“電力電子技術(shù)”虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

李大雙

（河池學(xué)院人工智能與制造學(xué)院，廣西 河池 546300）

0 引言

“電力電子技術(shù)”作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)其他知識(shí)領(lǐng)域起到很大的引導(dǎo)和借鑒作用[1]。該門課程的主要特點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)繁雜，電路圖多而雜，課程實(shí)用性很強(qiáng)，具有理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)[2]。由于實(shí)驗(yàn)復(fù)雜繁瑣，學(xué)生沒有足夠的時(shí)間和空間及時(shí)地去學(xué)習(xí)和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如何能夠在有效的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)和消化所學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生較好地掌握所學(xué)課程內(nèi)容，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，拓展學(xué)生的認(rèn)知，是目前教育者需要解決的一個(gè)問題。因此，可以通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及實(shí)踐操作等方面的改革，節(jié)約時(shí)間和空間。為解決上述問題，可以通過搭建“電力電子技術(shù)”虛擬仿真平臺(tái)，通過人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種“電力電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)通過對(duì)參數(shù)的設(shè)計(jì)和修改，以圖形的方式顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而直觀地看出參數(shù)的改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，促進(jìn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的掌握和理解[3-4]，同時(shí)也節(jié)省了大量的學(xué)習(xí)時(shí)間，鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新的能力。

MATLAB 軟件可以滿足“電力電子技術(shù)”課程電路中器件的特異性和非線性等特點(diǎn)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有系統(tǒng)運(yùn)行性能好，效益高等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地使用?；贕UI 圖形界面的人機(jī)交互方式使用越來越廣泛，在該模式下，幾乎所有的應(yīng)用程序都是在GUI 下運(yùn)行，用戶可以通過鼠標(biāo)和其他一些輸入設(shè)備，直接和計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流[5-6]。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果波形和真實(shí)實(shí)驗(yàn)波形基本吻合，可以較準(zhǔn)確地反映出在真實(shí)環(huán)境中真實(shí)電路的工作情況。

基于MATLAB 圖形用戶界面GUI，設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)用、操作簡(jiǎn)單的具有控件和菜單式的界面，構(gòu)建了“電力電子技術(shù)”虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)包括登錄界面、仿真實(shí)驗(yàn)的選擇界面以及實(shí)驗(yàn)仿真界面等，通過以上人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“電力電子技術(shù)”的各種類型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真。該平臺(tái)可以對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改，通過仿真波形來顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可直觀地反映出參數(shù)的改變對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。提高了教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1 基于MATLAB 的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

“電力電子技術(shù)”虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)以MATLAB為載體，在GUI 環(huán)境設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)平臺(tái)要達(dá)到各種功能，確定系統(tǒng)平臺(tái)界面框架。然后，將所要設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為該系統(tǒng)的子系統(tǒng)。最后，確定統(tǒng)一的連接方式。在功能的實(shí)現(xiàn)方面，通過編寫GUI 界面控件的回調(diào)函數(shù)來達(dá)到各個(gè)控件所要實(shí)現(xiàn)的功能，最后再對(duì)回調(diào)函數(shù)進(jìn)行修改與調(diào)試。GUI 程序運(yùn)行流程如圖1 所示。

圖1 GUI 程序運(yùn)行流程

構(gòu)建的“電力電子技術(shù)”虛擬仿真平臺(tái)包含有平臺(tái)登錄界面、平臺(tái)介紹界面和實(shí)驗(yàn)仿真界面3 個(gè)主界面設(shè)計(jì)，包括了“電力電子技術(shù)”的典型的實(shí)驗(yàn)電路，例如整流電路模塊、斬波電路模塊和逆變電路模塊滿足了“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)還可以輔助學(xué)生進(jìn)行自己的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。圖2 為電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的總體框架。

圖2 電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體框架

2 界面設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)登錄界面設(shè)計(jì)

