基于MATLAB的仿真技术在电力电子技术实验中的应用

韩杨杨

1 引言

“电力电子技术”是很多高校电气工程及其自动化专业的一门重要专业课程，是电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的，可以看成是弱电控制强电的技术[1].电力电子技术应用范围十分广泛，从一般工业、交通运输、电力系统到家用电器、各种电源，以及新能源、可再生能源中都有应用[2].该课程主要研究各种电力电子器件的结构和应用特性，以及四大电力变换电路的电路结构、工作原理等，具有很强的理论性、实践性和应用性[3].

虽然电力电子技术课程实践地位重要，但许多新建本科院校实验室建设跟不上，配套设备不够完善，还有一些院校实验器材老化、设备陈旧等问题突出.其中一些实验属于强电实验，具有一定危险性[4]，老师在讲解实验原理并演示操作流程后仍会有部分学生接线或操作等方面出现问题，可能造成对元器件和实验设备的损坏[5].因此，仿真技术应用于该课程实践教学中就显得特别必要了.

2 MATLAB在实验教学中的应用

电子、电气方面的仿真软件很多，综合考虑软件功能、学生能力以及与其它课程的兼容性等因素，选用MATLAB/SIMULINK完成仿真实验教学.SIMULINK的SimPowerSystems库中提供了常用的电力电子器件模块、各种整流、逆变电路模块等[6]，使用它们搭建电力电子电路模型并进行仿真十分方便.利用MATLAB进行仿真实验，学生不仅可以完成规定的实验内容，还可以充分发挥主动性，自行设计实验电路，模拟故障诊断，提高分析和解决问题的能力.另外，对于电气工程专业学生来说，很多设计由于各方面限制而无法做出实物，一些研究工作只能通过仿真来完成[7].学生对MATLAB仿真软件的良好掌握以及分析、设计、综合能力提高，对电力电子技术课程设计以及之后的毕业设计都是很有帮助的.

3 应用实例

现以笔者所在院校为例，详细阐述MATLAB/SIMULINK在电力电子技术实验教学中的应用过程.学院定位为应用型本科院校，特别注重学生创新、实践能力的培养，因此很多课程实践部分单独成课且课时较多，如“电力电子技术实验”为独立课程，1学分，24学时，实验项目数为7—8个，而实验设备台数有限且有部分损坏或存在故障，指导教师任务非常繁重，工作量十分巨大.在这种情况下，把部分实验改成仿真实验是很切实可行的办法，而且仿真软件的学习对学生的分析、设计等实践能力也有提升作用[8].

仿真实验教学中，首先让学生了解实验目的、内容，之后讲解实验电路及原理，最后演示具体实验方法操作，还可以根据学生情况适当增加思考题、附加题.以第一个实验单相半波可控整流电路为例，实验目的是掌握单相半波可控整流电路在电阻负载及阻感负载时的工作原理；了解阻感负载情况下加续流二极管的作用；基本实验内容为单相半波可控整流电路在各种负载情况下的MATLAB仿真（包括元件的选择、仿真电路接法及各模块参数的设置等）.实验电路及工作原理可参考理论课教材，基本电路及波形如图1所示.其中图1(a)为电阻负载的电路及波形，图1(b)为阻感负载的电路及其波形，图1(c)为阻感负载有续流二极管的电路及波形.分析可知，电阻负载时的输出电压ud与输出电流id成正比，输出电压平均值Ud=0.45U2(1+cosα)/2；阻感负载时，由于电感的作用使得电流id不能突变，还使得晶闸管的关断时刻延迟，所以ud波形出现负的部分，其平均值Ud下降（与电阻负载时相比）；阻感负载有续流二极管时，u2正半周时，与没有加续流二极管时的波形相同.当u2过零变负，续流二极管开始导通使得ud＝0，这时u2为负，晶闸管承受反压而关断，因而ud未出现负值，电流id由于电感作用而保持连续.若电感值足够大，可使id连续，且波形接近一条水平线.

图1 单相半波可控整流电路及波形

仿真实验方法，电阻负载的单相半波可控整流电路仿真步骤：

3.1 搭建仿真电路模型

首先运行MATLAB，进入SINMULINK后创建新的模型，在打开的页面中绘制电路的仿真图，如图2所示.

图2 带电阻负载的单相半波可控整流电路仿真图

3.2 设置模块参数

在需要设置参数的模块上双击，会出现参数设置对话框.其中：晶闸管模块采用默认参数，串联RCL支路R＝2Ω（L＝0H，C＝inf）.交流电压源参数设置如图3所示：

图3 交流电压源参数设置

脉冲发生器参数设置（α＝30°），如图4所示：

图4 脉冲发生器参数设置（α＝30°）

3.3 设置仿真参数

在仿真参数设置对话框（点击“Simulation”菜单下的“Configuration parametes”）中，选择 ode23tb算法，开始仿真时间设置为0.0，停止仿真时间设置为0.1.

3.4 仿真

单击工具栏中的仿真按钮开始仿真.仿真结束后，打开示波器可以观察仿真输出结果，如图5所示（其中图5(a)是触发角α＝60°时对应的波形，图5(b)是触发角α＝90°时对应的波形）.五个波形从上到下依次为：触发信号、晶闸管上流过的电流、晶闸管上承受的电压、输出电压Ud、（二次侧）输入电压U2.结果和图1(a)中的波形进行比较，调整触发角α的大小，要求得到 α＝0°、30°、60°及 90°的输出波形，观察并记录之.

图5 电阻负载的单相半波可控整流电路仿真波形

阻感负载的单相半波可控整流电路的仿真方法与带电阻负载时基本相同.只需将RLC串联分支参数改为阻感负载.在本例中，设置电阻R=2,L=0.01H,电容为inf.仿真完成后，示波器波形如图6所示（其中图6(a)是触发角α＝30°时对应的波形，图6(b)是触发角α＝90°时对应的波形）.六个波形从上到下依次为：触发信号、晶闸管上流过的电流、晶闸管上承受的电压、输出电压Ud、输出电流Id、（二次侧）输入电压U2.结果和图1(b)中的波形进行比较，改变触发角α大小，要求得到α＝0°、30°、60°及90°对应的输出波形，观察并记录之.

图6 阻感负载的单相半波可控整流电路仿真波形

把阻感负载时的仿真电路加上续流二极管，设置好参数，α取不同值，进行仿真，仿真电路如图7所示.

图7 阻感负载有续流二极管的单相半波可控整流电路仿真图

仿真完成后，观察示波器波形，如图8所示（其中图 8(a)是 L＝0.01H（α＝30°）时对应的波形，图 8(b)是 L＝0.1H（α＝60°）时对应的波形），结果与图 1(c)中的波形进行比较，理解续流二极管的作用.改变触发角α及电感L大小，要求得到不同L值下，α＝0°、30°、60°及 90°对应的输出波形，分别记录之.

4 结语

图8 阻感负载有续流二极管的单相半波可控整流电路仿真波形

根据应用型本科院校的教学要求，考虑学院实际情况并结合课程自身特点，将仿真技术引入到电力电子技术实验教学中.经过一段时间的观察和了解，发现通过仿真实验学生对电路工作原理的理解加深了，学习更加积极，采用这种模式可以激发学生对该课程的兴趣，变被动为主动，提高学习效率，也可以减少因实验设备等问题对教学效果的影响，教学质量也有很大提升.借助MATLAB仿真软件进行电路分析和研究，可以更好地培养学生综合、创新能力，为下一阶段的课程设计和毕业设计等打下良好基础.