基于MATLAB的電力電子電路仿真實驗平臺

劉恒娟

（上海市城市科技學校建筑工程系，上海201601）

0 引 言

電力電子技術是電氣工程及相關電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，既有繁多復雜的理論推導分析，又有極強的工程實踐性［1-2］。目前各學校廣泛采取課堂講授理論與實驗室操作實踐相結(jié)合的教學模式［3］。但是由于在電力電子電路實驗教學中，存在設備投資和維護費用高、在高壓下操作存在安全風險等局限，難以達到實驗教學的預期效果，因此迫切需要進行教學改革［4］。

近年來，隨著計算機科學技術的發(fā)展進步，虛擬仿真平臺已成為電力電子電路實驗教學的熱點，且得到了各學校的高度重視和積極研制［5］。

為了節(jié)省實驗設備的投資和維護費用，提高操作的安全性，筆者利用Matlab 強大的電路仿真工具Simulink、便捷的用戶圖形界面（Graphical User Interface，GUI）技術和M 語言構(gòu)建了一套電力電子電路虛擬仿真平臺［6］。此平臺能夠能實現(xiàn)人機交互，使得學生在不懂Matlab基礎知識的情況下，僅進行簡單界面操作就能開展仿真實驗，進而與課堂理論授課互補［7-8］。文中以單相全控橋式整流阻性負載電路為教學案例，闡述基于Matlab的電力電子電路虛擬仿真實驗平臺的建立過程和實現(xiàn)方法。

1 GUI設計

基于Matlab 的電力電子電路仿真實驗平臺，采用Matlab的用戶圖形界面GUI 技術進行界面設計，可以開設整流電路、逆變電路、直流斬波電路和交流變換電路共4 個模塊及26 個仿真實驗項目［9］?？砷_設的仿真實驗項目如圖1 所示。

圖1 可開設的仿真實驗項目

每個仿真實驗項目對應一個界面，一共有26 個界面。每個界面可以分為5 個功能區(qū)，即菜單區(qū)、電路原理圖區(qū)、參數(shù)設定區(qū)、按鈕功能區(qū)和仿真波形區(qū)。圖形界面簡潔明了，操作簡單，能充分調(diào)動學生的學習熱情。

菜單區(qū)用于讓學生選擇要進行的仿真實驗項目，從而進入相應的界面，如圖2 所示。

圖2 界面菜單區(qū)

電路原理圖區(qū)用于顯示要仿真的實驗項目原理圖，讓學生了解電路的結(jié)構(gòu)，分析電路的工作原理。

參數(shù)設定區(qū)用來設定仿真電路的相關參數(shù)，如輸入電壓值、頻率、觸發(fā)脈沖移相角、負載阻抗和占空比等等。

按鈕功能區(qū)實現(xiàn)仿真和顯示Simulink 模型的功能。

仿真波形區(qū)顯示Simulink 模型運行后的仿真結(jié)果，流過負載的電流波形、晶閘管端電壓波形和負載端電壓波形等。仿真后波形隨著設定參數(shù)的變化而變化，界面如圖3 所示。

2 Simulink建模

單相全控橋式阻性負載整流電路是電力電子技術中應用最廣泛的電路之一，由單相交流電源、電阻、四個晶閘管和觸發(fā)電路組成。該電路的仿真過程可以分為搭建仿真模型、設定仿真參數(shù)的、輸出仿真結(jié)果和仿真結(jié)果分析［10］。

2.1 搭建仿真模型

在Simulink 環(huán)境下，依據(jù)電路原理圖，選擇SimPowerSystems模塊庫中的的相應元件模塊并移動、連接，即可完成仿真實驗電路的搭建，如圖4 所示。

四個晶閘管并聯(lián)RC保護電路組成的全控橋結(jié)構(gòu)復雜，因此可以選擇Subsystem，將其封裝為一個子系統(tǒng)，如圖5 所示。

2.2 設定仿真參數(shù)

通過設定電路參數(shù)進行仿真，觀測電路參數(shù)變化對電路波形的影響。根據(jù)需求和實際輸出情況對仿真參數(shù)進行反復更改和修正，以達到最佳的觀察與分析效果（見表1）。

