基于Matlab/Simulink的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

陳嵐峰, 呂 嫣, 程立英, 吳 迪, 崔 崧, 周 波

(1. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034; 2. 東北大學(xué) 信息科學(xué)工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110089)

基于Matlab/Simulink的電力電子仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

陳嵐峰1,2, 呂 嫣1, 程立英1,2, 吳 迪1, 崔 崧1, 周 波1

(1. 沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110034; 2. 東北大學(xué) 信息科學(xué)工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110089)

Simulink是MATLAB最重要的組件,可方便的應(yīng)用框圖的方式對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)電力電子電路仿真,使得學(xué)生在不需要做實(shí)驗(yàn)的情況下,結(jié)合理論知識(shí)形象的認(rèn)識(shí)電路拓?fù)浜凸ぷ髟?。在介紹了三相整流電路和逆變電路工作原理的基礎(chǔ)上,應(yīng)用Matlab/Simulink軟件的電力系統(tǒng)仿真工具箱對(duì)電路進(jìn)行了仿真,得到的輸出波形可以在示波器(Scpoe)中觀察到。經(jīng)過(guò)分析可見(jiàn),響應(yīng)波形與理論分析一致,驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)的正確性。并且由于計(jì)算機(jī)仿真的靈活性,可以使得對(duì)電路拓?fù)浜蛥?shù)的修改極為方便,并且能夠從示波器中形象的觀測(cè)到各種響應(yīng)隨時(shí)間變化的波形,使得學(xué)生對(duì)電力電子電路的認(rèn)識(shí)更為深刻。

仿真; 三相整流電路; 逆變電路; Matlab/Simulink; 電路拓?fù)浜蛥?shù)

在“電力電子技術(shù)”本科教學(xué)中,只靠圖形的說(shuō)明,學(xué)生難以直觀地看到波形的變化,所以感到波形分析復(fù)雜,影響學(xué)習(xí)的效果。并且教材只給出了主電路拓?fù)?而并未給出驅(qū)動(dòng)電路及控制電路,使學(xué)生對(duì)電力電子電路系統(tǒng)缺乏必要的理解和體會(huì)[1]。Simulink是MATLAB最重要的組件,可以提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作,就能夠構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)[2]。

在電力電子電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 需要對(duì)初步方案(電路)以及相關(guān)元件參數(shù)選擇是否合理進(jìn)行驗(yàn)證。若不能滿足要求, 還要更換元件甚至要重新設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試。但這樣做的后果是耗費(fèi)大量的人力和物力,且效率低、耗資大、周期長(zhǎng)[3]。現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有超高壓、大容量、跨區(qū)域的特點(diǎn)。許多大型電力科研試驗(yàn)在實(shí)際條件下很難進(jìn)行,并且系統(tǒng)的安全性較低。因此,現(xiàn)階段應(yīng)用仿真軟件針對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和新裝置的研制是必不可少的[4]。

電力電子技術(shù)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課, 在培養(yǎng)本專業(yè)人才中占有重要地位[5]。本文基于電力電子技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程中的典型具體電路,應(yīng)用Matlab/Simulink軟件的電力系統(tǒng)仿真工具箱為其設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性強(qiáng)的仿真電路。

1 Matlab/Simulink軟件簡(jiǎn)介

近20年來(lái),Matlab[6]軟件因其面向矩陣的編程特性、出色的圖形處理功能、應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱以及圖形仿真界面而在電力系統(tǒng)仿真分析中得到了極其廣泛的應(yīng)用[7]。而且,Matlab良好的開(kāi)放性能使得它能夠始終處在科技前沿,并為其發(fā)展提供強(qiáng)有力的工具,Simulink環(huán)境即為Matlab圖形化的仿真功能[8]。具有形象、便捷的建模與仿真功能,從而深受用戶歡迎。

