Matlab/Simulink在电力电子技术教学中的应用

摘要：在电力电子技术课程教学中，有许多电路需要画波形图进行分析，而这些波形图往往非常复杂，只靠板书既费时费力，图形不够规范，又看不到动态情况，教学效果非常不理想。Matlab/Simulink动态仿真工具为解决此类问题提供了一个很好的的途径。本文介绍了MATLAB/ Simulink仿真软件的特点和功能，并以三相桥式全控整流电路为例对其进行了建模和仿真分析。结果表明，利用该软件辅助电力电子教学，不仅建模简单、直观，更改参数方便，交互性较强，能动态显示仿真波形，节约课堂时间，而且可提高学生学习的兴趣，增强学生对相关理论知识的理解。

关键词：Matlab/Simulink；三相全控整流电路；仿真

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31733-03

Application of Matlab/Simulink in Teaching of Power Electronics Technology

LI Peng,PI Wei-wei

(Department of Electric Power Engineering,Zhengzhou Electric Power College,Zhengzhou 450004,China)

Abstract:In teaching of curriculum of "Power Electronic Technology", there is always many circuits' analysis needing wave graphs which are very complicated to draw and take lots of time and make much ado. In the meantime the graphs are usually out of drawing and aren't dynamic. So the teaching is of poor effect. Matlab/Simulink software has become a good tool to solve above problems. This paper mainly introduced the characteristics and functions of Matlab/Simulink software and besides, three-phase full wave controlled converter circuit has been modeled under Simulink and been simulated and analyzed. The result indicates that this software not only has the advantages of constructing model simply and intuitively, parameters adjusting conveniently, powerful commutativity, being able to display graphs dynamically and save the class hours in aiding teaching of power electronic technology, but also can advance students’ studying interests and strengthen their understanding to some relevant theoretical knowledge.

Key words:Matlab/Simulink; three-phase full wave controlled converter circuit; simulation

1 引言

电力电子技术是20世纪60年代诞生和发展的一门崭新的交叉学科，它跨越电力、电子和控制理论三个领域，主要研究应用于电力领域的各种电力半导体器件及其装置，以实现对电能的变换和控制。它可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。随着电力电子技术广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，其重要性已不言而喻。因此，该课程已成为电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。

该课程的教学中，有许多电路在分析时需要画出波形图，由于有很多电压、电流信号波形，课堂板书非常费力费时，若需要改变参数，所有的图形又要重新画出，非常不方便。而且手工画出的图形也不够规范。另外，学生在等待老师画图的过程中容易分心，所以教学效果不是很理想。由美国MathWorks公司推出的MATLAB下Simulink动态建模仿真工具，为解决此类问题提供了很好的途径。利用Simulink建模方便、直观，更改参数容易，能动态显示图形，在自动控制、电力电子仿真领域得到了广泛应用，在电力电子教学上也能利用其发挥作用。此外，它在航空航天、通信、嵌入式系统、神经网络等领域的仿真研究上也发挥了很大作用。

本文简单介绍了Matlab/Simulink的特点，并以Matlab6.5版本下的Simulink为仿真平台，以电力电子技术中最常用的三相桥式全控整流电路为例，简单介绍如何建模并进行详细的仿真分析。

2 Matlab/Simulink简介

Matlab（Matrix Laboratory，矩阵实验室）是美国Mathworks公司于1982年推出的高性能数学分析与计算软件。历经多年开发，现已发展到Matlab7.0以上的版本。它包括许多功能各异的工具箱软件。其中Simulink是Matlab里的一个系统模型图形输入与仿真工具包。Simulink下还有很多专用功能模块，如航空航天模块库（Aerospace Blockset）、通信模块库（Communication Blockset）、神经网络模块库（Neural Network Blockset）、电力系统模块库（Sim-PowerSystems）等。其中电力系统模块库对用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真分析。功能强大的Sim-PowerSystems和Simulink同时使用将使一些复杂的、非线性的系统建模与仿真变得非常容易。它包括7个子模块库：电源（Electrical Sources）子库里有单/三相交流电压源、单相电流源、直流电压源、受控源等，元件子库（Elements）有各种支路、负载和开关、变压器等主要电力设备元件，附加子库（Extra Library）含有各种附加的控制、测量模块和特殊变压器等模块，电机子库（Machines）有异步、同步、控制等各种电机，测量子库（Measurement）含有电压电流和阻抗等测量元件，电力电子子库（Power Electronics）里有Gto、IGBT、Mosfet、Thyristor各种电力电子元器件等。

建立仿真模型时，只需通过鼠标点击相关模块库内的模型，简单拖曳和移动到模型窗口，即可建立所研究系统的仿真模型，再利用模型元件的属性对话框设置相关参数后就可以直接对系统仿真。使用Simulink提供的示波器（Scope）模型，可显示观测点的信号波形。从而使得复杂的系统建模和仿真变得十分容易，而且这种方式非常直观、灵活。

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3 三相桥式全控整流电路仿真模型的建立

三相桥式全控整流电路适用于整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小的场合，它是电力电子技术中应用最广泛的电路之一，因而也是电力电子技术课程中非常重要的一部分内容。掌握此电路的原理有助于正确设计、使用实际的三相桥式全控整流电路，同时也为正确理解更复杂的双反星可控整流电路、十二脉波可控整流电路等奠定良好的基础。下面以三相桥式全控整流电路为例先简单介绍仿真模型的建立。

图1为三相桥式全控整流电路的原理图，其中a、b、c为整流变压器的副边，阴极连接在一起的3个晶闸管VT1、VT3、VT5称为共阴极组；阳极连接在的3个晶闸管VT4、VT6、VT2称为共阳极组，Z为负载阻抗。

