MATLAB在電力電子教學實踐中的探究

【摘要】隨著計算機應用技術的不斷提高，結合電力電子技術中原有的實驗教學的不足，本文基于MATLAB對仿真教學進行研究，并以仿真實驗為例進行分析和說明。Matlab作為電子CAD仿真軟件中的一種，依靠著它簡潔、直觀的特性被廣泛的應用到電子電路虛擬仿真中。通過對三相半波整流電路的MATLAB仿真，展現出MATLAB的實用性和方便性，進一步論證了計算機仿真技術在實踐教學中的優越性[1]。

【關鍵詞】MATLAB；仿真；實驗教學

1.基于MATLAB的仿真教學

MATLAB是電子CAD仿真軟件中實用性比較強的軟件。大量的仿真實驗和仿真數據可以通過MATLAB得到有效的體現，因此，在教學實踐中得到了很好的應用和普及。MATLAB包括常用工具箱和內部函數兩大主要部分，主要應用在圖形繪制和處理、電力系統和電力電子電路仿真、數字通訊信號處理和仿真、數值分析等多種領域，具有很強的實用性和界面友好性。當把MATLAB應用在電力電子實驗仿真中時，不僅僅可以簡單方便的構造電路，進行模擬測試和仿真，最重要的是利用其數學處理特性進行數據的提取和分析。本次仿真實驗主要使用MATLAB中的Simulink模塊。Simulink主要由連續模塊、離散模塊、函數和平臺模塊、數學模塊等多部分組成。通過各模塊中相應元器件的選擇，實現對仿真電路的搭建。

過去通常我們通過對實際電路的搭建，用相應的電流表、電壓表對相應測點的數據進行測量讀取，通過對數據的整理和分析得到相應的實驗結論，結合理論計算進一步了解電路的工作原理，實現實踐教學的目的。

現在通過計算機MATLAB中Simulink的使用，不僅僅能解決從理論直接跨度到實踐中常常出現的帶電路搭建問題，還能避免不必要的危險性。在實踐教學中，完全可以增添計算機電路仿真這一環節，通過同學理論知識的學習完成相關電路獨立搭建，通過仿真中出現的無法接線、示波器數據顯示異常等現象，自己主動發現問題、解決問題，從而當實際實驗時，就會更好的避免不必要的錯誤，達到更理想的教學目的，也能讓學生更好的了解MATLAB，提高學生今后對計算機軟件的興趣[2]。

在電力電子電路實驗仿真中，通常需要四步：

第一步，運行MATLAB，進入主界面；通過命令調用Simulink工具。

第二步，通過Simulink中相應模塊里元器件的選擇，構造出所需的電路。

第三步，對相應的計算函數、元器件參數、數據采集時間等進行設置。

第四步，點擊運行，對仿真出的圖形進行分析。

2.三相半波整流電路仿真實例

通過對電力電子電路中三相半波可控整流電路的仿真，可以學習仿真的方法和技巧，研究電路的原理和性能。下面就以實例說明仿真在教中起到的作用。

2.1 三相半波可控整流電路實驗仿真

三相半波可控整流電路實驗線路如圖1所示：

三相半波可控整流電路由三相變壓器、晶閘管、負載、觸發脈沖四部分組成，通過對晶閘管觸發時間的選擇實現對整流輸出電壓的調節，由于三項整流裝置三相間是平衡的，輸出的電壓和電流脈動小，對電網的影響也小，且自身結構簡單、控制滯后時間短，因此是比較經濟實用的電路。本次仿真實驗通過阻感負載和春電阻負載輸出各電路的圖像對比分析，再加上理論比較，展現出MATLAB在實踐教學中的優越性，并通過對各種常見電路故障分析，避免實際電路接線時造成不必要的損失和危險。

圖2是用利用MATLAB提供的動態仿真工具Simulink搭建的三相半菠可控整淹電路模型。

圖1 三相半菠可控整淹電路實驗原理圖

圖2 三相半波可控整流電路模型

圖3 參數設置

2.2 仿真中模塊參數的設置

合理的參數設置對MATLAB仿真起到關鍵性的作用，本次仿真通過對三相半波可控整流電路中算法類型、觸發脈沖相關參數、晶閘管參數等器件的相關參數的選擇，實現較好的仿真效果，便于結合仿真圖像，對相關實驗進行理論分析，實現良好的教學目的。相關參數的設置如圖3所示，分為五步[3]。

（1）相關算法設置

算法（solver）ode23tb，相對誤差（relativetolerance）1e-3，開始時間0結束時間0.1s。

（2）觸發脈沖參數設置

振幅5V，周期0.02，占空比5%，時相延遲為*0.02/360。

（3）電源參數設置

頻率50hz，電壓380v，其相限角度分別為0°、120°、240°。

（4）晶閘管參數設置

Ron=0.001，Lon=0.0001，Vf=0V，Rs=1，Cs=250e-6F。

（5）RLC參數設置

R=100，L=0.02H，C=inf，和R=100，L=0H，C=inf。

2.3 仿真結果

如圖4所示（a）、（b）分別為觸發角α=60o時，R（電阻性）負載和觸發角α=60o時，RL（阻感性）負載的仿真波形圖，分別測得觸發脈沖波形、三相電源波形、流過晶閘管的電流、流過晶閘管的電壓、流過負載的電流、流過負載的電壓六項相關物理量。

圖4 純阻性負載和阻感負載仿真波形

圖5 晶閘管和負載兩端電壓電流仿真波形

圖6 單相晶閘管短路與短路仿真波形

進一步選取純電阻負載中流過晶閘管的電壓、電流和流過負載的電壓與阻感負載中流過晶閘管的電壓、電流和流過負載的電壓、電流，如圖5所示，對比波形容易發現阻感性負載當α30時，電壓波形出現負值，由于電感的作用，波形連續，晶閘管的導通角為120，而純電阻負載晶閘管導通角小于120。

3.問題拓展

分別對電路中任意一晶閘管斷路（如：晶閘管燒斷斷開）或短路（如：晶閘管擊穿了短路）進行電路的MATLAB建模仿真，仿真圖形如圖6所示。容易發現當晶閘管燒斷時則整流器相當于缺相運行，其輸出電壓會降低，輸出整流電壓波形會少波頭。其值可能會減少1/4左右；而當晶閘管擊穿時，流過其他元器件的電流會非常大，這個時候很容易引起相關器件、相關電路的連鎖短路，造成元器件的損毀，故障擴大化。因此，當我們在實際電路接線實驗時，尤其要注意預防晶閘管的短接，避免造成較大的損失和對人員的傷害[4]。

4.總結

通過MATLAB/Simulink仿真實驗，我們會發現它具有很強的靈活性和人機交互界面，通過計算機虛擬仿真不僅僅能達到實踐中對電路相應數據的記錄和分析，最主要的是可以通過它的虛擬性構建不正常運行時相關數據的采集，方便教學中對學生實踐誤操作嚴重性的警告，讓同學們在通過仿真實驗后，能更好的完成實際電路接線，并且降低學生誤操作的發生，提高了理論與實踐的更好的結合。

參考文獻

[1]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]鄭雪欽.基于Matlab電力電子技術應用的實現[J].2006 （19）：152-153.

[3]薛定宇，陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

[4]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介：

呂峰（1988—），男，山東科技大學電氣工程專業研究生在讀。

張哲（1989—），男，山東科技大學電氣工程專業研究生在讀。