基于MATLAB的仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用

韓楊楊

1 引言

“電力電子技術(shù)”是很多高校電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，是電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的，可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)[1].電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，從一般工業(yè)、交通運輸、電力系統(tǒng)到家用電器、各種電源，以及新能源、可再生能源中都有應(yīng)用[2].該課程主要研究各種電力電子器件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性，以及四大電力變換電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理等，具有很強(qiáng)的理論性、實踐性和應(yīng)用性[3].

雖然電力電子技術(shù)課程實踐地位重要，但許多新建本科院校實驗室建設(shè)跟不上，配套設(shè)備不夠完善，還有一些院校實驗器材老化、設(shè)備陳舊等問題突出.其中一些實驗屬于強(qiáng)電實驗，具有一定危險性[4]，老師在講解實驗原理并演示操作流程后仍會有部分學(xué)生接線或操作等方面出現(xiàn)問題，可能造成對元器件和實驗設(shè)備的損壞[5].因此，仿真技術(shù)應(yīng)用于該課程實踐教學(xué)中就顯得特別必要了.

2 MATLAB在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

電子、電氣方面的仿真軟件很多，綜合考慮軟件功能、學(xué)生能力以及與其它課程的兼容性等因素，選用MATLAB/SIMULINK完成仿真實驗教學(xué).SIMULINK的SimPowerSystems庫中提供了常用的電力電子器件模塊、各種整流、逆變電路模塊等[6]，使用它們搭建電力電子電路模型并進(jìn)行仿真十分方便.利用MATLAB進(jìn)行仿真實驗，學(xué)生不僅可以完成規(guī)定的實驗內(nèi)容，還可以充分發(fā)揮主動性，自行設(shè)計實驗電路，模擬故障診斷，提高分析和解決問題的能力.另外，對于電氣工程專業(yè)學(xué)生來說，很多設(shè)計由于各方面限制而無法做出實物，一些研究工作只能通過仿真來完成[7].學(xué)生對MATLAB仿真軟件的良好掌握以及分析、設(shè)計、綜合能力提高，對電力電子技術(shù)課程設(shè)計以及之后的畢業(yè)設(shè)計都是很有幫助的.

3 應(yīng)用實例

現(xiàn)以筆者所在院校為例，詳細(xì)闡述MATLAB/SIMULINK在電力電子技術(shù)實驗教學(xué)中的應(yīng)用過程.學(xué)院定位為應(yīng)用型本科院校，特別注重學(xué)生創(chuàng)新、實踐能力的培養(yǎng)，因此很多課程實踐部分單獨成課且課時較多，如“電力電子技術(shù)實驗”為獨立課程，1學(xué)分，24學(xué)時，實驗項目數(shù)為7—8個，而實驗設(shè)備臺數(shù)有限且有部分損壞或存在故障，指導(dǎo)教師任務(wù)非常繁重，工作量十分巨大.在這種情況下，把部分實驗改成仿真實驗是很切實可行的辦法，而且仿真軟件的學(xué)習(xí)對學(xué)生的分析、設(shè)計等實踐能力也有提升作用[8].

仿真實驗教學(xué)中，首先讓學(xué)生了解實驗?zāi)康?、?nèi)容，之后講解實驗電路及原理，最后演示具體實驗方法操作，還可以根據(jù)學(xué)生情況適當(dāng)增加思考題、附加題.以第一個實驗單相半波可控整流電路為例，實驗?zāi)康氖钦莆諉蜗喟氩煽卣麟娐吩陔娮柝?fù)載及阻感負(fù)載時的工作原理；了解阻感負(fù)載情況下加續(xù)流二極管的作用；基本實驗內(nèi)容為單相半波可控整流電路在各種負(fù)載情況下的MATLAB仿真（包括元件的選擇、仿真電路接法及各模塊參數(shù)的設(shè)置等）.實驗電路及工作原理可參考理論課教材，基本電路及波形如圖1所示.其中圖1(a)為電阻負(fù)載的電路及波形，圖1(b)為阻感負(fù)載的電路及其波形，圖1(c)為阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形.分析可知，電阻負(fù)載時的輸出電壓ud與輸出電流id成正比，輸出電壓平均值Ud=0.45U2(1+cosα)/2；阻感負(fù)載時，由于電感的作用使得電流id不能突變，還使得晶閘管的關(guān)斷時刻延遲，所以ud波形出現(xiàn)負(fù)的部分，其平均值Ud下降（與電阻負(fù)載時相比）；阻感負(fù)載有續(xù)流二極管時，u2正半周時，與沒有加續(xù)流二極管時的波形相同.當(dāng)u2過零變負(fù)，續(xù)流二極管開始導(dǎo)通使得ud＝0，這時u2為負(fù)，晶閘管承受反壓而關(guān)斷，因而ud未出現(xiàn)負(fù)值，電流id由于電感作用而保持連續(xù).若電感值足夠大，可使id連續(xù)，且波形接近一條水平線.