图1 三相桥式全控整流电路的原理图

图2为在Simulink下建立的三相桥式全控整流电路仿真模型图。其中Ua、Ub、Uc是从Electrical Sources 模块库中选取的AC 电压源元件，它们构成频率为50Hz、线电压为380V的三相对称正弦电压源。Thyristor Converter为集成在一起的三相可控晶闸管整流桥，从Extra Library模块库中选取。Z为整流桥的负载，从Elements模块库中选取的串联RLC支路元件，可以设定为阻性或感性。Synchronized 6-Pulse Generator为同步6脉冲发生器，为整流桥提供触发脉冲，从Extra Library模块库中选取。alpha_deg为触发控制角 的输入端，通过改变 的角度可控制整流桥输出不同的波形。iA、iB分别为测量A相、B相电流的测量元件，Ud1、Ud2和Ud分别为测量d1点、d2点对地电压及负载Z两端直流电压的测量元件，UvT1则为测量晶闸管VT1两端。

图2 三相桥式全控整流电路仿真模型

电压的测量元件。Scope、Scope1为示波器，可从Simulink中的Sinks中选取。Scope用来观察d1点、d2点对地电压及负载两端直流电压，Scope1用来观察A相、B相电流信号波形及晶闸管VT1的两端电压。

4 仿真及分析

按上述步骤建立好仿真模型后，点击模型窗口上面的Simulation菜单，选择Parameter设置模型仿真参数。为了便于观察，仿真时间选为3个工频周期0.06秒，求解器选择变步长（Variable-step）、ode15s（stiff/NDF），最大、最小步长默认为自动“auto”，相对误差和绝对误差可根据需要选择。设置好参数后，关闭对话框，点击Simulation菜单中的Start或窗口命令按钮中向右的三角箭头，开始仿真。

图3 三相桥式全控整流电路带电阻负载?琢＝0°时的电压波形

图3为阻性负载控制角?琢＝0°时的电压波形（电阻值为10Ω）。?琢＝0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相，由图中变压器二次绕组相电压波形看，以变压器二次侧中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压的负半周的包络线，总的整流输出电压Ud＝Ud1－Ud2是两条包络线间的差值，即为线电压在正半周的包络线。该电压的脉动频率是电源频率的6倍，即一个工频周波内脉动6次，从图3中可看出Ud波形的频率为300Hz。图中还给出了晶闸管VT1两端所承受的反压UvT1的波形。

图4给出了A、B两相电流波形及VT1承受的电压，其中黄线表示A相电流，红线代表B相电流。A相正半周为VT1导通，负半周为VT2导通。由电流波形可看出，晶闸管一周期中有120°处于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管通态时电流波形与相应时段的Ud波形相同。

图4 三相桥式全控整流电路带电阻负载?琢＝0°时A、B相电流及晶闸管承受电压波形

改变晶闸管的触发角?琢的值，电压、电流波形随之而变。

图5、图6为?琢＝30°时的电压、电流波形。与?琢＝0°时相比，一周期中Ud波形仍由6段线电压构成，区别在于晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成Ud的每一段线电压因此推迟30°，Ud平均值降低。晶闸管电压波形也发生变化如图5所示。图6给出了电源侧A相电流iA的波形（黄线），其特点是，在VT1导通的120°期间，iA为正且波形与同时段的Ud波形相同，在VT4导通的120°期间，iA也与同时段的Ud波形相同，但为负值。

对于阻性负载，?琢＝60°是整流输出波形连续与断续的分界点。?琢≤60°时，Ud波形连续，Id波形与Ud形状一样也连续（没有画出）；图7给出了?琢＝60°时的整流电压及A、B相电流波形，电压波形是连续的。当?琢＞60°时，Ud波形和Id波形均不连续。图8给出了?琢＝90°时的整流电压和A、B两相电流的波形，明显出现了不连续。如果继续增大控制角到120°，整流输出电压Ud波形将全为零，其平均值也为零，可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路 角的移相范围为120°。

对于感性负载，当?琢≤60°时，Ud波形连续，电路工作情况与阻性负载时十分相似，各晶闸管通断情况、输出整流电压Ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流波形不同，阻感负载时电流波形变得平直。当电感足够大时，负载电流的波形可近似为一条水平线。图9给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载 ?琢＝30°时变压器二次侧A、B相电流和整流输出电压波形，可与图5、图6带电阻负载时情况进行比较。

当?琢＞60°时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时Ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时由于电感的续流作用，Ud波形会出现负的部分。图10给出了?琢＝90°时的波形。若电感足够大，Ud中正负面积将基本相等，Ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为90°。

5 结束语

通过上述利用Matlab/Simulink对三相桥式全控整流电路进行建模和仿真的过程，可以看出：利用Matlab/Simulink仿真工具辅助电力电子教学，不仅具有建模简单、更改参数方便，仿真波形丰富、生动、直观，能增强学生学习本课程的兴趣，促进学生更好地理解掌握电力电子电路基本原理等优点；还可节约老师画图时间，有利于老师更好地掌控课堂教学。另外，学生还可利用计算机网络资源把仿真模型下载下来随时复习观看。把仿真软件应用到教学中去，是一种较新的尝试，既有非常光明的前景，也有很多制约因素，需要我们进一步去探索、改进。

参考文献：

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术（第4版）[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]姚俊,马松辉.Simulink建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[3]张宝生,王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用[J].电气电子教学学报,2004,(3).

[4]张智娟.MATLAB/SIMULINK在电力电子学基础课程中的应用[J].华北航天工业学院学报,2006.7,(16增刊).

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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