基于MATLAB/SIMULINK的电力电子实验仿真

周志刚，敖章洪

（湖南文理学院 电气与信息工程学院，湖南 常德 415000）

基于MATLAB/SIMULINK的电力电子实验仿真

周志刚，敖章洪

（湖南文理学院 电气与信息工程学院，湖南 常德 415000）

电力电子技术是一门实践性很强的专业基础课,为加深理论知识，加强该门课程的实验教学效果，本文提出了一种基于MATLAB/SIMULINK实验的设计思想，开发出相应的仿真平台，并建立了三相半波可控整流电路的动态仿真模型，给出了仿真实例并验证了模型的正确性，从而为电力电子实验教学提供了一个有效的辅助工具.

电力电子实验；SIMULINK；动态模型；仿真

电力电子技术是应用于电力领域当电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术[1].它是20世纪后半叶发展起来的一门崭新的技术,如今已发展成了一门横跨电子、电力和控制三个领域的新型工程技术科学.作为电气工程及其自动化等电类专业的学生,电力电子技术是适应性、工程性和综合性很强的专业课程，电力电子技术实验在教学中占有十分重要的地位.由于实验课学时不足和实验设备台套数等原因，使学生动手机会减少；实验项目少且较简单；并且实验设备存在老化、接触不良等问题，使实验结果与理论知识不符或存在较大差异；而且，由于在高压下进行的实验对器件和操作者也有一定的危险.因此，实验结合工具软件进行仿真是该课程实验教学中值得探讨的问题.本文基于MATLAB仿真软件对三相半波可控整流电路进行了建模和仿真，并得出了相应的仿真结果,对电力电子实验教学具有较高的参考价值.

1 SIMULINK仿真环境介绍

Math-works公司推出的基于MATLAB平台的Simulink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一,它在各个领域得到广泛的应用[2].Simulink环境下可以使用的电力系统仿真模块库（Power System Blockset）主要由加拿大的Hydro Queboc和TECSIM International公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用于系统模型的绘制[2].在Simulink环境下，电路元器件的模型和系统的函数都可用框图来表达，框图之间的连线表示信号流动的方向，用户只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地进行系统和电路的仿真.

在电力系统工具箱(Simpower System Blockset)中有一个电力电子器件模块库（Power Electronies）,在此模块库中包含了理想开关元器件、二极管、晶闸管、可关断晶闸管、功率MOS场效应管、绝缘栅极双极晶闸管、通用整流桥及两个附加的控制模块组等基本模块.

MATLAB/SIMULINK仿真过程如下[3]：

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

（2）提取电路元器件模块.分别调取SimPowerSystems中相应的模块拖放入仿真平台.

（3）建立仿真模型.将电路元器件模块按电原理图连接起来搭建仿真模型.

（4）设置模型参数.双击模块图标，打开模块参数设置对话框，根据需要输入各参数.

（5）仿真结果.在参数设置完毕后即可开始仿真，在菜单Simulation下选择Start，或者直接点击工具栏上的“start sinmulation”按钮，仿真立即开始，双击示波器，可弹出示波器窗口显示输出波形.中途若要停止仿真可以选择Stop或工具栏上的按钮.

2 电路的建模及仿真

三相半波可控整流电路原理图如图1所示.电路由变压器T、共阴极组晶闸管和负载组成，通过对3只晶闸管进行适时的触发，把交流变为直流，同时可以通过改变控制角调节直流侧的平均电压.该电路的仿真过程如下.

图1 三相半波可控整流电路

2.1 仿真模型建立

（1）建立仿真模型新文件.并重命名为sxbbzl.

（2）提取电路元器件模块.分别调取SimPowerSystems中相应的模块拖放入仿真平台.

（3）将电路元器件模块按图1连接起搭建仿真模型，如图2所示.

2.2 模型参数的设置

图2 三相半波可控整流电路仿真模型

2.2.1 对称三相交流电源参数设置

有效值设置为220V，频率为50Hz，相位分别为0°、-120°、120°，其它为默认值.

2.2.2 晶闸管参数设置

桥臂数取3，对称三相交流电源接整流桥输入端，电力电子元件选择晶闸管，其它为默认值.

2.2.3 脉冲触发器设置

频率为50Hz，脉冲宽度取3.6°.

2.2.4 仿真参数设置

开始仿真时间为0，停止仿真时间为0.02S，选择ode23tb算法，仿真误差为1e-3.

2.3 模型仿真

2.3.1 电阻性负载

设置负载参数：选择R=45Ω，L=0H，C=inf.触发角分别设置为30°、60°.启动仿真，仿真结果如图3、图4所示.

图3 电阻性负载α=30°时整流电路输出波形

图4 电阻性负载α=60°时整流电路输出波形

由图3和图4可以看出，当电阻性负载时，输出电压和电流波形相同.在α<30°时，负载电流波形连续；在α>30°时，负载电流断续.随着控制角α的增大，整流输出电压平均值降低.

2.3.2 阻感负载

设置负载参数：选择 R=45Ω，L=0.1H，C=inf.触发角设置为60°.启动仿真，仿真结果如图5所示.

图5 阻感性负载α=60°时整流电路输出波形

由图可见，电压波形出现负的部分，在电感较大的情况下，负载电流连续.若将阻感负载中的电感改为1H，触发角维持为60°，负载电压和电流波形如图6所示.由图可见，在相同的控制角下，负载中的电感越大，电感平波的效果越好，整流输出电流波形越平稳.

图6 阻感性负载α=60°时整流电路输出波形（L较大）

3 结束语

通过以上介绍、分析可见，利用MATLAB/SIMULINK对电力电子电路进行仿真，只要将所需元器件模型用鼠标拖入工作窗口，然后根据仿真电路的拓扑结构连好电路，仿真模型便自动生成，设置好各元件参数和仿真参数后即可进行仿真.通过改变参数（负载和控制角），便得到各输出量对应不同条件下的波形，使教学更具有实时性、直观性，使学生学习电力电子技术时能获得形象生动的仿真效果，加深有关理论知识的掌握，便于学生更好地、牢固地掌握电力电子技术这门课程的有关知识，同时也弥补了传统实验装置的不足.

〔1〕王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2009.

〔2〕周渊深.交直流调速系统与 MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社,2003.

〔3〕李家坤,刘姣姣.MATLAB仿真技术在电力电子教学中的应用[J].长江工程职业技术学院学报,2009,26(1):75-77.

TP391

A

1673-260X（2011）09-0204-02