关于电力电子技术教学中Matlab/Simulink的应用研究

邹 莉

(安徽国防科技职业学院机电工程系，安徽 六安 237011)

“电力电子技术”是电气工程学科中最活跃的一个分支，很多高校都将其作为电气自动化及相关专业的必修课程，内容包括了电力电子器件、交直流之间的基本变换电路等［1］。对电路工作原理的讲解和各种波形的分析是本课程的重要内容之一。

由于该课程较抽象，学生在开始学习时不易理解，无法掌握基本分析方法，逐渐失去兴趣，造成恶性循环。据调查，大多数学生对这门课的掌握情况都不理想。同时，传统教学中手工绘制大量繁杂的波形图，不仅费时，而且不够准确。如果采用多媒体教学，在PPT中加入图片和flash动画，制作起来十分麻烦，更改电路结构、参数时又要重新制作，缺乏灵活性，难以满足教学要求。

目前市场上已经出现了多种可用于电力电子教学的仿真软件，如 Matlab、Pspice、Psim、Saber、SIMetrix/SIMPLIS等［2］。它们既能模拟电路的工作状态，又能根据不同的条件和参数，仿真出不同的波形，每种软件各有优缺点，教师可以根据不同教学内容选用合适的仿真软件。

本文主要研究将Matlab/Simulink用于电力电子教学，提高教学效果，并给出实例进行说明。

1 Matlab/Simulink简介

1.1 软件介绍

Matlab是一种适用于工程领域的科学计算软件，以矩阵运算为基础，提供开放式的集成环境，交互式地接受指令，输出结果，其功能强、效率高，现已广泛应用于工程、教学和科研［3］。该软件有两种仿真方法:一是求解系统的状态表达式，此方法较为繁琐，不易掌握;二是利用图形化的动态仿真软件包，可以实现快速建模、仿真和分析，使用方便。Simulink就是这样一种软件包，用点击、拖动鼠标的方法就能将元件模块组合成系统模型，任意改变参数，即可得到相应的仿真结果。

Simulink中有一个重要的工具箱，电力系统模块库SimPowerSystems，它在PLC电路、电力系统、电力电子及电力拖动的仿真中功能强大，具有很大优越性。此模块库中含有各种电源、连接器、元件、测量仪器、电机及电力电子器件，另外还附加有六脉冲同步发生器、整流桥、定时器等［4］。

1.2 仿真过程介绍

Matlab/Simulink的仿真步骤如下:

步骤一:打开模块库浏览器窗口，创建一个仿真模型文件。

步骤二:从模块库中选取元器件，用鼠标拖入仿真窗口。

步骤三:按照电路原理图，将各元器件组成仿真模型。

步骤四:给各模块设置合适的参数。

步骤五:点击运行按钮开始仿真，仿真完毕，双击示波器观察结果。

2 仿真分析实例

电力电子技术教学中有多种整流电路，其中以三相桥式全控整流电路为典型代表，其开关器件数目多，分析过程较其他整流电路复杂，且在后续的变流电路中使用较多。所以，本文以此电路为例说明Matlab/Simulink的应用。

2.1 建立仿真模型

根据三相桥式全控整流电路的原理，利用PSB工具箱提供的模块，在Simulink仿真窗口中建模。整流桥采用晶闸管作为电力电子开关，使用通用变换器桥Universal Bridge;三相电压源使用三个交流电源模块AC Source;选用同步6脉冲发生器Synchronized 6-Pulse Generator，为晶闸管提供大于60°的宽脉冲或双窄脉冲;同步6脉冲发生器所需的同步电压，从测量出的电源线电压获得;负载使用RLC串联支路模块Series RLC Branch;所要观察的各种电压电流信号送入示波器Scope模块;另外，观测单个晶闸管参数要用多路观测器Multimeter模块［5］。基于此，建立起如图1所示的仿真模型。

图1 三相桥式全控整流电路仿真模型

接下来对各模块参数进行设置。三相电源的相电压峰值设为100 V，频率为50 Hz，相位相互相差120°，分别为0°、-120°、-240°;通过桥式电路模块的A、B、C输入端与三相电源连接，“+”“-”端口接直流侧正负极;同步6脉冲发生器的Block使能端设置为0，表示有脉冲输出，alpha-deg端用来设置触发角大小，同步电压频率设置为50Hz，脉冲宽度10°，勾选双脉冲方式;负载采用阻感性负载，电阻值为1 Ω，电感值为0.01 H。

最后还要对仿真参数进行设置。在菜单选项“Simulation＞Configuration Parameters”中，将仿真时间设为0～0.04s，选择可变步长ode23tb算法。

2.2 观测仿真结果

开始仿真，双击示波器，观察波形。改变触发角α，可以得到不同的仿真结果。图2为三相桥式全控整流电路仿真波形图，分别显示触发角在30°、90°时的输出电压电流、晶闸管两端电压电流、触发信号的波形图及输出电压平均值。

经过整个仿真过程，使学生进一步加深了对触发角的理解，通过观察不同触发角时的输出波形，可得到阻感负载时该电路的移相范围，既而与电阻性负载时的情况相比较，总结出各自的特点。在教学中，除了设置改变触发角的环节外，还可以改变负载大小，设置故障、疑点。比如，让某个晶闸管丢失触发脉冲，采用宽度小于60°的宽脉冲，α超前自然换相点等，都可以增强学生的学习兴趣，提高自我解决问题的能力。图3为VT1、VT4丢失触发脉冲后输出电压的波形图。

图2 三相桥式全控整流电路仿真波形图

图3 丢失某些触发脉冲后输出电压波形

3 结语

Matlab/Simulink软件可以很方便地对电力电子电路进行建模、仿真，可以灵活地更改参数，观测到不同结果，将其应用于电力电子教学中，使传统教学和多媒体教学相结合，避免了复杂的绘图过程，节省时间，同时也避免了实际操作中可能出现的问题，弥补实验装置的不足，增强了教学的灵活性。学生在学习电力电子这门课的同时，也掌握了Matlab/Simulink这种仿真工具，充分调动了学生的学习兴趣。

［1］李军.《电力电子技术》课程的 Matlab/Simulink仿真［J］.山东电力高等专科学校学报，2010，13(3):53-55.

［2］杨浩东，王伟.电力电子教学中常用仿真软件对比［J］.中国电力教育，2012(3):112-113.

［3］刘海昌，张晓杰.MATLAB在电力电子教学中的应用［J］.华北科技学院学报，2007，4(2):119-121.

［4］朱晓东，高继贤.SIMULINK在电力电子中的应用［J］.东北电力学院学报，2005，25(4):85-89.

［5］陈爽，段国艳，王静.MATLAB/SIMULINK在电力电子技术课程教学中的应用［J］.福建电脑，2011(4):195-196.