圖3 單相全控橋式整流阻性負載電路的仿真界面

圖4 單相全控橋式整流阻性負載電路的仿真模型

圖5 全控橋仿真模型

表1 仿真參數(shù)設定

2.3 輸出仿真結(jié)果

設定仿真參數(shù)后，運行仿真，可以得到負載端電壓ud的仿真波形、晶閘管端電壓uak的仿真波形和流過負載的電流id的仿真波形。改變仿真參數(shù)可以改變仿真波形［11］。

在Simulink 中構(gòu)建的模型，通過實現(xiàn)GUI 與Simulink之間的參數(shù)調(diào)用，可以使仿真結(jié)果在GUI 上顯示，如圖3 所示；也可直接用Simulink 中的示波器Scope模塊進行觀察，如圖6 所示。

2.4 仿真結(jié)果分析

在輸入電壓的U2一個周期2π內(nèi)，觸發(fā)脈沖移相角α的移相范圍是0 ～π，則：

晶閘管所承受的最大正向電壓

式（1）～（4）分別與圖6 中的仿真波形相吻合。從圖4 可以看出，仿真所得負載端電壓平均值Ud＝38． 3 V，流過負載的電流平均值Id＝3． 83 A。式（5）和式（6）的計算結(jié)果分別為Ud＝38． 4 V和Id＝3． 84 A。因此，仿真波形和仿真數(shù)據(jù)跟理論分析計算結(jié)果基本一致。

3 M文件編制

通過對菜單選項和各個控件編寫回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)各項功能［12］。GUI 調(diào)用Simulink 模型數(shù)據(jù)的困難在于參數(shù)的傳遞?？梢詫imulink模型中的元件相關參數(shù)如晶閘管的移相角、輸入電壓值、頻率、阻抗等利用M腳本語言設置成全局變量，然后在GUI 中設置后再利用set_param 等函數(shù)傳遞給Simulink。主要實現(xiàn)代碼如下：

global x；

%設置全局變量

I ＝imread（＇pic／ dxqkqzldz． bmp＇）；

%讀取名為dxqkqzldz． bmp的電路原理圖

imshow（I）；

%顯示名為dxqkqzldz． bmp的電路原理圖

load_system（＇dxqkqzldz＇）；

%加載Simulink模型［13］

set_param（＇dxqkqzldz／ Series RLC Branch2＇，＇a＇，a1）；

%設定電阻值

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇PhaseDelay＇，g1）；

%設定觸發(fā)脈沖1的相位

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇Period＇，k1）；

%設定觸發(fā)脈沖1的周期

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇PhaseDelay＇，q1）；

%設定觸發(fā)脈沖2的相位

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇Period＇，k1）；

%設定脈沖觸發(fā)脈沖2的周期

set_param（＇dxqkqzldz／ AC Voltage Source＇，＇F＇，h1）；

%設定單相交流電源的頻率

set_param（＇dxqkqzldz／ AC Voltage Source＇，＇A＇，e1）；

%設定單相交流電源電壓的幅值

set_param（＇dxqkqzldz＇，＇StopTime＇，l1）；

%設定仿真結(jié)束時間

save_system（＇dxqkqzldz＇）；

%保存模型

sim（＇dxqkqzldz＇）；

%啟動仿真［14］

axes（handles． axes1）；

%將axes1做為當前坐標軸

plot （simout1． time， simout1． signals． values，’ r ’，’LineWidth’，2． 5）；

%繪制二維圖像

4 打包發(fā)布

將本虛擬仿真實驗平臺打包為一個名為“電力電子電路仿真實驗平臺． exe”的可執(zhí)行文件。雙擊此文件名后根據(jù)提示一步步操作即可安裝成功并使用。安裝程序如圖7 所示。

圖7 安裝程序

5 結(jié) 語

通過單相全控橋式整流阻性負載電路教學案例，應用Matlab 的GUI 技術、Simulink 仿真工具和M 語言，闡述了一套低成本、高可靠性的電力電子電路仿真實驗平臺。相比于目前傳統(tǒng)實驗教學方法，該平臺賦予了電力電子電路實驗顯著的便利，能夠節(jié)省實驗設備的投資和維護費用，提高操作的安全性，還能夠讓學生直觀準確地分析電路、觀測波形。在需要的情況下還可以通過仿真來驗證理論推導結(jié)果，以促進概念的理解，增加授課的靈活性，提高教學效果［15-16］。