關(guān)于電力電子技術(shù)教學(xué)中Matlab/Simulink的應(yīng)用研究

鄒 莉

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽 六安 237011)

“電力電子技術(shù)”是電氣工程學(xué)科中最活躍的一個(gè)分支，很多高校都將其作為電氣自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的必修課程，內(nèi)容包括了電力電子器件、交直流之間的基本變換電路等［1］。對(duì)電路工作原理的講解和各種波形的分析是本課程的重要內(nèi)容之一。

由于該課程較抽象，學(xué)生在開始學(xué)習(xí)時(shí)不易理解，無法掌握基本分析方法，逐漸失去興趣，造成惡性循環(huán)。據(jù)調(diào)查，大多數(shù)學(xué)生對(duì)這門課的掌握情況都不理想。同時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)中手工繪制大量繁雜的波形圖，不僅費(fèi)時(shí)，而且不夠準(zhǔn)確。如果采用多媒體教學(xué)，在PPT中加入圖片和flash動(dòng)畫，制作起來十分麻煩，更改電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)時(shí)又要重新制作，缺乏靈活性，難以滿足教學(xué)要求。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種可用于電力電子教學(xué)的仿真軟件，如 Matlab、Pspice、Psim、Saber、SIMetrix/SIMPLIS等［2］。它們既能模擬電路的工作狀態(tài)，又能根據(jù)不同的條件和參數(shù)，仿真出不同的波形，每種軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，教師可以根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容選用合適的仿真軟件。

本文主要研究將Matlab/Simulink用于電力電子教學(xué)，提高教學(xué)效果，并給出實(shí)例進(jìn)行說明。

1 Matlab/Simulink簡介

1.1 軟件介紹

Matlab是一種適用于工程領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算軟件，以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，提供開放式的集成環(huán)境，交互式地接受指令，輸出結(jié)果，其功能強(qiáng)、效率高，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程、教學(xué)和科研［3］。該軟件有兩種仿真方法:一是求解系統(tǒng)的狀態(tài)表達(dá)式，此方法較為繁瑣，不易掌握;二是利用圖形化的動(dòng)態(tài)仿真軟件包，可以實(shí)現(xiàn)快速建模、仿真和分析，使用方便。Simulink就是這樣一種軟件包，用點(diǎn)擊、拖動(dòng)鼠標(biāo)的方法就能將元件模塊組合成系統(tǒng)模型，任意改變參數(shù)，即可得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。

Simulink中有一個(gè)重要的工具箱，電力系統(tǒng)模塊庫SimPowerSystems，它在PLC電路、電力系統(tǒng)、電力電子及電力拖動(dòng)的仿真中功能強(qiáng)大，具有很大優(yōu)越性。此模塊庫中含有各種電源、連接器、元件、測量儀器、電機(jī)及電力電子器件，另外還附加有六脈沖同步發(fā)生器、整流橋、定時(shí)器等［4］。

1.2 仿真過程介紹

Matlab/Simulink的仿真步驟如下:

步驟一:打開模塊庫瀏覽器窗口，創(chuàng)建一個(gè)仿真模型文件。

步驟二:從模塊庫中選取元器件，用鼠標(biāo)拖入仿真窗口。

步驟三:按照電路原理圖，將各元器件組成仿真模型。

步驟四:給各模塊設(shè)置合適的參數(shù)。

步驟五:點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕開始仿真，仿真完畢，雙擊示波器觀察結(jié)果。

2 仿真分析實(shí)例

電力電子技術(shù)教學(xué)中有多種整流電路，其中以三相橋式全控整流電路為典型代表，其開關(guān)器件數(shù)目多，分析過程較其他整流電路復(fù)雜，且在后續(xù)的變流電路中使用較多。所以，本文以此電路為例說明Matlab/Simulink的應(yīng)用。

