基于Matlab仿真技术在电力电子技术教学中的应用

张耀锋

摘  要：通过单相桥式全控整流电路的具体实例，将Matlab/Simulink仿真技术应用于职业院校电力电子技术的实验教学。给出了单相桥式全控整流电路的仿真模型和电感负载下不同控制角的仿真波形，将控制角的变化对波形的影响清晰的呈现出来，参数的调整与设置非常方便。将仿真实践教学与课堂教学结合，直观、有效，使复杂的电力变化电路分析过程变得相对容易，激发了学生的学习兴趣，提升了课堂效率。

关键词：电力电子技术;虚拟仿真;Matlab /Simulink;整流电路

中图分类号：G712      文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2020）05-038-05

一、引言

电力电子技术是高等职业院校电气自动化专业的一门专业基础课，横跨电力技术、电子技术和控制技术三个领域，理论性、实践性都比较强。课程内容主要包括电力电子器件、电力变换电路和控制技术等内容。主要研究的是如何利用电力变换电路对电能进行转换、控制和优化，包括电压、电流、频率等参数的控制和变换。教学内容中，电能变换和控制是教学的重点，也是难点。由于理论较多，电路负载多样，控制角度不同，波形变化比较大，分析起来也相对困难。高职的学生在理解电路工作原理和分析波形时比较费力，容易混淆，学习的兴趣随着波形的变化慢慢消失殆尽。

实验是训练学生技能、提升理论水平不可或缺的手段。实物电路的搭接，是课堂教学的重要手段，也是电气工程、自动化等专业的学生所应具备的必不可少的能力。学院使用的教学平台是天煌教仪的DJDK-1型电力电子技术实验装置，平台采用的是挂件结构。在教学过程中有以下问题：1.实验装置采购于十年前，随着时间的推移，平台设备逐渐老化，实验过程中由于操作不当或者外部干扰，实验结果经常不尽如人意。比如在整流或逆变电路中，控制角度不一样，波形也不一样，经常出现实验结果和理论分析不符的情况。2.实验内容与职业教育不符，内容多以验证性的为主，学生通过外接挂件，要完成的工作是简单的接线、观测和计算。内容不具有综合性、创新性和设计性，再加上教学手段单一，教学方法落后，学生学习的主观能动性没有被激发出来，实验预期效果相对较差。3. 用电安全问题。大多数的电力电子实验是强电实验，或者弱电控制强电，实验过程中，经常会有学生由于操作不当，损坏实验器件和电气设备的情况，有安全隐患。基于以上原因，近年来，由于计算机和虚拟仿真技术的发展和进步，虚拟仿真系统成为学院电力电子教学的重要平台。

二、Matlab软件在电力电子技术仿真教学中的应用

由于电力电子器件所固有的非线性等特点，我们在对电力电子电路进行分析的过程中，常常遇到许多困难。Matlab、Pspise、Saber、Multisim等仿真软件为电力电子电路的分析提供了有效、方便的手段，简化了电力电子电路的设计和分析过程。这些软件提供了完善的元器件模型，并将各功能子程序模块化，学生只需简单的操作就可以建立和设计电路模型，易于操作。在教学过程中，常利用Matlab/Simulink中的电力系统仿真工具箱SimPower Systems对电力电子教学进行仿真实验，其具有建模简单，能动态显示仿真波形，結果易于观测等特点。利用Simulink工具箱可完成电力电子技术教学中的绝大部分的仿真实验，包括：单相相控整流电路、三相相控整流电路、逆变电路、直流斩波电路、交流调压电路等典型电路，学生还可根据课程需要设计简单的电路并进行建模仿真。将仿真软件引入实验教学中，充分发挥学生的想象力，让学生自己去设计和开发电路，并对电路进行建模、仿真、观测，极大地促进了学生主观能动性、创新思维和动手能力的提高。

三、典型应用电路的仿真

电力变换电路的电路结构相对复杂，在分析电路时其负载一般有电阻性负载、电阻-电感性负载和电阻-电感性负载接续流二极管三种形式。负载不同，流过负载的电压和电流也不同。在电阻性负载的分析中，由于电阻是线性元器件，流过电阻的电压和电流相位相同，分析相对简单;电阻-电感性负载中，由于电感器件的非线性，流过负载的电压和电流相位不同，通常情况下电压超前电流，并且控制角不同，输出电压、电流波形变化非常大，学生在分析时容易混淆。应用Matlab仿真软件，学生可自己动手设计应用电路，在同一虚拟示波器中观察不同负载，不同控制角下的输入输出波形，参数设置简单、仿真结果直观、方便对比。

下面以典型的单相桥式全控整流电路为例，介绍Matlab仿真软件在电力电子教学中的应用，重点介绍电阻-电感性负载时的仿真建模。

（一）单相桥式全控整流电路的电路结构及工作原理

单相桥式全控整流电路具有输出电压脉动小、功率因数高、整流变压器没有直流磁化等优点，在单相整流电路中应用广泛。

图1是单相桥式全控整流电路在不同负载下的原理图。图中四个晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4构成整流桥，u2是变压器二次侧电压，iVT1和iVT2分别为流过晶闸管VT1和VT2的电流，ud为负载电压，id为负载电流。图1中，电路的负载从左至右分别为，电阻-电感性负载、电阻性负载、电阻-电感性负载加续流二极管。

