MATLAB仿真软件在电力电子实验教学中的应用研究

朱 高 中

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)



MATLAB仿真软件在电力电子实验教学中的应用研究

朱 高 中

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

摘要：针对传统实验台教学方面的不足，依靠Matlab/Simulink 强大仿真功能，根据三相半波逆变电路的工作原理，建立了三相半波逆变电路的仿真模型，设置了三相半波逆变电路各器件的参数，给出逆变电压和电流的仿真结果波形，分析逆变失败的原因及改进措施。通过仿真实验证明，将MATLAB应用于电力电子技术仿真实验教学，使实验结果变得更加直观，更具创新性。

关键词：Matlab/Simulink；逆变电路；仿真与分析

0引言

电力电子技术是电气工程及其自动化专业的一门主干专业课，它是多门学科交叉起来的一门课程。电力电子技术课程分析了半控型器件、全控型器件等电力电子器件的工作原理，并将此不同类型的电子器件应用到整流电路、逆变电路、斩波电路和交流变换电路等四大变换电路，在对四大电路分析过程中，相位控制方式贯穿始终。在电力电子技术的教学工作中，输出电压、电流及晶闸管电压波形分析是课程教学中最为关键的一环，其波形的绘制相对比较复杂，严重影响了课程的教学进度。学生在学习这门课程的过程中普遍感觉比较难，因而大大挫伤了学生的学习兴趣，降低了学生的学习效率。针对传统教学方式的不足，很多高校采用课堂教学和实践教学相结合的模式完成该课程的教学，但对于实践教学通常只是通过电力电子技术实验台来完成。根据笔者数年来的电力电子技术理论教学和实验实践教学经验观察，在电力电子实验台的教学过程中，很多学生根本不懂电路的工作原理，只是机械地按实验指导书连线方式、测试实验的波形和数据。当实验设备出现故障或者连线出错，致使实验结果和理论结果产生很大偏差时[1-2]，也很少有学生主动思考出现错误的原因，也不会认识到实验连线出错所带来的人身安全问题。因此，电力电子实验台教学达不到应有的教学效果。笔者采用实践实验教学和仿真实验教学相结合的教学方法，一方面能够使学生在掌握电力电子技术基本理论知识的基础上建立合适的系统仿真模型，另一方面还可以使学生将实验台输出波形和仿真系统模型输出的结果相对比，从而可以更好地分析实验台教学存在的问题。本文将MATLAB仿真软件对三相半波有源逆变电路进行分析，可提高实验教学质量。

1MATLAB在电力电子技术实验教学中的应用

MATLAB仿真软件在很多领域都得到了广泛的应用，针对电力电子技术的仿真实验而言，主要应用是MATLAB平台下集成工具Simulink，该集成工具包括电机、电力电子等电气领域中需要的常用元件模型，在电力电子技术仿真实验教学工作中，其教学过程如下：(1)根据电力电子技术的设计电路变换原理图;(2)根据电力电子技术电路变换原理图，在Simulink系统环境下新建一仿真模型的文件，然后将所需的电源模块、示波器模块、电力电子元器件等放入仿真平台；(3)根据电路原理图进行连接线路，并合理设置各元器件参数，检查线路连接是否完好；(4)针对所建模型电路选择合适的仿真算法和仿真时间，并点run运行仿真；(5)结合电压电流表显示的数值对示波器输出的波形进行仿真分析，若示波器输出波形和理论值不相符，则需重新检查各器件参数设置情况，重新设置器件参数，直至仿真结果和理论分析波形相符为止[3-5]。根据上述实验步骤，其实验流程如图1所示。

图1　实验仿真教学流程图

2三相半波有源逆变电路

2.1三相半波逆变电路的工作原理

带电动机负载的三相半波整流电路及输出波形如图2所示。[6]

(a)三相半波有源逆变电流 (b)负载上输出的电压电流波形

图2三相半波有源逆变电路及其波形

2.2逆变角β及逆变电压的计算

根据晶闸管触发脉冲角的不同，三相半波电路可以工作在整流和逆变工作状态，只要输出负载的电流波形连续，每个晶闸管的导通角都是2π/3，故不论触发脉冲角控α为何值，负载上的直流输出电压的平均值Ud，其关系表达式为：

Ud=1.17U2cosα=Ud0cosα。

(1)

为计算方便起见，当电路处于逆变工作状态，可以用逆变角β来表示，逆变角β和触发控制角α的关系式为α+β=π[7-8]。根据触发脉冲控制角和逆变角之间的关系式，故此逆变器负载端直流输出电压的表达式可表示为：

Ud=Ud0cosα=-Ud0cosβ=-1.17U2cosβ。

(2)

由式(2)可知，随着逆变角β从π/2逐渐减小，直流侧输出电压的平均值Ud逐步增大，但输出直流侧的电压值为负值，从输出表达式可以看出，晶闸管之间换流方式完全由触发脉冲来控制。通过对晶闸管触发脉冲严格按照规定顺序触发且在保证可靠触发的前提下，三相半波逆变电路可以正常换流，否则将会造成因晶闸管之间的换流失败，导致逆变失败。

