基于MATLAB/SIMULINK的電力電子實(shí)驗(yàn)仿真

周志剛，敖章洪

（湖南文理學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

基于MATLAB/SIMULINK的電力電子實(shí)驗(yàn)仿真

周志剛，敖章洪

（湖南文理學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

電力電子技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,為加深理論知識(shí)，加強(qiáng)該門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本文提出了一種基于MATLAB/SIMULINK實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的仿真平臺(tái)，并建立了三相半波可控整流電路的動(dòng)態(tài)仿真模型，給出了仿真實(shí)例并驗(yàn)證了模型的正確性，從而為電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)有效的輔助工具.

電力電子實(shí)驗(yàn)；SIMULINK；動(dòng)態(tài)模型；仿真

電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域當(dāng)電子技術(shù)，是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)[1].它是20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新的技術(shù),如今已發(fā)展成了一門(mén)橫跨電子、電力和控制三個(gè)領(lǐng)域的新型工程技術(shù)科學(xué).作為電氣工程及其自動(dòng)化等電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,電力電子技術(shù)是適應(yīng)性、工程性和綜合性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中占有十分重要的地位.由于實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)不足和實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)等原因，使學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)減少；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少且較簡(jiǎn)單；并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在老化、接觸不良等問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論知識(shí)不符或存在較大差異；而且，由于在高壓下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)對(duì)器件和操作者也有一定的危險(xiǎn).因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)合工具軟件進(jìn)行仿真是該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中值得探討的問(wèn)題.本文基于MATLAB仿真軟件對(duì)三相半波可控整流電路進(jìn)行了建模和仿真，并得出了相應(yīng)的仿真結(jié)果,對(duì)電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有較高的參考價(jià)值.

1 SIMULINK仿真環(huán)境介紹

Math-works公司推出的基于MATLAB平臺(tái)的Simulink是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中廣為應(yīng)用的仿真集成工具之一,它在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2].Simulink環(huán)境下可以使用的電力系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)（Power System Blockset）主要由加拿大的Hydro Queboc和TECSIM International公司共同開(kāi)發(fā)的，其功能非常強(qiáng)大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域的仿真，提供一種類(lèi)似電路搭建的方法用于系統(tǒng)模型的繪制[2].在Simulink環(huán)境下，電路元器件的模型和系統(tǒng)的函數(shù)都可用框圖來(lái)表達(dá)，框圖之間的連線表示信號(hào)流動(dòng)的方向，用戶只要學(xué)習(xí)圖形界面的使用方法和熟悉模型庫(kù)的內(nèi)容，就可以很方便地進(jìn)行系統(tǒng)和電路的仿真.

在電力系統(tǒng)工具箱(Simpower System Blockset)中有一個(gè)電力電子器件模塊庫(kù)（Power Electronies）,在此模塊庫(kù)中包含了理想開(kāi)關(guān)元器件、二極管、晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵極雙極晶閘管、通用整流橋及兩個(gè)附加的控制模塊組等基本模塊.

MATLAB/SIMULINK仿真過(guò)程如下[3]：

（1）新建模型文件.在SIMULINK下建立一仿真模型的新文件，用以存放仿真電路模型.

（2）提取電路元器件模塊.分別調(diào)取SimPowerSystems中相應(yīng)的模塊拖放入仿真平臺(tái).

（3）建立仿真模型.將電路元器件模塊按電原理圖連接起來(lái)搭建仿真模型.

（4）設(shè)置模型參數(shù).雙擊模塊圖標(biāo)，打開(kāi)模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，根據(jù)需要輸入各參數(shù).

（5）仿真結(jié)果.在參數(shù)設(shè)置完畢后即可開(kāi)始仿真，在菜單Simulation下選擇Start，或者直接點(diǎn)擊工具欄上的“start sinmulation”按鈕，仿真立即開(kāi)始，雙擊示波器，可彈出示波器窗口顯示輸出波形.中途若要停止仿真可以選擇Stop或工具欄上的按鈕.

