基于Simulink的变流技术仿真实验研究

云中华，　李勇峰

(西藏大学 工学院， 拉萨 850012)

0　引　言

“电力电子变流技术”在当代应用非常广泛，主要涉及到整流、逆变、斩波、交流变流、交流调压/调频及其他相关技术，是电子学、电力学和控制理论的交叉学科，具有很强的实践性和应用性，广泛应用于工业、交通、电器、光伏发电能源及航天军工等场合[1-6]。而电力电子变流技术的传统的实验方法是在理论学习后通过实验台进行接线实验并观察实验结果等，这种实验方法很好的把理论应用到了实际现象中，但是也显露出了诸如过程不清晰、器件选择不丰富、波形观察不透彻、结果分析不全面等诸多缺点。令实验人员无法深入理解电力电子变流技术的内涵。

随着计算机科学的快速发展，出现了诸多仿真系统，如PSIM、PSpice、saber、PLECS等，而Matlab/Simulink中的SimPowerSystems是一款非常优秀的电力电子建模工具，其建模资源丰富，输出形式多元化，显示非常直观，基于Simulink的变流技术仿真实验，可以理论结合实际，使电力电子变流技术实验更加容易理解。

本文选择电力电子变流技术中的几类经典电路如单相全桥整流、三电平SPWM逆变电路、斩控式交流调压、直流升降压斩波以及ZVS-PWM变换器进行了仿真模型的Simulink建模以及波形分析，针对以往实验过程中较少涉及到的FFT分析，本文针对上述电路中的三电平SPWM逆变电路和斩控式交流调压进行了FFT分析，使参与实验的学生更加深刻地理解电力电子变流技术知识，使学生从参与教学验证型实验转型到自主研究型实验。

1　Simulink电路仿真建模

Simulink建模环境拥有强大的Simpower systems模型库，它内部包含了多种电力电子变流电路元件，如电源、元器件、连接部件、测量仪表及计算模块等，参与实验的学生可利用这些元件进行电力电子变流电路的模型搭建、参数设置、仿真运行及结果分析等全过程主动性实验。学生可在实验过程中去理解电路原理，对实验结果利用Simulink提供的各种工具进行分析与研究思考[7-9]。

在Simulink中进行仿真实验首先需要进行电路模型的搭建，学生们可在Simpower systems库中根据电路原理图进行模块选择并连接电路。在连接好电路模型后，学生可以根据自己的需求设置所需参数，如电路器件参数及仿真软件参数等。在设置参数的时候，实验人员能够对变流电路的深层次问题和原理有更好的认识学习与思考，并结合自己的需求与实际输出情况进行参数修正，以达到最优结果。在完成上两步后，就可以运行仿真，并观察输出结果[10-12]。

2　变流技术实验设计

鉴于传统电力电子变流技术实验的众多缺点，根据课程实验大纲需要，本文利用Simulink仿真工具选择了基础性的单相桥式整流电路、直流升降压斩波电路、斩控式单相交流调压电路以及提高性实验的三电平SPWM逆变电路ZVS-PWM电路进行仿真，并对上述中的部分电路进行了FFT分析，这在以往的实验过程中较少涉及到，通过此步骤，实验人员可更深层次的理解变流技术[13-15]。

2.1　单相桥式整流电路建模仿真与分析

单相桥式整流电路是最基本的电力电子电路，其Simulink模型搭建如图1所示，选择电动势负载情况进行仿真建模，具体参数可根据实验人员需求设置，此处设置交流电压100 V、负载反电动势50 V、负载电阻10 Ω，图2所示为触发角45°时的运行仿真波形[1-4]。

图1单相桥式整流电路Simulink仿真模型

图2　单相桥式整流电路输出波形

实验分析：从图中可知，当负载为蓄电池等反向电动势时，只有电源电压瞬时值的绝对值大于反向负载的时候，才有晶闸管导通的可能性，而随着触发角的不同，其波形也会随之有变化，然而为了使晶闸管能够可靠导通，对触发脉冲也有一定的要求，也就引入了触发延迟的概念。

2.2　直流升降压斩波电路

直流升降压斩波电路是经典DC-DC的一种，其Simulink仿真模型如图3所示，选择脉冲占空比a为60%，经过理论计算其输出电压Uo=a/[(1-a)E]=75 V，由于晶闸管关断后电感L存储的能量向负载释放的理论原理，故输出为反向，其输出仿真波形如图4所示[1-3]。

