基于Matlab仿真技術在電力電子技術教學中的應用

張耀鋒

摘? 要：通過單相橋式全控整流電路的具體實例，將Matlab/Simulink仿真技術應用于職業院校電力電子技術的實驗教學。給出了單相橋式全控整流電路的仿真模型和電感負載下不同控制角的仿真波形，將控制角的變化對波形的影響清晰的呈現出來，參數的調整與設置非常方便。將仿真實踐教學與課堂教學結合，直觀、有效，使復雜的電力變化電路分析過程變得相對容易，激發了學生的學習興趣，提升了課堂效率。

關鍵詞：電力電子技術;虛擬仿真;Matlab /Simulink;整流電路

中圖分類號：G712? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2020）05-038-05

一、引言

電力電子技術是高等職業院校電氣自動化專業的一門專業基礎課，橫跨電力技術、電子技術和控制技術三個領域，理論性、實踐性都比較強。課程內容主要包括電力電子器件、電力變換電路和控制技術等內容。主要研究的是如何利用電力變換電路對電能進行轉換、控制和優化，包括電壓、電流、頻率等參數的控制和變換。教學內容中，電能變換和控制是教學的重點，也是難點。由于理論較多，電路負載多樣，控制角度不同，波形變化比較大，分析起來也相對困難。高職的學生在理解電路工作原理和分析波形時比較費力，容易混淆，學習的興趣隨著波形的變化慢慢消失殆盡。

實驗是訓練學生技能、提升理論水平不可或缺的手段。實物電路的搭接，是課堂教學的重要手段，也是電氣工程、自動化等專業的學生所應具備的必不可少的能力。學院使用的教學平臺是天煌教儀的DJDK-1型電力電子技術實驗裝置，平臺采用的是掛件結構。在教學過程中有以下問題：1.實驗裝置采購于十年前，隨著時間的推移，平臺設備逐漸老化，實驗過程中由于操作不當或者外部干擾，實驗結果經常不盡如人意。比如在整流或逆變電路中，控制角度不一樣，波形也不一樣，經常出現實驗結果和理論分析不符的情況。2.實驗內容與職業教育不符，內容多以驗證性的為主，學生通過外接掛件，要完成的工作是簡單的接線、觀測和計算。內容不具有綜合性、創新性和設計性，再加上教學手段單一，教學方法落后，學生學習的主觀能動性沒有被激發出來，實驗預期效果相對較差。3. 用電安全問題。大多數的電力電子實驗是強電實驗，或者弱電控制強電，實驗過程中，經常會有學生由于操作不當，損壞實驗器件和電氣設備的情況，有安全隱患?；谝陨显?，近年來，由于計算機和虛擬仿真技術的發展和進步，虛擬仿真系統成為學院電力電子教學的重要平臺。

二、Matlab軟件在電力電子技術仿真教學中的應用

由于電力電子器件所固有的非線性等特點，我們在對電力電子電路進行分析的過程中，常常遇到許多困難。Matlab、Pspise、Saber、Multisim等仿真軟件為電力電子電路的分析提供了有效、方便的手段，簡化了電力電子電路的設計和分析過程。這些軟件提供了完善的元器件模型，并將各功能子程序模塊化，學生只需簡單的操作就可以建立和設計電路模型，易于操作。在教學過程中，常利用Matlab/Simulink中的電力系統仿真工具箱SimPower Systems對電力電子教學進行仿真實驗，其具有建模簡單，能動態顯示仿真波形，結果易于觀測等特點。利用Simulink工具箱可完成電力電子技術教學中的絕大部分的仿真實驗，包括：單相相控整流電路、三相相控整流電路、逆變電路、直流斬波電路、交流調壓電路等典型電路，學生還可根據課程需要設計簡單的電路并進行建模仿真。將仿真軟件引入實驗教學中，充分發揮學生的想象力，讓學生自己去設計和開發電路，并對電路進行建模、仿真、觀測，極大地促進了學生主觀能動性、創新思維和動手能力的提高。

三、典型應用電路的仿真

電力變換電路的電路結構相對復雜，在分析電路時其負載一般有電阻性負載、電阻-電感性負載和電阻-電感性負載接續流二極管三種形式。負載不同，流過負載的電壓和電流也不同。在電阻性負載的分析中，由于電阻是線性元器件，流過電阻的電壓和電流相位相同，分析相對簡單;電阻-電感性負載中，由于電感器件的非線性，流過負載的電壓和電流相位不同，通常情況下電壓超前電流，并且控制角不同，輸出電壓、電流波形變化非常大，學生在分析時容易混淆。應用Matlab仿真軟件，學生可自己動手設計應用電路，在同一虛擬示波器中觀察不同負載，不同控制角下的輸入輸出波形，參數設置簡單、仿真結果直觀、方便對比。

下面以典型的單相橋式全控整流電路為例，介紹Matlab仿真軟件在電力電子教學中的應用，重點介紹電阻-電感性負載時的仿真建模。

（一）單相橋式全控整流電路的電路結構及工作原理

單相橋式全控整流電路具有輸出電壓脈動小、功率因數高、整流變壓器沒有直流磁化等優點，在單相整流電路中應用廣泛。

圖1是單相橋式全控整流電路在不同負載下的原理圖。圖中四個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4構成整流橋，u2是變壓器二次側電壓，iVT1和iVT2分別為流過晶閘管VT1和VT2的電流，ud為負載電壓，id為負載電流。圖1中，電路的負載從左至右分別為，電阻-電感性負載、電阻性負載、電阻-電感性負載加續流二極管。