較新版本的Matlab/Simulink 提供的電力電子系統(tǒng)建模與仿真工具箱既保留了Matlab/Simulink 的統(tǒng)一風(fēng)格,又突出了電力電子的學(xué)科特點(diǎn),為電力電子技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了理想的工具[9]。Matlab/Simulink中電力系統(tǒng)仿真SimPower Systems工具箱即是非常適合于電力系統(tǒng)仿真的工具箱[10]。它具有建立電路仿真模型直接,且可以隨意改變仿真參數(shù)的特點(diǎn),從而立即得到任意的仿真結(jié)果[11]。

2 典型電力電子電路

2.1 三相整流電路原理

圖2 三相橋式PWM型逆變電路Fig.2 Circuit of three-phase bridge PWM inverter

圖1 三相橋式全控整流電路原理圖Fig.1 Circuit schematic of three-phase bridge full-controlled rectified

將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷碾娐芳凑麟娐?但其輸出的直流量都會(huì)帶有紋波[12]。如圖1所示為三相全橋整流電路[13],其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管(VT1、VT3、VT5)稱為共陰極組,陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管(VT4、VT6、VT2)稱為共陽(yáng)極組。晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。調(diào)節(jié)觸發(fā)角度就可以改變輸出直流電的大小。

2.2 逆變電路原理

逆變的原理是,使開(kāi)關(guān)器件按照一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷,則輸出電壓極性正負(fù)交替,即將輸入直流轉(zhuǎn)換為輸出交流[14]。如圖2所示為三相橋式PWM型逆變電路[15],通常都是采用雙極性控制方式。U、V和W三相的PWM控制共同使用一個(gè)三角波載波信號(hào)uc,三相調(diào)制信號(hào) urU、urV和urW的相位依此相差120度。U、V和W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。因此,逆變器輸出線電壓uUV、uVW、uWU由±Ud、0三種電平構(gòu)成,而輸出的相電壓由±1/3Ud、±2/3Ud和0遠(yuǎn)5種電平構(gòu)成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例

3.1 三相整流電路仿真

三相全橋整流電路仿真電路如圖3所示,其中VT1～VT6為晶閘管,Pulse1～Pulse6為6路脈沖信號(hào),觸發(fā)角度為0,用來(lái)驅(qū)動(dòng)晶閘管動(dòng)作。ua、ub、uc為三相輸入交流電壓,振幅值為200 V,頻率為25 Hz。負(fù)載電阻值為100 Ω。

圖3 三相橋式全控整流仿真電路

仿真時(shí)間為0.1 s,得到的輸出電壓仿真波形如圖4所示?？梢?jiàn),由于在自然換相點(diǎn)觸發(fā),所以負(fù)載電壓為線電壓正半周的包絡(luò)線,而晶閘管VT1上的電流只出現(xiàn)在ua相電壓最大時(shí)刻,其他為0。圖5給出了VT1的電壓波形與線電壓的關(guān)系,即在VT1導(dǎo)通時(shí)刻為0,而在其他時(shí)刻為兩段線電壓uba和uca,并給出了負(fù)載電壓與線電壓的關(guān)系。

圖4 三相橋式全控整流輸出波形

圖5 三相橋式全控整流線電壓與輸出波形關(guān)系

3.2 逆變電路仿真

圖6 三相橋式PWM型逆變仿真電路

三相橋式PWM型逆變電路仿真電路如圖6所示,其中Universal Bridge為逆變橋,選擇橋臂數(shù)為3。開(kāi)關(guān)器件選帶反并聯(lián)IGBT/Diodes,直流電壓設(shè)置為300 V,阻感負(fù)載分別為3 Ω和10 mH。Pulses模塊輸出六路脈沖,其頻率為50 Hz,占空比為0.4。

圖7 三相輸出線電壓仿真波形

圖8 三相輸出相電流、電壓仿真波形

仿真時(shí)間為0.04 s,得到的三相輸出線電壓仿真波形如圖7所示,可見(jiàn)其輸出電壓只有±300 V和0三種電平。而得到的三相輸出相電流和相電壓仿真波形如圖8所示,其輸出電壓有±200 V、±100 V和0五種電平,結(jié)果與前文提出的工作原理相符。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)以上兩個(gè)例子的仿真,可見(jiàn)應(yīng)用Matlab/Simulink軟件的電力系統(tǒng)仿真工具箱對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),可以得到與理論研究相同的結(jié)果,證明了應(yīng)用該軟件仿真電力電子電路的可行性。并且,由于是基于計(jì)算機(jī)的仿真研究,可以靈活的改變電路拓?fù)浜蛥?shù),使得對(duì)電路的研究更為方便?？傊?學(xué)生可以應(yīng)用靈活的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合課堂教學(xué)中的理論知,深刻的認(rèn)知和掌握電力電子電路的工作原理。

