基于Matlab/GUI的电力电子技术应用仿真实验设计

【摘要】针对“电力电子技术应用”的教学与实验特点，弥补硬件实验条件的不足，利用Matlab GUID界面设计工具与M文件编程结合，建立GUI界面，设计了电力电子技术应用仿真实验系统。该系统可修改实验参数，图形化显示实验结果，便于操作，形象生动，可应用于课堂或实验教学，加深学生对课程的理解。

【关键词】电力电子技术；GUI；M文件；仿真实验

电力电子技术应用是电气自动化专业的一门重要的专业基础课程，它以电力电子器件为基础，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现电能的高效能变换和控制[1]。该课程实践性、综合性和工程性很强，但是，由于教学学时不足和实验设备的短缺等原因，造成了进行教学实验的困难。另外，目前的电力电子技术实验台在设计过程中还有许多不尽完善的地方，学生实验复杂，还容易出错，实验设备损坏率较高，因此，需要设计一种可以在课堂上使用的电力电子技术仿真实验系统，在抽象的理论教学的同时给予学生生动的实验演示，让学生实时地观察到参数改变对电路的影响。

MATLAB软件因其强大的科学计算和图形处理功能，已广泛应用于科研和工程领域。它提供了用户图形界面开发程序GUIDE，支持可视化编辑，并根据用户设计的GUI布局，自动生成M文件的框架，用户使用这一框架编制自己的应用程序[2]。这种编程方式直接方便，容易上手。本文设计的电力电子技术仿真实验系统是一种建立在MATLAB平台上的具有图形用户界面的软件，它将理论知识与传统的模拟实验结合在一起，可大大的提高课堂教学效果，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力[3]。

1.仿真实验的设计

本仿真实验采用模块化设计思想，共分为两大模块：电力电子器件部分和电力电子变换电路部分。电力电子器件部分包括常用的半控型器件晶闸管和四种全控型器件；电力电子变换部分包括五大变换电路，各变换电路又分设具体的变换电路。仿真实验的总体框架如图1所示。

图1 系统总体结构图

2.GUI的设计流程

系统的总体框架完成之后，就要利用MATLAB的GUI来设计每一个实验界面。一个完整的GUI设计分为两个阶段完成，第一个阶段是图形界面的结构设计。利用设计向导构造整个图形界面的布局，合理安排控件，设计菜单，进行必要的属性设计。第二个阶段为功能设计。即为控件和菜单编写相应的回调函数（Callback），具体实现界面的各种功能[4]。

3.仿真实验主界面

在仿真实验的主界面中，采用下拉菜单选择要进行的实验模块；利用静态文本框显示仿真实验的文字部分；设计了按钮，用于进入实验系统和退出系统；设计了坐标轴，用于加载图片。分别设定各控件的属性，包括String和Value值等。合理布局，确定各控件的位置之后，建立一级菜单文件、编辑和帮助，设置一级菜单和子菜单的属性，得到仿真实验系统的主界面如图2所示。

保存之后会自动生成一个同名的M文件，必须在M文件中修改和添加各控件的回调函数代码，才能实现控件的功能。在主界面中选择“电力电子器件”或“电力电子变换电路”，再继续选择所需要的实验项目，就会进入相应的二级界面。

图2 仿真实验系统的主界面

4.电力电子器件实验的界面设计

为保持界面风格的一致性，二级界面的设计基本相似[5]。在主界面上选择电力电子器件实验，点击“进入”按钮，就会调用电力电子器件实验的二级界面（如图3所示）。例如，在列表框中选择“晶闸管”元件，就会进入到相应器件的实验界面中（如图4所示）。通过axes（ ）和imshow（ ）语句在特定的坐标轴中显示器件的实物及模型等图片，利用静态文本框对器件的功能和特性进行介绍。点击“器件特性测试按钮”，进入晶闸管特性测试界面（如图5所示）。通过滚动条输入门极电压的数值，单击测试按钮，在显示区域，就会显示回路电流和器件管压降数值，以此判断器件的导通情况。

