基于Simulink的變流技術仿真實驗研究

云中華，　李勇峰

(西藏大學 工學院， 拉薩 850012)

0　引　言

“電力電子變流技術”在當代應用非常廣泛，主要涉及到整流、逆變、斬波、交流變流、交流調壓/調頻及其他相關技術，是電子學、電力學和控制理論的交叉學科，具有很強的實踐性和應用性，廣泛應用于工業、交通、電器、光伏發電能源及航天軍工等場合[1-6]。而電力電子變流技術的傳統的實驗方法是在理論學習后通過實驗臺進行接線實驗并觀察實驗結果等，這種實驗方法很好的把理論應用到了實際現象中，但是也顯露出了諸如過程不清晰、器件選擇不豐富、波形觀察不透徹、結果分析不全面等諸多缺點。令實驗人員無法深入理解電力電子變流技術的內涵。

隨著計算機科學的快速發展，出現了諸多仿真系統，如PSIM、PSpice、saber、PLECS等，而Matlab/Simulink中的SimPowerSystems是一款非常優秀的電力電子建模工具，其建模資源豐富，輸出形式多元化，顯示非常直觀，基于Simulink的變流技術仿真實驗，可以理論結合實際，使電力電子變流技術實驗更加容易理解。

本文選擇電力電子變流技術中的幾類經典電路如單相全橋整流、三電平SPWM逆變電路、斬控式交流調壓、直流升降壓斬波以及ZVS-PWM變換器進行了仿真模型的Simulink建模以及波形分析，針對以往實驗過程中較少涉及到的FFT分析，本文針對上述電路中的三電平SPWM逆變電路和斬控式交流調壓進行了FFT分析，使參與實驗的學生更加深刻地理解電力電子變流技術知識，使學生從參與教學驗證型實驗轉型到自主研究型實驗。

1　Simulink電路仿真建模

Simulink建模環境擁有強大的Simpower systems模型庫，它內部包含了多種電力電子變流電路元件，如電源、元器件、連接部件、測量儀表及計算模塊等，參與實驗的學生可利用這些元件進行電力電子變流電路的模型搭建、參數設置、仿真運行及結果分析等全過程主動性實驗。學生可在實驗過程中去理解電路原理，對實驗結果利用Simulink提供的各種工具進行分析與研究思考[7-9]。

在Simulink中進行仿真實驗首先需要進行電路模型的搭建，學生們可在Simpower systems庫中根據電路原理圖進行模塊選擇并連接電路。在連接好電路模型后，學生可以根據自己的需求設置所需參數，如電路器件參數及仿真軟件參數等。在設置參數的時候，實驗人員能夠對變流電路的深層次問題和原理有更好的認識學習與思考，并結合自己的需求與實際輸出情況進行參數修正，以達到最優結果。在完成上兩步后，就可以運行仿真，并觀察輸出結果[10-12]。

2　變流技術實驗設計

鑒于傳統電力電子變流技術實驗的眾多缺點，根據課程實驗大綱需要，本文利用Simulink仿真工具選擇了基礎性的單相橋式整流電路、直流升降壓斬波電路、斬控式單相交流調壓電路以及提高性實驗的三電平SPWM逆變電路ZVS-PWM電路進行仿真，并對上述中的部分電路進行了FFT分析，這在以往的實驗過程中較少涉及到，通過此步驟，實驗人員可更深層次的理解變流技術[13-15]。

2.1　單相橋式整流電路建模仿真與分析

單相橋式整流電路是最基本的電力電子電路，其Simulink模型搭建如圖1所示，選擇電動勢負載情況進行仿真建模，具體參數可根據實驗人員需求設置，此處設置交流電壓100 V、負載反電動勢50 V、負載電阻10 Ω，圖2所示為觸發角45°時的運行仿真波形[1-4]。

圖1單相橋式整流電路Simulink仿真模型

圖2　單相橋式整流電路輸出波形

實驗分析：從圖中可知，當負載為蓄電池等反向電動勢時，只有電源電壓瞬時值的絕對值大于反向負載的時候，才有晶閘管導通的可能性，而隨著觸發角的不同，其波形也會隨之有變化，然而為了使晶閘管能夠可靠導通，對觸發脈沖也有一定的要求，也就引入了觸發延遲的概念。

2.2　直流升降壓斬波電路

直流升降壓斬波電路是經典DC-DC的一種，其Simulink仿真模型如圖3所示，選擇脈沖占空比a為60%，經過理論計算其輸出電壓Uo=a/[(1-a)E]=75 V，由于晶閘管關斷后電感L存儲的能量向負載釋放的理論原理，故輸出為反向，其輸出仿真波形如圖4所示[1-3]。