2.1 建立仿真模型

根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理，利用PSB工具箱提供的模塊，在Simulink仿真窗口中建模。整流橋采用晶閘管作為電力電子開關(guān)，使用通用變換器橋Universal Bridge;三相電壓源使用三個(gè)交流電源模塊AC Source;選用同步6脈沖發(fā)生器Synchronized 6-Pulse Generator，為晶閘管提供大于60°的寬脈沖或雙窄脈沖;同步6脈沖發(fā)生器所需的同步電壓，從測量出的電源線電壓獲得;負(fù)載使用RLC串聯(lián)支路模塊Series RLC Branch;所要觀察的各種電壓電流信號(hào)送入示波器Scope模塊;另外，觀測單個(gè)晶閘管參數(shù)要用多路觀測器Multimeter模塊［5］?；诖?，建立起如圖1所示的仿真模型。

圖1 三相橋式全控整流電路仿真模型

接下來對(duì)各模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。三相電源的相電壓峰值設(shè)為100 V，頻率為50 Hz，相位相互相差120°，分別為0°、-120°、-240°;通過橋式電路模塊的A、B、C輸入端與三相電源連接，“+”“-”端口接直流側(cè)正負(fù)極;同步6脈沖發(fā)生器的Block使能端設(shè)置為0，表示有脈沖輸出，alpha-deg端用來設(shè)置觸發(fā)角大小，同步電壓頻率設(shè)置為50Hz，脈沖寬度10°，勾選雙脈沖方式;負(fù)載采用阻感性負(fù)載，電阻值為1 Ω，電感值為0.01 H。

最后還要對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在菜單選項(xiàng)“Simulation＞Configuration Parameters”中，將仿真時(shí)間設(shè)為0～0.04s，選擇可變步長ode23tb算法。

2.2 觀測仿真結(jié)果

開始仿真，雙擊示波器，觀察波形。改變觸發(fā)角α，可以得到不同的仿真結(jié)果。圖2為三相橋式全控整流電路仿真波形圖，分別顯示觸發(fā)角在30°、90°時(shí)的輸出電壓電流、晶閘管兩端電壓電流、觸發(fā)信號(hào)的波形圖及輸出電壓平均值。

經(jīng)過整個(gè)仿真過程，使學(xué)生進(jìn)一步加深了對(duì)觸發(fā)角的理解，通過觀察不同觸發(fā)角時(shí)的輸出波形，可得到阻感負(fù)載時(shí)該電路的移相范圍，既而與電阻性負(fù)載時(shí)的情況相比較，總結(jié)出各自的特點(diǎn)。在教學(xué)中，除了設(shè)置改變觸發(fā)角的環(huán)節(jié)外，還可以改變負(fù)載大小，設(shè)置故障、疑點(diǎn)。比如，讓某個(gè)晶閘管丟失觸發(fā)脈沖，采用寬度小于60°的寬脈沖，α超前自然換相點(diǎn)等，都可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高自我解決問題的能力。圖3為VT1、VT4丟失觸發(fā)脈沖后輸出電壓的波形圖。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真波形圖

圖3 丟失某些觸發(fā)脈沖后輸出電壓波形

3 結(jié)語

Matlab/Simulink軟件可以很方便地對(duì)電力電子電路進(jìn)行建模、仿真，可以靈活地更改參數(shù)，觀測到不同結(jié)果，將其應(yīng)用于電力電子教學(xué)中，使傳統(tǒng)教學(xué)和多媒體教學(xué)相結(jié)合，避免了復(fù)雜的繪圖過程，節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也避免了實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的問題，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)裝置的不足，增強(qiáng)了教學(xué)的靈活性。學(xué)生在學(xué)習(xí)電力電子這門課的同時(shí)，也掌握了Matlab/Simulink這種仿真工具，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

［1］李軍.《電力電子技術(shù)》課程的 Matlab/Simulink仿真［J］.山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，13(3):53-55.

［2］楊浩東，王偉.電力電子教學(xué)中常用仿真軟件對(duì)比［J］.中國電力教育，2012(3):112-113.

［3］劉海昌，張曉杰.MATLAB在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，4(2):119-121.

［4］朱曉東，高繼賢.SIMULINK在電力電子中的應(yīng)用［J］.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25(4):85-89.

［5］陳爽，段國艷，王靜.MATLAB/SIMULINK在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.福建電腦，2011(4):195-196.