在单相桥式全控整流电路中，闸管VT1、VT2为共阴极接法，晶闸管VT3、VT4为共阳极接法。控制时要求桥臂上的晶闸管同时成对导通，其中VT1、VT4是一对，VT2、VT3是一对，VT1、VT4和VT2、VT3构成两个整流路径。在给触发脉冲时，要保证两组门极触发信号的相位保持180°的相位差。调节控制角，可以使电路输出不同的波形，输出电压电流的平均值、有效值、功率因数等参数也会跟着变化。

（二）单相桥式全控整流电路的仿真

1.仿真模型的建立

根据图1所示，用MATLAB建立的仿真模型如下：

如图2所示，其中VT1、VT2、VT3、VT4为四个晶闸管模型，ug1、ug2、ug3、ug4为四路脉冲信号模型，用来产生控制信号;电源电压为正弦交流电，幅值220V，频率50Hz;iVT1、iVT2、uVT1、uVT2分别是加在晶闸管VT1、VT2电压和流过的电流;id、ud用来观测负载的电流和电压;Scope为示波器，用来观测各路电压、电流和脉冲信号。

2.模块参数的设置

（1）模块参数的设置：交流电压源的峰值设置为：“220*sqrt（2）V”，频率设置为“50Hz”，电阻和电感的设置分别为：“1Ω”和“0.01H”。脉冲信号的峰值电压设置为“3V”，周期设置为“0.02s”，脉冲宽度设置为“10%”。相位延迟用于设置触发角，计算公式为t=T*（α/360）。在设置触发角时，VT1、VT4是一对，二者必须相同，VT2、VT3是一对，二者必须相同，且这两对触发角必须相差180°。以触发角是30°时为例，VT1、VT4触发脉冲的相位延迟设置为0.02*（30°/360°），VT2、VT3触发脉冲的相位延迟设置为0.02*（30°/360°）+0.01。其它模块参设为默认设置即可。示波器的端口数根据需要进行设置。（2）仿真参数的设置：将开始时间设置为“0”，终止时间设置为“0.1”，算法设置为“ode23tb”。

3.仿真波形

为了方便对比，分别给出了触发角为30°和60°时的仿真波形。

图3和图4每个图的输入输出信号都是9路，信号由上至下分别为：输入正弦波u2;加在晶闸管VT1、VT2上的触发脉冲信号ug1、ug2;流过晶闸管VT1、VT2的电压uVT1、uVT2和电流 iVT1、iVT2;以及加在电阻-电感性负载的电压ud和流过其的电流id。9路信号基本涵盖了电路中所有元素的电压或电流波形，在同一虚拟示波器中显示，非常清晰明了，也方便观察对比，利于学生分析理解，学生对理论知识的理解更透测了，大大提升了学生的学习兴趣。

四、使用效果

经过几个学期的对比，将Matlab /Simulink仿真技术应用在电力电子技术课程的教学中，呈现出了比较好的教学结果，主要有：

第一，现实中，实验用的显示器一般为双踪示波器，最多可同时观测两路信号，并且由于操作不当或者设备老化，经常出现实际波形和理论不符的现象，达不到虚拟仿真呈现的效果。将Matlab应用于职业院校的电力电子技术实验教学，通过一个虚拟示波器可同时观测多路需要观察的信号波形，方便对比，加深了学生对理论知识的理解。

第二，在控制角一定的情况下，通过电路的仿真，可将电路中电源、晶闸管、负载中的电压和电流波形很清晰的在同一示波器中显示出来，方便观察、对比，结果清晰、明了。

第三，在仿真过程中，电路参数可“任意设置”，可以任意设置控制角的大小，任意设置负载和其他参数，非常方便。设置完参数后可立即觀测波形。在之前的实践教学中，电路连接完成，设置负载参数后，需要计算、推导才能得出正确的波形，现在职业院校的学生对计算推导很不感兴趣，教学效果差，仿真教学增强了学生的自信心。

第四，之前的实验内容以验证性为主，挂件已经是定好了的，实验内容基本不能更改，或者可以改动的内容很少，内容不具有综合性、创新性和设计性。将Matlab/Simulink仿真技术引入电力电子教学，学生可以根据兴趣，自己设计电路并进行仿真，结果也易于观测，增强了学生学习的兴趣。

五、结语

本文以单相桥式全控整流电路为例，将Matlab/Simulink仿真技术应用于电力电子技术的实验教学。给出了单相桥式全控整流电路的仿真模型和电阻-电感性负载在不同控制角下的仿真波形，将控制角的变化对波形的影响在虚拟示波器中很清晰的呈现出来，参数的调整非常方便。将仿真实践教学与课堂教学结合，这种方法直观、有效、快捷，使复杂的电力变化电路分析过程变得相对容易，可使学生比较容易掌握电路的工作原理并进行简单的应用电路设计。在高职院校的电力电子技术实践教学中引入虚拟仿真技术，增强了教学的直观性、可视性、便捷性和灵活性，使学生的学习兴趣得到而激发和提高，提升了课堂效率，教学效果相对之前，比较令人满意。

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