MATLAB仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

張鵬

（渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南 714000）

電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是借助電力電子器件（如晶閘管、GTO、IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)[1]。該課程已成為電氣工程及其自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。以單相交流調(diào)壓電路的性能研究實驗為例，將MATLAB仿真技術(shù)引入到的實驗教學(xué)中，對于幫助學(xué)生加深理解能夠起到事半功倍的效果。

1 MATLAB軟件特點

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。將其引入到電力電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)中具有很多好處，其仿真圖形直觀逼真、器件參數(shù)可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不用擔(dān)心元器件損壞，也沒有任何危險性，學(xué)生若能在實驗課前能獨立完成仿真環(huán)節(jié)，對實驗課程的效果幫助很大。

2 單相交流調(diào)壓電路基本教學(xué)及存在難點問題

交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟啟動，也用于異步電動機調(diào)速[2-4]。交流調(diào)壓電路是指把交流電能的參數(shù)（幅值、頻率、相位）加以變換的電路。根據(jù)變換參數(shù)的不同，交流調(diào)壓電路可分為交流電力控制電路和交—交變頻電路[5－6]。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，交流調(diào)壓電路有交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路兩種。圖1為單相交流調(diào)壓電路原理圖，主電路由VT1和VT2兩個晶閘管反向并聯(lián)構(gòu)成，通過控制晶閘管在每一個電源周期內(nèi)導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，來實現(xiàn)負(fù)載的交流調(diào)壓。

圖1 單相交流調(diào)壓電路原理圖Fig.1 Single－phase AC voltage regulator circuit schematics

單相交流調(diào)壓電路可以根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同可分為電阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載，電阻性負(fù)載的控制角的移相范圍為0～π， 阻感性負(fù)載的控制角的移相范圍為 φ～180°。 在 ωt=α?xí)r，對VT1施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT1正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在ωt=π時，電源電壓過零，因電阻性負(fù)載，電流也是零，VT1自然關(guān)斷。在ωt=π+α?xí)r，對VT2施加觸發(fā)脈沖，當(dāng)VT2正向偏置而導(dǎo)通時，負(fù)載電壓波形與電源電壓波形相同；在ωt=2π時，電源電壓過零，VT2自然關(guān)斷。

通過上述教學(xué)過程，學(xué)生對單相交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)、工作原理及功率器件的控制方式有了基本的認(rèn)識，難點則集中在于影響因素的分析，由于這部分內(nèi)容計算復(fù)雜，且在實驗過程中又難以觀測，教師在講解起來十分困難，而學(xué)生沒有直觀的接觸學(xué)習(xí)起來也難以理解。因此，引入MATLAB仿真工具是解決上述問題的一個有效途徑。

3 單相交流調(diào)壓電路分析

3.1 純電阻負(fù)載

交流調(diào)壓電路的工作情況與負(fù)載的性質(zhì)有十分重要的關(guān)系[7－8]，圖1中負(fù)載為純電阻負(fù)載，其中晶閘管 VT1和 VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。

純電阻負(fù)載時，負(fù)載電壓的有效值為式（1）：

因為是純電阻負(fù)載，因此負(fù)載電流的有效值的計算式為式（2）：

晶閘管電流的有效值為式（3）：

上式中，U0為負(fù)載電壓，U1為電源電壓，α為觸發(fā)控制角，R為負(fù)載電阻。

3.2 阻感負(fù)載

阻感負(fù)載是比較常見的情況，設(shè)負(fù)載的阻抗角為φ=arctan（wl/R）。為了方便討論，把α=0的時刻仍定在電源電壓過零的時刻，顯然，阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時α的移相范圍為φ≤α≤π。純電阻負(fù)載時，阻感負(fù)載時，負(fù)載電壓的有效值為式（4）：

上式中，θ為導(dǎo)通角。

晶閘管電流有效值為式（5）：

3.3 負(fù)載電壓諧波分析

由于負(fù)載電壓不是正弦波，含有大量諧波，由于波形正負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波，負(fù)載電壓用傅立葉級數(shù)表示為式（7）：

上式中，Z為阻感負(fù)載的阻抗值，φ為阻抗角。

負(fù)載電流有效值為式（6）：

上式中，an和bn為波形系數(shù)。

各次諧波電壓有效值為式（8）：

負(fù)載電流各次諧波有效值為式（9）：

4 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比分析

為了便于比較，在仿真中和試驗中采用相同的參數(shù)，并且在仿真中運用FFT工具對負(fù)載波形進(jìn)行了定量的分析。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

在參數(shù)設(shè)置上，負(fù)載電感L=200mH。當(dāng)觸發(fā)角為α=60°時，圖2為仿真時負(fù)載電壓波形及FFT分析的結(jié)果，圖3為實驗時負(fù)載電壓波形。圖4和圖5觸發(fā)角為α=120°時，為仿真時負(fù)載電壓波形及FFT分析的結(jié)果。通過對比圖2、4和圖、5，可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合，但是存在一定的偏差，仿真波形在0.01 s前顯示了阻感負(fù)載的啟動過程，而在實際實驗過程中由于這個過程的時間非常短暫，往往難以觀測到。另外在實驗結(jié)果中晶閘管出現(xiàn)了尖峰電壓，而在仿真中沒有觀測到，這與仿真模型的精度有很大關(guān)系。FFT分析的結(jié)果與理論結(jié)果也是相符合的。

圖2 α=60°仿真時負(fù)載電壓波形及FFT分析Fig.2 Load voltagewaveform and FFT analysis in simulation when α=60°

圖3 α=60°實驗時負(fù)載電壓波形Fig.3 Load voltagewaveform in experimentswhen α=60°

圖4 α=120°仿真時負(fù)載電壓波形及FFT分析Fig.4 Load voltagewaveform and FFT analysis in simulation when α=120°

圖5 α=120°實驗時負(fù)載電壓波形Fig.5 Load voltagewaveform in experimentswhen α=120°

在課后，還可以要求學(xué)生自行設(shè)計參數(shù)，觀測試驗的結(jié)果，總結(jié)各參數(shù)對輸出特性的影響。這樣既加深了學(xué)生的理解，又可以使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。因此，利用仿真工具進(jìn)行說明這些教學(xué)難點問題，可以獲得很好的教學(xué)效果。

5 結(jié)束語

電力電子技術(shù)課程實驗教學(xué)是理論教學(xué)的重要補充，對于學(xué)生深入理解課程內(nèi)容有很大作用。但是，目前實驗課程課時較少，學(xué)生在實驗過程中對實驗臺不熟悉，操作費時耗力，該實驗又屬于強電實驗，有一定危險性，學(xué)生只能完成規(guī)定動作，不敢對疑慮的問題進(jìn)行實際驗證，這些原因?qū)е铝藢嶒灲虒W(xué)的效果往往不佳。以交流調(diào)壓電路為例，將Matlab仿真技術(shù)引入到電力電子技術(shù)實驗課程中，仿真結(jié)果十分接近實驗結(jié)果，并對照實驗結(jié)果進(jìn)行了分析，大大的克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，加深了學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，是一種十分好的方法。

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