2 電路的建模及仿真

三相半波可控整流電路原理圖如圖1所示.電路由變壓器T、共陰極組晶閘管和負(fù)載組成，通過(guò)對(duì)3只晶閘管進(jìn)行適時(shí)的觸發(fā)，把交流變?yōu)橹绷?，同時(shí)可以通過(guò)改變控制角調(diào)節(jié)直流側(cè)的平均電壓.該電路的仿真過(guò)程如下.

圖1 三相半波可控整流電路

2.1 仿真模型建立

（1）建立仿真模型新文件.并重命名為sxbbzl.

（2）提取電路元器件模塊.分別調(diào)取SimPowerSystems中相應(yīng)的模塊拖放入仿真平臺(tái).

（3）將電路元器件模塊按圖1連接起搭建仿真模型，如圖2所示.

2.2 模型參數(shù)的設(shè)置

圖2 三相半波可控整流電路仿真模型

2.2.1 對(duì)稱(chēng)三相交流電源參數(shù)設(shè)置

有效值設(shè)置為220V，頻率為50Hz，相位分別為0°、-120°、120°，其它為默認(rèn)值.

2.2.2 晶閘管參數(shù)設(shè)置

橋臂數(shù)取3，對(duì)稱(chēng)三相交流電源接整流橋輸入端，電力電子元件選擇晶閘管，其它為默認(rèn)值.

2.2.3 脈沖觸發(fā)器設(shè)置

頻率為50Hz，脈沖寬度取3.6°.

2.2.4 仿真參數(shù)設(shè)置

開(kāi)始仿真時(shí)間為0，停止仿真時(shí)間為0.02S，選擇ode23tb算法，仿真誤差為1e-3.

2.3 模型仿真

2.3.1 電阻性負(fù)載

設(shè)置負(fù)載參數(shù)：選擇R=45Ω，L=0H，C=inf.觸發(fā)角分別設(shè)置為30°、60°.啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示.

圖3 電阻性負(fù)載α=30°時(shí)整流電路輸出波形

圖4 電阻性負(fù)載α=60°時(shí)整流電路輸出波形

由圖3和圖4可以看出，當(dāng)電阻性負(fù)載時(shí)，輸出電壓和電流波形相同.在α<30°時(shí)，負(fù)載電流波形連續(xù)；在α>30°時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù).隨著控制角α的增大，整流輸出電壓平均值降低.

2.3.2 阻感負(fù)載

設(shè)置負(fù)載參數(shù)：選擇 R=45Ω，L=0.1H，C=inf.觸發(fā)角設(shè)置為60°.啟動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 阻感性負(fù)載α=60°時(shí)整流電路輸出波形

由圖可見(jiàn)，電壓波形出現(xiàn)負(fù)的部分，在電感較大的情況下，負(fù)載電流連續(xù).若將阻感負(fù)載中的電感改為1H，觸發(fā)角維持為60°，負(fù)載電壓和電流波形如圖6所示.由圖可見(jiàn)，在相同的控制角下，負(fù)載中的電感越大，電感平波的效果越好，整流輸出電流波形越平穩(wěn).

圖6 阻感性負(fù)載α=60°時(shí)整流電路輸出波形（L較大）

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上介紹、分析可見(jiàn)，利用MATLAB/SIMULINK對(duì)電力電子電路進(jìn)行仿真，只要將所需元器件模型用鼠標(biāo)拖入工作窗口，然后根據(jù)仿真電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連好電路，仿真模型便自動(dòng)生成，設(shè)置好各元件參數(shù)和仿真參數(shù)后即可進(jìn)行仿真.通過(guò)改變參數(shù)（負(fù)載和控制角），便得到各輸出量對(duì)應(yīng)不同條件下的波形，使教學(xué)更具有實(shí)時(shí)性、直觀性，使學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)時(shí)能獲得形象生動(dòng)的仿真效果，加深有關(guān)理論知識(shí)的掌握，便于學(xué)生更好地、牢固地掌握電力電子技術(shù)這門(mén)課程的有關(guān)知識(shí)，同時(shí)也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足.

〔1〕王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

〔2〕周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社,2003.

〔3〕李家坤,劉姣姣.MATLAB仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(1):75-77.

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