圖1 單相半波可控整流電路及波形

仿真實驗方法，電阻負(fù)載的單相半波可控整流電路仿真步驟：

3.1 搭建仿真電路模型

首先運行MATLAB，進(jìn)入SINMULINK后創(chuàng)建新的模型，在打開的頁面中繪制電路的仿真圖，如圖2所示.

圖2 帶電阻負(fù)載的單相半波可控整流電路仿真圖

3.2 設(shè)置模塊參數(shù)

在需要設(shè)置參數(shù)的模塊上雙擊，會出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框.其中：晶閘管模塊采用默認(rèn)參數(shù)，串聯(lián)RCL支路R＝2Ω（L＝0H，C＝inf）.交流電壓源參數(shù)設(shè)置如圖3所示：

圖3 交流電壓源參數(shù)設(shè)置

脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)置（α＝30°），如圖4所示：

圖4 脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)置（α＝30°）

3.3 設(shè)置仿真參數(shù)

在仿真參數(shù)設(shè)置對話框（點擊“Simulation”菜單下的“Configuration parametes”）中，選擇 ode23tb算法，開始仿真時間設(shè)置為0.0，停止仿真時間設(shè)置為0.1.

3.4 仿真

單擊工具欄中的仿真按鈕開始仿真.仿真結(jié)束后，打開示波器可以觀察仿真輸出結(jié)果，如圖5所示（其中圖5(a)是觸發(fā)角α＝60°時對應(yīng)的波形，圖5(b)是觸發(fā)角α＝90°時對應(yīng)的波形）.五個波形從上到下依次為：觸發(fā)信號、晶閘管上流過的電流、晶閘管上承受的電壓、輸出電壓Ud、（二次側(cè)）輸入電壓U2.結(jié)果和圖1(a)中的波形進(jìn)行比較，調(diào)整觸發(fā)角α的大小，要求得到 α＝0°、30°、60°及 90°的輸出波形，觀察并記錄之.

圖5 電阻負(fù)載的單相半波可控整流電路仿真波形

阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路的仿真方法與帶電阻負(fù)載時基本相同.只需將RLC串聯(lián)分支參數(shù)改為阻感負(fù)載.在本例中，設(shè)置電阻R=2,L=0.01H,電容為inf.仿真完成后，示波器波形如圖6所示（其中圖6(a)是觸發(fā)角α＝30°時對應(yīng)的波形，圖6(b)是觸發(fā)角α＝90°時對應(yīng)的波形）.六個波形從上到下依次為：觸發(fā)信號、晶閘管上流過的電流、晶閘管上承受的電壓、輸出電壓Ud、輸出電流Id、（二次側(cè)）輸入電壓U2.結(jié)果和圖1(b)中的波形進(jìn)行比較，改變觸發(fā)角α大小，要求得到α＝0°、30°、60°及90°對應(yīng)的輸出波形，觀察并記錄之.

圖6 阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路仿真波形

把阻感負(fù)載時的仿真電路加上續(xù)流二極管，設(shè)置好參數(shù)，α取不同值，進(jìn)行仿真，仿真電路如圖7所示.

圖7 阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路仿真圖

仿真完成后，觀察示波器波形，如圖8所示（其中圖 8(a)是 L＝0.01H（α＝30°）時對應(yīng)的波形，圖 8(b)是 L＝0.1H（α＝60°）時對應(yīng)的波形），結(jié)果與圖 1(c)中的波形進(jìn)行比較，理解續(xù)流二極管的作用.改變觸發(fā)角α及電感L大小，要求得到不同L值下，α＝0°、30°、60°及 90°對應(yīng)的輸出波形，分別記錄之.

4 結(jié)語

圖8 阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路仿真波形

根據(jù)應(yīng)用型本科院校的教學(xué)要求，考慮學(xué)院實際情況并結(jié)合課程自身特點，將仿真技術(shù)引入到電力電子技術(shù)實驗教學(xué)中.經(jīng)過一段時間的觀察和了解，發(fā)現(xiàn)通過仿真實驗學(xué)生對電路工作原理的理解加深了，學(xué)習(xí)更加積極，采用這種模式可以激發(fā)學(xué)生對該課程的興趣，變被動為主動，提高學(xué)習(xí)效率，也可以減少因?qū)嶒炘O(shè)備等問題對教學(xué)效果的影響，教學(xué)質(zhì)量也有很大提升.借助MATLAB仿真軟件進(jìn)行電路分析和研究，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合、創(chuàng)新能力，為下一階段的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等打下良好基礎(chǔ).