3三相半波可控整流电路逆变状态的虚拟仿真分析

3.1三相半波可控整流电路逆变仿真模型的建立

根据三相半波可控逆变电路的工作原理和实验过程要观测的实验波形，建立三相半波可控逆变电路原理图，在Simulink环境新建仿真模型窗口，并在模型窗口引入仿真模块并设置合适的仿真参数，三相半波可控逆变电路的仿真模型如图3所示。

图3　三相半波可控整流电路逆变电路仿真原理图

在仿真模型图3中，A相、B相、C相为电流电压源，其电源相电压的峰值为100 V，频率为50 Hz，三相电压相位角依次相差2π/3，A相初始相位角为π/6，图3上端的三个电压表分别表示输入端的三相交流电压，电流表id分别表示输出的电流波形，交流电源侧的漏感值为3 mH，输出端电阻阻值为1 Ω，滤波电感为30 mH，滤波电感为大电感，DC为输出端的反电动势电压，其电压值为100 V。 Trig1、Trig2、Trig3分别表示VT1、VT2、VT3的触发脉冲电压，其触发脉冲的频率为50 Hz，幅度为10 V。用α来表示晶闸管的触发脉冲角度，对于负载为大电感负载而言，当晶闸管的触发脉冲角0≤α≤π/2时，三相半波可控整流工作在整流工作状态；当α>π/2时，电路工作在逆变工作状态。本文主要考虑的是三相半波电路的逆变工作状态，故此本仿真电路给出了α=5π/6仿真波形，该仿真波形开始时间为0 s，终止时间为0.15 s，晶闸管的触发脉冲角α=5π/6时电路的仿真波形如图4所示。按照黄色、紫色和蓝色曲线颜色顺序三幅波形图中的波形依次为：A相、B相、C相交流电源电压和电流、直流侧电流电压。从图4(b)的波形可以看出，三相电流波形出现失真现象，而且三相电流不对称；由图4(c)可知，直流电感初始电流为0，而随着直流电流逐渐增加，电路的换相重叠随之增大，由于变压器漏抗的影响，电流换流不能瞬间完成，从而引起换流重叠角，如果逆变角β<γ(γ为换流重叠角)时，因换相裕量不足发生换相失败。

(a)三相电源电压波形图

(b)三相电流波形

直流侧电压和电流波形图4　三相半波可控整流电路逆变失败的仿真波形

3.2减少逆变电路仿真分析

逆变状态下的仿真波形图5　β=π/3三相半波可控整流电路

逆变状态下的仿真波形图6　EM=85 V三相半波可控整流电路

4结语

通过将MATLAB软件引入电力电子技术仿真实验教学,运用Simulink 工具箱建立电力电子实验仿真电路模型，根据所建模型电路选择合适的仿真算法和仿真时间进行仿真分析，由仿真模型示波器输出波形使得输出结果更直观、更灵活。仿真实验弥补实验台元器件的不足，在实验教学过程中通过将仿真实验和具体的硬件电路实验两者相结合的方式进行实验教学,不仅可以激发学生学习该课程的兴趣,提高学生学习的积极性，而且可以进一步培养学生的创新能力。

参考文献：

[1] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2004.

[3] 邓国扬.基于Matlab/Simulink的电力电子系统的建模与仿真[J].南华大学学报,2003,17(1)：1-6.

[4] 刘艳.基于MATLAB 的电力电子技术虚拟实验仿真平台[J].大连大学学报,2004,25(4):35-38.

[5] 张开如,陈荣.计算机仿真技术在电力电子电路与系统分析中的应用[J].计算机仿真,2003，(5)：97-99.

[6] 田伟,于海生.MATLAB在电力电子仿真中的应用[J].航电技术,2006,26(5)：31-33.

[7] 刘晓兰,孔金生,陈铁军，等.基于MATLAB的“电力电子技术”软件实验系统[J].微计算机信息,2006,22(9-2)：300-302.

[8] 周渊深.电力电子技术与MATLAB 仿真[M].北京：中国电力出版社，2005.

【责任编辑牛怀岗】

Application Research of Power Electronicsin Experimental Teaching Based on the MATLAB Simulation Software

ZHU Gao-zhong

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

Abstract:In view of the traditional experimental teaching, this paper relies on the powerful simulation function of MATLAB/Simulink, according to the working principle of three-phase half wave inverter circuit, to establish simulation model of three-phase half wave inverter, set the three-phase half wave inverter circuit of the device parameters, and give the inverter voltage and current simulation waveform. The paper analyzes causes and improvement measures of the failure of the inverter. Through the simulation experiments, it is proved that MATLAB is applied to power electronic technology simulation experiment teaching, and the experimental results become more intuitive and more innovative.

Key words:MATLAB/Simulink; rectifier circuit; simulation and analysis

作者简介：朱高中(1980—)，男，河南周口人，渭南师范学院数理学院讲师，工学硕士，主要从事信号处理与电子技术研究。

基金项目：陕西省军民融合技术产业发展研究院基金项目:基于ZigBee技术的低压电器无线通讯研究(13JMR17)；渭南师范学院特色学科建设项目：电气工程与秦东工业(14TSXK07)；渭南师范学院重点科研项目：农副产品的表面检测与内部检测(2015ZD002)

收稿日期：2015-05-29

中图分类号：TP277.2

文献标志码：A

文章编号：1009-5128(2016)04-0051-06

【现代应用技术研究】