實驗分析：從輸出波形中可觀察觸發脈沖占空比、負載電流和負載電壓波形，且清楚地看出輸出電壓反向，且輸出平均電壓為75 V左右，另外實驗人員還可在晶閘管側兩端和二極管側兩端連接示波器來觀測其電壓電流波形，由此可以深入了解升降壓斬波電路的能量傳輸過程，提升認識。

圖3直流升降壓斬波電路仿真模型

圖4　直流升降壓斬波電路輸出波形

2.3　斬控式交流調壓電路

斬控式交流調壓電路仿真模型如圖5所示，電路常采用GTO、IGBT等全控器件構成，本電路模型選擇IGBT來組成。從理論中可知斬波調壓電路中電源電流的基波分量相位和電源電壓相位基本一致，功率因數很高[6]。在模型中設置脈沖寬度后，進行仿真運行，并將輸出電壓uo輸入scope示波器，將輸出數據格式設置為structure with time，即可在powergui中進行FFT分析，觀察電路輸出電壓的諧波。仿真輸出如圖6所示，輸出電壓FFT分析如圖7所示。

圖5斬控調壓仿真模型

實驗分析：從輸出波形可以看到斬波調壓的輸出 效果達到了預期目的，另外從FFT analysis Tool可看出，輸出諧波頻率分別為50、450、550、950 Hz等，不包含直流分量，且諧波次數增大的同時輸出幅值隨之下降，另外，設置不同的脈沖寬度進行多次仿真實驗，其基波分量和諧波分量也將發生變化。實驗結果與理論分析一致。

圖6　斬控調壓電路輸出波形

2.4　三電平Spwm逆變電路

此處三電平SPWM逆變電路采用三角載波層疊發輸出PWM信號來控制[6]。限于篇幅，此處只給出其輸出線電壓uAC的仿真波形，未給出負載輸出電壓波形。在FFT analysis Tool中將輸出線電壓波形和諧波分析即可同時顯示出來。仿真模型如圖8所示，輸出波形和FFT分析圖如圖9所示。

圖8三電平SPWN逆變電路

實驗分析:本模型中將輸出基頻頻率設置為50 Hz，0初相，載波頻率為2 kHz，圖9中上部為選擇的輸出線電壓波形，下部為諧波分析圖，從圖中可以看出輸出諧波分量主要分布在2 kHz附近，如果增加電平數量，線電壓和負載輸出電壓則更加和正弦波接近。

圖9　三電平SPWM逆變電路輸出仿真分析圖

2.5　ZVS-PWM變換器

零電壓開關PWM變換器(Zero-Vlotage-Switching PWM Converter)或稱軟開關，相比準諧振電路，其電壓接近于方波，其波形邊沿較為平緩，故開關承受電壓就可大幅降低。由于開關動作的時候開關的電壓為零，故其損耗大幅降低，穩定性即可提高[2]。ZVS-PWM變換器的電路模型仿真如圖10所示，其輸出電壓和電流波形如圖11所示。圖中Scope輸出負載電流和電壓，Scope1輸出了開關Switch兩端電容吸收的電壓波形，為了實驗觀察效果明顯，本模型中吸收電容值設置較小。

圖10ZVS-PWM變換器仿真模型圖

實驗分析：從圖中可以看出，ZVS電路的基本特性，如果增大吸收電容值，就可以使得吸收電容波動程度降低。根據仿真過程和結果，學生可以更為深刻的理解ZVS開關過程中諧振問題以及開關前后電壓電流變化率降低的方法和消除開關損耗的方法，另外學生可以自主不斷調整電路參數，使得軟開關效果更好。

3　結　語

鑒于傳統電力電子變流技術實驗的諸多缺點，本文選擇了電力電子變流技術的幾個難度遞增的電路為例，將Simulink仿真引入實驗教學與研究中，對重要的整流、逆變、斬波、調壓和軟開關電路進行了電路的建模及仿真，并對三電平SPWM逆變電路和ZVS-PWM電路利用FFT Analysis Tool進行了傅里葉分析。通過這幾個典型的、難度不同的實驗過程，不僅能使學生在視覺上直觀地看到電路輸出結果和需要觀測的元件部分工作狀況，還能讓學生從電路原理分析理解，到電路搭建、參數設定、輸出結果觀察分析進行全方位深層次理解與研究，彌補了傳統實驗的只能觀測固定參量的缺點。另外學生可將電路傅里葉展開求解后的結果對照Simulink的FFT分析工具進行研究分析，極大改進了傳統電力電子變流電路實驗的效果。

利用Simulink工具結合理論課程，學生們通過進行電力電子變流電路自主設性計，能極大地促進從傳統的驗證性實驗到設計性、研究性、綜合性實驗的轉變，有利于主動參與實驗，深度學習電力電子變流技術。經過幾年來我校信息技術國家級實驗教學示范中心教學實踐，學生們的學習效果有了明顯的改善與提高。

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