实验分析：从输出波形中可观察触发脉冲占空比、负载电流和负载电压波形，且清楚地看出输出电压反向，且输出平均电压为75 V左右，另外实验人员还可在晶闸管侧两端和二极管侧两端连接示波器来观测其电压电流波形，由此可以深入了解升降压斩波电路的能量传输过程，提升认识。

图3直流升降压斩波电路仿真模型

图4　直流升降压斩波电路输出波形

2.3　斩控式交流调压电路

斩控式交流调压电路仿真模型如图5所示，电路常采用GTO、IGBT等全控器件构成，本电路模型选择IGBT来组成。从理论中可知斩波调压电路中电源电流的基波分量相位和电源电压相位基本一致，功率因数很高[6]。在模型中设置脉冲宽度后，进行仿真运行，并将输出电压uo输入scope示波器，将输出数据格式设置为structure with time，即可在powergui中进行FFT分析，观察电路输出电压的谐波。仿真输出如图6所示，输出电压FFT分析如图7所示。

图5斩控调压仿真模型

实验分析：从输出波形可以看到斩波调压的输出 效果达到了预期目的，另外从FFT analysis Tool可看出，输出谐波频率分别为50、450、550、950 Hz等，不包含直流分量，且谐波次数增大的同时输出幅值随之下降，另外，设置不同的脉冲宽度进行多次仿真实验，其基波分量和谐波分量也将发生变化。实验结果与理论分析一致。

图6　斩控调压电路输出波形

2.4　三电平Spwm逆变电路

此处三电平SPWM逆变电路采用三角载波层叠发输出PWM信号来控制[6]。限于篇幅，此处只给出其输出线电压uAC的仿真波形，未给出负载输出电压波形。在FFT analysis Tool中将输出线电压波形和谐波分析即可同时显示出来。仿真模型如图8所示，输出波形和FFT分析图如图9所示。

图8三电平SPWN逆变电路

实验分析:本模型中将输出基频频率设置为50 Hz，0初相，载波频率为2 kHz，图9中上部为选择的输出线电压波形，下部为谐波分析图，从图中可以看出输出谐波分量主要分布在2 kHz附近，如果增加电平数量，线电压和负载输出电压则更加和正弦波接近。

图9　三电平SPWM逆变电路输出仿真分析图

2.5　ZVS-PWM变换器

零电压开关PWM变换器(Zero-Vlotage-Switching PWM Converter)或称软开关，相比准谐振电路，其电压接近于方波，其波形边沿较为平缓，故开关承受电压就可大幅降低。由于开关动作的时候开关的电压为零，故其损耗大幅降低，稳定性即可提高[2]。ZVS-PWM变换器的电路模型仿真如图10所示，其输出电压和电流波形如图11所示。图中Scope输出负载电流和电压，Scope1输出了开关Switch两端电容吸收的电压波形，为了实验观察效果明显，本模型中吸收电容值设置较小。

图10ZVS-PWM变换器仿真模型图

实验分析：从图中可以看出，ZVS电路的基本特性，如果增大吸收电容值，就可以使得吸收电容波动程度降低。根据仿真过程和结果，学生可以更为深刻的理解ZVS开关过程中谐振问题以及开关前后电压电流变化率降低的方法和消除开关损耗的方法，另外学生可以自主不断调整电路参数，使得软开关效果更好。

3　结　语

鉴于传统电力电子变流技术实验的诸多缺点，本文选择了电力电子变流技术的几个难度递增的电路为例，将Simulink仿真引入实验教学与研究中，对重要的整流、逆变、斩波、调压和软开关电路进行了电路的建模及仿真，并对三电平SPWM逆变电路和ZVS-PWM电路利用FFT Analysis Tool进行了傅里叶分析。通过这几个典型的、难度不同的实验过程，不仅能使学生在视觉上直观地看到电路输出结果和需要观测的元件部分工作状况，还能让学生从电路原理分析理解，到电路搭建、参数设定、输出结果观察分析进行全方位深层次理解与研究，弥补了传统实验的只能观测固定参量的缺点。另外学生可将电路傅里叶展开求解后的结果对照Simulink的FFT分析工具进行研究分析，极大改进了传统电力电子变流电路实验的效果。

利用Simulink工具结合理论课程，学生们通过进行电力电子变流电路自主设性计，能极大地促进从传统的验证性实验到设计性、研究性、综合性实验的转变，有利于主动参与实验，深度学习电力电子变流技术。经过几年来我校信息技术国家级实验教学示范中心教学实践，学生们的学习效果有了明显的改善与提高。

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