图3 电力电子器件实验界面

图4 晶闸管实验界面

图5 晶闸管特性的测试

5.电力电子变换电路实验的界面设计

在电力电子变换电路的主界面中（如图6所示），在下拉菜单中选择变换的功能，就会在另一侧的列表框中显示相应的具体电路。例如选择可控整流电路中的单相全控桥式整流电路。单击“进入”按钮时，可以通过关闭主界面close（figure（mainplat）），figure（）打开相应的界面，跳转至单相全控桥式整流电路的界面。整个界面主要由电路原理图、参数设置区、结果显示区、仿真波形显示区以及按钮组成[6]。

图6 电力电子变换电路实验

图7 单相全控桥式整流电路实验

（1）电路参数的设置

如图7所示，如果是电阻性负载，参数包括负载电阻阻值、电源电压和移相角。设置参数后点击“计算”按钮，结果显示区中会自动显示常用量的计算结果。各文本框之间数据传递的相关代码为：

Voltage=str2num（get（handles.edit2，’string’））；%取得电源电压数值

YiXiangJiao=str2num（get（handles.edit4，'string'））；%取得移相角数值

FuZaiVol=0.9*Voltage*（1+cos（YiXiangJiao*3.1415926/180））/2；%计算负载电压值set（handles.edit8，’string’，num2str（FuZaiVol））；%将负载电压显示

DianZu=str2num（get（handles.edit1，'string'））；%取得电阻阻值

set（handles.edit10，'string'，num2str（FuZaiVol/DianZu））；%计算负载电流

set（handles.edit9，'string'，num2-str（FuZaiVol/（2*DianZu）））；%计算晶闸管平均电流

（2）仿真波形的显示

在M文件中，利用plot指令分别画出单相全控桥式整流电路带电阻性负载时负载电压、负载电流、晶闸管电流以及晶闸管电压的波形。只要输入移相角的数值，单击“波形”，就会在指定坐标轴中显示相关波形。相关代码如下：

alpha=（str2num（get（handles.edit4，'string'）））*3.1415926/180；

x=alpha：pi/180：pi；

y=sin（x）；

x2=alpha+pi：pi/180：2*pi；

y2=sin（x2）；

x3=alpha+2*pi：pi/180：3*pi；

y3=sin（x3）；

plot（handles.axes2，x，y，x2，abs （y2），x3，y3）

plot（handles.axes3，x，y，x2，abs （y2），x3，y3）

plot（handles.axes4，x，y，x3，y3）

根据输入的移相角和电源电压的不同，仿真波形会相应变化。四个仿真波形纵向对齐，使学生可以很方便地看到移相角的不同，各个波形会同时在转折点处发生变化，非常直观，清晰，有助于学生对电路原理的理解。如果对仿真结果不满意，可以重新设置参数继续仿真。仿真结束后可以选择返回的界面。整个实验系统界面友好，操作简单。

6.结论

依托MATLAB的GUI界面为平台，将仿真实验引入电力电子技术应用课程的教学[6]，对电力电子电路进行仿真，可以将理论教学与实验过程整合一起，便于演示及交互操作，对研究参数变化对电力电子装置的影响，并进一步丰富教学手段，引导学生进行研究性学习有很好的辅助作用，并在一定程度上弥补了实验设备不足的主要问题，是一种低成本的实践教学手段。

参考文献

[1]黄家善.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社， 2011.

[2]赵广元.MATLAB与控制系统仿真实验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[3]黄瑛.基于MATLAB GUI的电机学仿真实验系统设计[J].中国现代教育装备，2009，17（87）：38-39.

[4]罗华飞.MATLAB GUI设计学习手记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5]安树，赵霞，徐小华，等.基于MATLAB GUI的整流电路仿真设计[J].现代电子技术，2011，4（34）：155-158.

[6]安树，闫英敏，刘正春，等.基于MATLAB GUI的电力电子技术教学平台设计[J].中国现代教育装备，2012，7 （143）：16-18.

作者简介：陈晓娟（1978—），女，吉林长春人，硕士，讲师，研究方向：电力电子、自动控制。