基于MATLAB_App Designer电力电子虚拟仿真实验系统设计①

田思庆, 侯 艳, 李金艳,2 , 罗 康,3, 杜云明,*

(1.佳木斯大学信息电子技术学院,黑龙江 佳木斯 154007;2.广东工业大学自动化学院,广东 广州 510006;3.西北工业大学动力与能源学院,陕西 西安 710000)

0 引 言

电力电子是一门集电力、电子、自动控制原理为一体的新技术理论。电力电子技术更新发展快,通过对电力电子变流器工作波形的变换分析,电气工程及其自动化等专业学生和工程技术人员能更好的掌握各种变换电路的工作原理及其电路设计。

电力电子硬件实验设备价格昂贵、实验接线复杂,内容固化、陈旧,实践教学手段跟不上电力电子技术的发展。虚拟仿真实验与硬件实验相互补充,为电力电子电路和系统分析提供了新的研究方法和手段[1-2]。

电力电子技术虚拟仿真实验已经走进了高等学校课堂和企事业研究单位,学生和研发人员利用虚拟仿真实验系统,设置参数直接观察电压、电流动态波形变化,使复杂电力变换电路的分析过程更加直观、容易和高效,利用虚拟仿真技术进行科学研究更具有理论和现实意义[3-4]。

1 实验教学平台设计思路

实验系统利用MATLAB_Simulink电力电子仿真模型,采用MATLAB_App Designer界面布局功能实现人机交互。App_Designer具有编写程序强大、编程语言生动图形化和界面友好等优点,结合Simulink模型产生的效果更好。

实验教学系统包含Simulink仿真模型建立、APP平台界面设计和Simulink与平台界面传输三个部分,图1为实验系统界面设计流程。电力电子实验教学系统包括整流电路、逆变电路、斩波电路和调压电路4个模块以及15个教学实验项目。实验系统整体结构如图2所示。全文以三相桥式全控整流电路设计为例。

图1 实验系统设计流程图

图2 实验系统整体结构图

2 实验系统主界面设计

2.1 实验系统主界面介绍

实验系统APP主界面结构如图3所示。界面包括端口选择区、电路类型选择区、参数设定区、按钮功能区、时间调节区和仿真波形区。

选择端口区包含4个模块,每个模块对应不同的电路,通过点击界面按钮即可实现;电路类型选择区可以根据不同的项目提供不同的电路类型;参数设定区给出了7个参数变量设定:延迟触发角α、交流电压幅值Vs、反电动势E、频率f、负载电阻R、电感L和电容C;按钮功能区可实现波形仿真、参数清除和打开Simulink仿真界面;时间调节区可在0～1 s内修改波形的时间轴。

图3 实验系统APP主界面

2.2 实验系统主界面程序设计

使用菜单选项与各个控件编写回调函数实现图3 APP界面的各项功能[6],App_Designer通过函数Set_param(‘model/gain’,’parameters’,value)调用Simulink元件模块参数,将value值直接传送给gain模块中的parameters对应参数。首先将多次使用的变量:延迟触发角α、交流电压幅值Vs、反电动势E和频率f归为一个属性再利用Set_param函数控制,而负载的电阻R、电感L和电容C直接调用Set_param函数来进行控制;之后利用sim(‘model’)函数与assignin(‘base’,’out’,v)将数据导出到工作区,使用plot函数绘制图像;最后结合控件回调与私有函数实现其他功能。

3 Simulink仿真设计及其仿真结果分析

三相桥式全控整流电路是应用最为广泛的整流电路,由三相交流电源、负载、触发电路和6个晶闸管等组成。该整流电路的仿真过程可分为仿真模型搭建、参数设定、仿真波形输出及其结果分析等[6-8]。

3.1 仿真模型搭建

在Simulink环境下,根据三相桥式全控电路原理图,搜集SimPowerSystems,Sinks和Signal Routing模块库中的相关元器件,将其按照电路原理图搭建,仿真模型如图4所示。

3.2 仿真参数设定

图4 三相桥式全控整流阻感负载仿真模型

3.3 仿真波形输出及其结果分析

仿真参数设定之后进行仿真,可以得到负载电压ud、负载电流id和晶闸管VT1电压uVT1的仿真波形。通过Simulink中建立的仿真模型,实现仿真模型与APP之间的参数调用,使其对应的波形可显示在APP界面上,实现人机交互功能,同时可以直接使用Simulink模型进行仿真,在示波器Scope中观察波形。

(1)负载为纯电阻时,R=100 Ω,取延迟触发角α=30°,工作波形如图5所示。

图5 α=30°,R=100 Ω时的纯电阻负载工作波形

增大或减小α进行仿真可以发现,当α>120°时,负载输出电压为0,其均值也为0,由此可以验证带纯电阻负载的三相桥式全控整流电路α的范围为0～120°。

当触发角α=30°、电阻R=100 Ω时,纯电阻负载端电压和电流平均值分别为

Ud=2.34U2cosα=2.34×220V×cos30°=445.83V

由计算可知,纯电阻的负载电压和电流计算平均值与仿真波形图5一致。

图5三相桥的输出电压在一周期内脉动了六次,其输出电流波形与电压波形一致,晶闸管的电压电流波形随着晶闸管的通断而变化。

(2)负载为阻感负载时,R=100 Ω、L=10 H,取延迟触发角α=60°,工作波形如图6所示。

图6 α=60°,R=100Ω、L=10H时的阻感负载工作波形

同理,增大或减小α进行仿真可以发现,当α>60°时,阻感负载端输出电压出现断续;当α=90°时,阻感负载端输出电压平均值近似为0。由此可以验证带阻感负载的三相桥式全控整流电路α的范围为0～90°。

当触发角α=60°,电阻R=100 Ω、电感L=10 H时,阻感负载端电压、电流平均值分别为

Ud=2.34U2cosα=2.34×220 V×cos60°=257.4 V

图4仿真得到的阻感负载端电压和电流平均值与理论计算得到的结果相近。微小的差距是由于0～0.01 s之间的脉冲时间差所造成。

图5和图6的整流输出电压波形一致,而图6整流输出电流接近直线,晶闸管的两端的电压和通过的电流随晶闸管的通断而变化。

4 结 语

电力电子虚拟仿真实验系统利用Simulink电力电子模型搭建和App_Designer界面布局设计功能,集电力电子电路原理介绍、仿真参数设置影响、电路计算、仿真波形显示和结果分析于一体。

实验系统操作方便,既适合于高等学校电力电子技术课程的理论和实验教学,也适合于工矿企事业单位技术人员对于电力电子新器件的研发与设计。