[ 1 ]劉芳,吳成就,潘俊濤. 基于MATLAB/GUI的電力電子電路仿真平臺(tái)構(gòu)建[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016,33(1):107-126.

[ 2 ]陸朱衛(wèi),吳馥云. MATLAB在電力電子課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 教育教學(xué)論壇, 2016(4):194-195.

[ 3 ]潘湘高. 基于MATLAB的電力電子電路建模仿真方法的研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2003,20(5):113-117.

[ 4 ]彭疆南. Matlab及其在電力系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用[J]. 沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000(1):28-32.

[ 5 ]韓芝俠. 基于Matlab/Simulink仿真的電力電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2008,24(2):27-30.

[ 6 ]陳嵐峰,崔崧. 基于IPMC分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)的頻域辨識(shí)研究[J]. 沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,34(1):62-65.

[ 7 ]姚偉,文勁宇,程時(shí)杰,等. 基于Matlab/Simulink的電力系統(tǒng)仿真工具箱的開(kāi)發(fā)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012,36(6):95-101.

[ 8 ]郭文然,李洋. MATLAB在電力電子電路仿真中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù), 2013(11):26-29.

[ 9 ]鄧國(guó)揚(yáng),盛義發(fā). 基于Matlab/Simulink的電力電子系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版), 2003,17(1):1-6.

[10]The Math Works. Simpowersystems user’s guide[M]. 5nd ed.Hydro-Quebec:The Math Works Inc, 2011:11-27.

[11]黃江波. 基于Matlab的三相橋式全控整流電路的仿真研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010(8):202-204.

[12]周霞,王斯然,凌光,等. 三相橋式整流電路濾波電容的迭代計(jì)算[J]. 電力電子技術(shù), 2011,45(2):63-65.

[13]石慶鑫,盧藝丹. 三相橋式整流電路的諧波分析及對(duì)策研究[J]. 華北電力技術(shù), 2010(11):7-10.

[14]吳冬梅,翟凱麗,沈澤,等. 基于MATLAB/Simulink的SPWM逆變電源的建模與仿真[J]. 電氣自動(dòng)化, 2014,36(3):5-7.

[15]王崇武,任章,李宏,等. 三相SPWM逆變電路輸出波濾波器的分析與設(shè)計(jì)[J]. 西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2002,16(3):247-250.

Research on power electronics simulation experiment teaching based on Matlab/Simulink

CHENLanfeng1,2,LUYang1,CHENGLiying1,2,WUDi1,CUISong1,ZHOUBo1

(1. College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. College of Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110089, China)

Simulink was the most important component of MATLAB,it can be convenient to use block diagrams simulate circuit system. In the case of experiments which could not needed to be done, students can vividly understand the circuit topology and working principle by using computer software to simulated power electronic circuit with theoretical knowledge. On the basis of describing the three-phase rectifier circuit and the inverter circuit working principles, the resulting output waveforms can be observed in the scope by using the power system simulation toolbox of Matlab/Simulink. By analyzed, the response waveforms were consistent with the theoretical calculation, so the simulation was correct. Due to the flexibility of computer simulation, circuit topology and parameter were very convenient changed. So the waveforms of the various responses with time could be observed from the image in oscilloscope. Students could understand of power electronics circuits deeply.

simulated; three-phase rectifier circuit; inverter circuit; Matlab/Simulink; circuit topology and parameters

2016-12-27。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61673094)。

陳嵐峰(1979-),男,遼寧沈陽(yáng)人,沈陽(yáng)師范大學(xué)講師,碩士。

1673-5862(2017)03-0364-06

TP391.9

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.021