ?模擬電路故障

電力電子電路在工作時難免出現(xiàn)故障，三相橋式整流電路在工作時，可能出現(xiàn)的故障主要有以下幾類：電力電子器件故障，如失去阻斷或?qū)芰Α⒂|發(fā)電路工作故障、觸發(fā)脈沖丟失或延時、交流電源缺相等。針對以上可能出現(xiàn)的主要故障，可在模型中故障點處串入選擇開關(guān)或修改元件參數(shù)模擬故障。如圖1所示，若模擬晶閘管VT1觸發(fā)脈沖丟失故障，可在脈沖發(fā)生器輸出端與晶閘管G級之間串入選擇開關(guān)switch，通過調(diào)整中間輸入的值，即可選擇是否給G級輸入正常觸發(fā)脈沖。若模擬電源缺相，則修改三相電源參數(shù)即可。

2 ?LabVIEW與Simulink聯(lián)合仿真的實現(xiàn)

本文使用LabVIEW與Simulink實現(xiàn)聯(lián)合仿真，借助LabVIEW圖形化編程的功能特點[4]，將Simulink模型與LabVIEW控件鏈接起來，實現(xiàn)通過LabVIEW直接修改Simulink模型參數(shù)，并在LabVIEW虛擬示波器中觀測電路參數(shù)的變化。

2.1 ?LabVIEW前面板設(shè)計

LabVIEW前面板設(shè)計分為三個部分，第一個部分為控制部分，包括對電路控制角α、逆變角β、電阻值、電感值、反電動勢的設(shè)置及工作情況的選擇。工作情況包括正常工作（即無故障）、晶閘管VT1丟失觸發(fā)脈沖、晶閘管VT1失去阻斷能力和交流電源A相缺相四種。第二個部分為電路圖顯示，顯示當前仿真的電路原理圖。最后一個部分為波形的顯示，用示波器實時顯示電路參數(shù)波形變化。在對三相橋式整流電路的故障仿真中，分別顯示交流側(cè)三相線電壓、晶閘管VT1電壓、負載電壓及電流的波形。

2.2 ?LabVIEW與MATLAB鏈接的建立

要實現(xiàn)LabVIEW與Simulink聯(lián)合仿真，首先需要在LabVIEW與MATLAB軟件之間構(gòu)建鏈接，通過安裝LabVIEW的SIT工具箱即可實現(xiàn)兩軟件的通信[5，6]。通過該工具箱中的SITout模塊，將Simulink模型中需觀測的數(shù)據(jù)傳至LabVIEW中顯示，同時也可將參數(shù)從LabVIEW傳入Simulink中，具體方法為：配置LabVIEW SIT Server，即在“工具-選項-VI服務(wù)器”中選擇TCP/IP協(xié)議，并配置端口號為6011。

在LabVIEW中，SIT connection manager選擇Simu-link文件，再在mappings中給需要傳遞的變量建立映射關(guān)系，即可自動生成LabVIEW程序框圖，完成鏈接。此時傳遞的變量只是模型中元件的某一具體屬性，而不是全部。

3 ?仿真結(jié)果分析

在完成了上述模型建立、前面板設(shè)計和鏈接實現(xiàn)后，即可設(shè)置參數(shù)開始仿真。對三相橋式全控整流電路設(shè)置的仿真參數(shù)如下：控制角α=30°;電路不帶直流電動勢負載，即Em=0V;電源側(cè)為220V;50Hz三相交流電;其他負載參數(shù)為電阻R=10Ω;電感L=10H。電路工作在整流狀態(tài)下，正常工作下電路輸出波形如圖2所示。

以“晶閘管VT1觸發(fā)脈沖丟失”故障為例，對該電路進行故障仿真。在LabVIEW前面板中選擇相應(yīng)工作情況，其余電路參數(shù)不變，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖2可知，電路正常工作時輸出電壓在每個電源周期內(nèi)由6段相同的波形組成，分別對應(yīng)電路中晶閘管的6種導(dǎo)通組合，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。若VT1脈沖丟失，將導(dǎo)致從VT5往VT1換相失敗，VT5繼續(xù)導(dǎo)通，電路輸出仍為Uc-Ub=Ucb。到VT2觸發(fā)脈沖到來時，VT2與VT6換相，此時VT5與VT2共同導(dǎo)通，電路輸出電壓為兩個晶閘管的導(dǎo)通壓降，理想情況下為0。直到VT3被觸發(fā)，VT5與VT3換相，VT3與VT2導(dǎo)通，此階段及往后階段波形與正常工作時一致。VT1脈沖缺失時，電路中各晶閘管導(dǎo)通情況與整流輸出電壓列于表1中。通過對比可得，理論分析與仿真結(jié)果一致，證明仿真結(jié)果真實有效。

4 ?結(jié) ?論

本文論述了基于LabVIEW與Simulink對電力電子電路進行故障仿真的方法與實例。該故障仿真不僅可用于三相整流電路，亦可用于其他電力電子電路的故障仿真。

參考文獻：

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)（第5版） [M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 宗哲英，張旭，郝永強，等.基于MATLAB GUI的電力電子技術(shù)虛擬實驗仿真平臺的設(shè)計與構(gòu)建 [J].實驗科學與技術(shù)，2018，16（3）：146-149+182.

[3] 于群.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4] 趙莉華，張亞超，金陽，等.基于LabVIEW和Matlab虛擬實驗室的實現(xiàn) [J].實驗室研究與探索，2014，33（4）：62-64+67.

[5] 高輝，劉金錦，李艷，等.應(yīng)用SIT和RTW實現(xiàn)LabVIEW與ATLAB/Simulink的混合編程 [C]//2009全國虛擬儀器大會. 2009全國虛擬儀器大會論文集（一）.中國廣西桂林：《儀器儀表學報》雜志社（Editorial Office of Chinese Journal of Scientific Instrument），2009：170-173.

[6] 王慧，王毅，付超.Matlab和LabVIEW在電力電子虛擬實驗中的應(yīng)用 [J].電氣電子教學學報，2014，36（2）：112-114.

作者簡介：羅漪瀾（1992-），女，漢族，廣東廣州人，就職于信息科學學院，碩士研究生，助教，研究方向：智能電網(wǎng)、電氣自動化。