登錄界面是平臺(tái)的開始和結(jié)束的交替，設(shè)計(jì)了登錄和退出兩個(gè)控件，用戶可以通過點(diǎn)擊界面上的兩個(gè)控件按鈕完成進(jìn)入平臺(tái)和退出平臺(tái)等功能，如圖3 所示。

圖3 登錄界面窗口

2.2 平臺(tái)介紹界面設(shè)計(jì)

平臺(tái)介紹界面包括電力電子技術(shù)和電力電子器件兩個(gè)方面的介紹。該界面與電力電子器件介紹是同屬于一級(jí)的系統(tǒng)，故可以通過點(diǎn)擊電力電子器件按鈕進(jìn)入到電力電子器件介紹界面，同時(shí)可以通過界面上的控件按鈕進(jìn)入到仿真界面和返回平臺(tái)介紹界面，如圖4 所示。

圖4 平臺(tái)介紹界面

2.3 實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目界面是進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的開始界面，包括整流電路、斬波電路、逆變電路三大模塊的典型電路類型，這幾類實(shí)驗(yàn)是“電力電子技術(shù)”課程中的主要實(shí)驗(yàn)。該界面是選擇電路進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和退出仿真的中間站，起著過渡的作用，如圖5 所示。其中每個(gè)電路模塊都包含有它的Simulink 仿真實(shí)驗(yàn)電路模型，和各個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、參數(shù)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果顯示等。

圖5 實(shí)驗(yàn)仿真界面

3 三相橋式全控整流電路仿真

整流電路是電力電子技術(shù)中一項(xiàng)重要的變流技術(shù)，橋式整流是其最重要最基礎(chǔ)的內(nèi)容。本文以三相橋式全控整流電路實(shí)驗(yàn)為例，講解如何使用該虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。

3.1 電路仿真模型的搭建

根據(jù)三相橋式全控整流電路的實(shí)驗(yàn)原理圖選取合適的模型器件，用到的主要模型有：①交流電源；②常數(shù)模塊；③同步6 脈沖觸發(fā)器；④增益模塊；⑤萬用表；⑥電壓測(cè)量模塊；⑦通用變換器器橋；⑧示波器[7]。

利用整流器件的工作特性和不同負(fù)載的性質(zhì)，搭建實(shí)驗(yàn)仿真模型如圖6 所示，分析各個(gè)電子器件在工作時(shí)刻的導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，通過設(shè)置不同負(fù)載和控制角的大小來分析在得到的器件的電壓、電流波形的基礎(chǔ)上，電流、電壓與控制移相角的關(guān)系。

圖6 三相橋式全控整流電路仿真模型

3.2 仿真界面設(shè)計(jì)

界面的設(shè)計(jì)主要包含有參數(shù)設(shè)置區(qū)域、實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示區(qū)域和操作區(qū)域三個(gè)部分，如圖7 所示，上面部分是實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)設(shè)計(jì)部分，中間部分屬于實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示部分，下方屬于仿真操作區(qū)。仿真操作按鈕可以實(shí)現(xiàn)將建立好的仿真模型導(dǎo)入，并能根據(jù)仿真界面的參數(shù)輸入設(shè)計(jì)修改模型參數(shù)進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果顯示在下方的顯示區(qū)。

圖7 三相橋式全控整流電路仿真界面

（1）參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)

三相橋式全控整流電路的主要參數(shù)設(shè)計(jì)包括三相交流電源的電壓、頻率、和相位的設(shè)置、負(fù)載類型的選擇和大小的設(shè)置和脈沖觸發(fā)器的觸發(fā)角設(shè)置。分別對(duì)三相電源的電壓、頻率、和相位，負(fù)載電阻的類型選擇和電阻、電感值、脈沖觸發(fā)角進(jìn)行設(shè)計(jì)，以靜態(tài)文本作為他們的文本標(biāo)簽，需要修改數(shù)據(jù)時(shí)，直接編輯標(biāo)簽后面的可編輯文本即可對(duì)他們進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改。