在單相橋式全控整流電路中，閘管VT1、VT2為共陰極接法，晶閘管VT3、VT4為共陽極接法。控制時要求橋臂上的晶閘管同時成對導通，其中VT1、VT4是一對，VT2、VT3是一對，VT1、VT4和VT2、VT3構成兩個整流路徑。在給觸發脈沖時，要保證兩組門極觸發信號的相位保持180°的相位差。調節控制角，可以使電路輸出不同的波形，輸出電壓電流的平均值、有效值、功率因數等參數也會跟著變化。

（二）單相橋式全控整流電路的仿真

1.仿真模型的建立

根據圖1所示，用MATLAB建立的仿真模型如下：

如圖2所示，其中VT1、VT2、VT3、VT4為四個晶閘管模型，ug1、ug2、ug3、ug4為四路脈沖信號模型，用來產生控制信號;電源電壓為正弦交流電，幅值220V，頻率50Hz;iVT1、iVT2、uVT1、uVT2分別是加在晶閘管VT1、VT2電壓和流過的電流;id、ud用來觀測負載的電流和電壓;Scope為示波器，用來觀測各路電壓、電流和脈沖信號。

2.模塊參數的設置

（1）模塊參數的設置：交流電壓源的峰值設置為：“220*sqrt（2）V”，頻率設置為“50Hz”，電阻和電感的設置分別為：“1Ω”和“0.01H”。脈沖信號的峰值電壓設置為“3V”，周期設置為“0.02s”，脈沖寬度設置為“10%”。相位延遲用于設置觸發角，計算公式為t=T*（α/360）。在設置觸發角時，VT1、VT4是一對，二者必須相同，VT2、VT3是一對，二者必須相同，且這兩對觸發角必須相差180°。以觸發角是30°時為例，VT1、VT4觸發脈沖的相位延遲設置為0.02*（30°/360°），VT2、VT3觸發脈沖的相位延遲設置為0.02*（30°/360°）+0.01。其它模塊參設為默認設置即可。示波器的端口數根據需要進行設置。（2）仿真參數的設置：將開始時間設置為“0”，終止時間設置為“0.1”，算法設置為“ode23tb”。

3.仿真波形

為了方便對比，分別給出了觸發角為30°和60°時的仿真波形。

圖3和圖4每個圖的輸入輸出信號都是9路，信號由上至下分別為：輸入正弦波u2;加在晶閘管VT1、VT2上的觸發脈沖信號ug1、ug2;流過晶閘管VT1、VT2的電壓uVT1、uVT2和電流 iVT1、iVT2;以及加在電阻-電感性負載的電壓ud和流過其的電流id。9路信號基本涵蓋了電路中所有元素的電壓或電流波形，在同一虛擬示波器中顯示，非常清晰明了，也方便觀察對比，利于學生分析理解，學生對理論知識的理解更透測了，大大提升了學生的學習興趣。

四、使用效果

經過幾個學期的對比，將Matlab /Simulink仿真技術應用在電力電子技術課程的教學中，呈現出了比較好的教學結果，主要有：

第一，現實中，實驗用的顯示器一般為雙蹤示波器，最多可同時觀測兩路信號，并且由于操作不當或者設備老化，經常出現實際波形和理論不符的現象，達不到虛擬仿真呈現的效果。將Matlab應用于職業院校的電力電子技術實驗教學，通過一個虛擬示波器可同時觀測多路需要觀察的信號波形，方便對比，加深了學生對理論知識的理解。

第二，在控制角一定的情況下，通過電路的仿真，可將電路中電源、晶閘管、負載中的電壓和電流波形很清晰的在同一示波器中顯示出來，方便觀察、對比，結果清晰、明了。

第三，在仿真過程中，電路參數可“任意設置”，可以任意設置控制角的大小，任意設置負載和其他參數，非常方便。設置完參數后可立即觀測波形。在之前的實踐教學中，電路連接完成，設置負載參數后，需要計算、推導才能得出正確的波形，現在職業院校的學生對計算推導很不感興趣，教學效果差，仿真教學增強了學生的自信心。

第四，之前的實驗內容以驗證性為主，掛件已經是定好了的，實驗內容基本不能更改，或者可以改動的內容很少，內容不具有綜合性、創新性和設計性。將Matlab/Simulink仿真技術引入電力電子教學，學生可以根據興趣，自己設計電路并進行仿真，結果也易于觀測，增強了學生學習的興趣。

五、結語

本文以單相橋式全控整流電路為例，將Matlab/Simulink仿真技術應用于電力電子技術的實驗教學。給出了單相橋式全控整流電路的仿真模型和電阻-電感性負載在不同控制角下的仿真波形，將控制角的變化對波形的影響在虛擬示波器中很清晰的呈現出來，參數的調整非常方便。將仿真實踐教學與課堂教學結合，這種方法直觀、有效、快捷，使復雜的電力變化電路分析過程變得相對容易，可使學生比較容易掌握電路的工作原理并進行簡單的應用電路設計。在高職院校的電力電子技術實踐教學中引入虛擬仿真技術，增強了教學的直觀性、可視性、便捷性和靈活性，使學生的學習興趣得到而激發和提高，提升了課堂效率，教學效果相對之前，比較令人滿意。

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