（2）結(jié)果顯示區(qū)域

根據(jù)仿真建模結(jié)構(gòu)設(shè)置實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)顯示區(qū)域，三相橋式全控整流電路所要仿真的波形只有晶閘管的電壓和電流波形，所以界面設(shè)計(jì)只布控2 個(gè)坐標(biāo)區(qū)域，用來顯示示波器上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

（3）仿真操作區(qū)

仿真操作有仿真運(yùn)行和返回兩個(gè)操作按鈕，分別實(shí)現(xiàn)仿真的運(yùn)行和返回電路選擇界面的功能。

（4）子界面回調(diào)函數(shù)的編寫

參數(shù)的獲?。豪没卣{(diào)函數(shù)讀取GUI 仿真界面中可編輯文本中的數(shù)值，利用相同的參數(shù)傳遞到相關(guān)聯(lián)的slx 模型中。通過設(shè)置打開的Simulink 模型中仿真開始和結(jié)束時(shí)間的修改，達(dá)到仿真時(shí)間的設(shè)置。該界面還可以通過修改電路中的負(fù)載類型來觀測(cè)不同負(fù)載類型的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。

3.3 仿真的具體實(shí)現(xiàn)

在開始界面點(diǎn)擊“登錄”按鈕登錄到仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8 所示。進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)仿真開始界面，點(diǎn)擊“進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目界面，如圖9 所示，通過菜單選項(xiàng)選擇整流電路中的三相橋式全控整流電路實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、閱讀相關(guān)的操作步驟和相關(guān)參數(shù)的參考，進(jìn)入仿真界面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟要求編輯標(biāo)簽后的編輯文本對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。

圖8 電力電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真開始界面

圖9 三相橋式全控整流電路波形圖

把負(fù)載類型設(shè)置為電阻負(fù)載性，大小可以是2 Ω、觸發(fā)角為60°，三相電源電壓為100 V，頻率為50 Hz，相位分別設(shè)置為0°、-120°、-240°。對(duì)參數(shù)設(shè)置完畢后，如圖10 所示，點(diǎn)擊“仿真”按鈕運(yùn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為三相橋式全控整流電路負(fù)載大小為2Ω，觸發(fā)角為60°時(shí)的晶閘管電壓、電流的波形圖。

圖10 三相橋式全控整流電路波形圖

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的時(shí)候，可以直接在界面上修改參數(shù)設(shè)置不同的負(fù)載類型和負(fù)載大小、觸發(fā)角的大小來觀察不同負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形和不同觸發(fā)角大小的波形圖，不再需要進(jìn)入到實(shí)際模型里邊修改模型的參數(shù)，節(jié)省了大部分的時(shí)間和繁雜的操作步驟，給實(shí)驗(yàn)帶來了很大的方便。

從理論性分析，仿真實(shí)驗(yàn)得出的波形與實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形具有一致性，在電阻性負(fù)載時(shí)觸發(fā)角α≤60°時(shí)的負(fù)載電壓波形是連續(xù)的，當(dāng)觸發(fā)角α＞60°時(shí)負(fù)載電壓波形是斷續(xù)。當(dāng)觸發(fā)角α=120°時(shí)，輸出電壓為零Ud=0，三相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載移相范圍為0°～120°。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性分析，虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)是可行、可靠的。

4 總結(jié)

用MATLAB GUI 系統(tǒng)對(duì)“電力電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。首先，以Simulink 工作空間為載體，建立典型電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真模型。其次，利用GUI 圖形用戶界面的相關(guān)控件組成設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)操作界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。該虛擬仿真平臺(tái)通過修改GUI 界面的參數(shù)達(dá)到修改仿真模型參數(shù)，從而調(diào)用模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。該虛擬仿真平臺(tái)的使用可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)也可以提高教師的教學(xué)效率。