MATLAB在电力电子教学中的应用

MATLAB在电力电子教学中的应用

张宝生　王念春

（东南大学电气工程学院，江苏南京，210096）

【摘要】　“电力电子技术”课程包含了很多的波形分析内容，给教学带来了不便。该文介绍了MATLAB／Simulink仿真软件的特点、功能，叙述了其在电力电子技术教学中的应用，并以三相半波可控整流电路为例对其进行了仿真和分析。该软件方便、简单，调节容易，可视性好。应用这种教学方法不仅形象生动、节约课时，而且增强了学生对一些基本概念的理解。

【关键词】　MATLAB／Simulink　三相半波整流电路　电力系统模块库　仿真

【中图分类号】　G434；TM　　　　　　　　　　　【文献标识码】　A

【文章编号】　1008－0686（2004）03－0102－03

1．引言

“电力电子技术”是电气工程及其他相关专业的重要基础课。该课程通过分析各类电力电子器件的导通、关断情况来理解整流、逆变、斩波等典型电路的工作原理，是一门实践性极强的学科。其最大的一个特点就是包括很多的波形分析内容，各种繁杂的波形给教学带来很大的不便，不仅要花费很多时间来画出这些波形，而且手工绘出的波形还缺乏灵活性，所以采用软件对电力电子进行仿真，从示波器上直接观察到各个电路的电压、电流波形，对帮助学生理解起到很大的作用。

Mathworks公司推出的基于MATLAB平台的Simulink是动态系统仿真领域中广为应用的仿真集成工具之一，它在各个领域得到广泛的应用。Simulink能够帮助用户迅速构建自己的动态系统模型，并在此基础上进行仿真分析。通过仿真结果修正系统设计，从而快速完成系统的设计。

本文着重对MATLAB／Simulink在电力电子教学中的应用进行探索，并给出了应用实例。

2．Simulink简介

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用Simu－link来建模、分析和仿真各种动态系统（包括连续系统、离散系统和混合系统），将是一件非常轻松的事。它提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图，甚至一行代码也不需要编写。它和MATLAB的无缝结合使得用户可以利用MATLAB丰富的资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果。另外，作为Simulink建模系统的补充，Mathworks公司还开发了专用功能块程序包，如DSP模块库（DSP Blockset）和电力系统模块库PSB（Power System Blockset）等。通过使用这些程序包，用户可以迅速地对系统进行建模、仿真和分析。在对电力电子进行仿真过程中，主要用到了Simulink里的特殊工具库——电力系统模型库，它专门用于解决电路、电力电子、电机等系统的仿真和分析，功能十分强大。其中包含7个子库：连接模型库（Connectors）、电源模型库（Electrical Sources）、元件模型库（Ele－ments）、附加模型库（Extra Libray）、电机模型库（Machines）、测量模型库（Measure－ment）、电力电子模型库（Power Electronics）。

3．基于MATLAB三相整流电路的仿真分析实例

在晶闸管整流电路中，三相半波可控整流电路是大功率整流电路的基础，很多大功率电路可以看成是三相半波电路不同形式的组合。现以三相半波可控整流电路为例，具体来阐述它的仿真分析过程，其他电路则可以举一反三得到。其电路如图1所示，负载为电阻性的。现利用Simulink里的模块来构建它的仿真模型图。

图1　三相半波可控整流电路图

如图2所示，用三个交流电压源构成三相正弦波电压Ua、Ub、Uc，幅值均为100 V，频率均为50Hz，相位分别为0°，－120°和120°。将它们分别与三只晶闸管的阳极a端相连，晶闸管的阴极K端则通过T形连接线或L形连接线连接在一起，再接入负载R、L支路中，如此构成共阴极电路。为给每只晶闸管送入脉冲，需要在其栅极信号的端口K处各接入一个脉冲发生器（Pluse　Generator），以此来控制晶闸管的通断。最后，将晶闸管的脉冲信号、交流电压源Ua、Ub、Uc以及负载电压Ud的波形通过信号合成器（Mux）组合在一张图中，便于从示波器中对比观察。

接着设置每个元件的仿真参数。需注意的是控制角α的调节是通过脉冲发生器的一个参数——相位延迟来实现的，由于其单位是秒，而控制角的大小是以度来衡量的，所以要进行单位转化，即要把度转换成秒。最后点击模型编辑器工具栏中的Play按钮（即黑色三角形），双击示波器（scope），便可观察到各输出量的波形。

通过仿真可清晰地得到各输出量的波形。对应于不同的条件，诸如负载不同，控制角不同等等，只要对模块的参数稍作修改即可，不需要再重新构建仿真模型图。这样一来，在教学过程中，就可以很方便地通过显示各种条件下的波形来加强学生对电路原理的掌握。另外，还可以通过建模仿真来验证一些特殊情况下波形分析的正确性，从而帮助学生更好地理解一些概念。

比如，在教学过程中，发现总有一些同学对自然换相点的概念理解得不很透彻，不明白为什么要把自然换相点作为计算控制角α的起点，各晶闸管的脉冲为何都要在过了自然换相点之后送入。据此问题，现考虑控制角α超前自然换相点20°且脉冲为窄脉冲时三相半波整流电路纯电阻性负载的情况，Pulse Generator1，2，3的相位延迟分别为0．000555556s，0．00722222s和0．01388889s。

图2　三相半波可控整流电路的仿真模型图

进行仿真，得到波形如图3所示：

图3　控制角α超前自然换相点20°时三相半波整流电路电阻性负载输出电压波形

从仿真得到的波形图中，可清晰地看到负载电压波形出现了“缺波头”的情况，因而输出电压中的谐波分量很大，而且不只是3的倍数次谐波，进行FFT变换后，会发现其中还包括2次和4次等谐波。具体分析：在晶闸管1的脉冲到达时，它立刻被导通，输出Ua，经过120°，晶闸管2的脉冲到达，但由于此时a相电位高于b相，所以它承受反压处于阻断状态，此时继续输出Ua，一直到Ua＝0，由于是负载性电阻，所以此时输出电压为0，直到晶闸管3的脉冲到达，被导通输出Uc，与前类似，下一个送入晶闸管1的脉冲不起作用，然后在晶闸管2的脉冲到来时输出波形Ub，如此循环工作，可见各晶闸管的导通顺序分别为1、3、2，因而它不能按照三相电路的规律自然换相，这也就是为什么要把自然换相点作为控制角的起点的原因，自然换相点的重要地位也就突显出来了。同样，为了解决学生在脉冲上存在的疑点，比如宽、窄脉冲下输出电压波形有何差异，脉冲单个发给晶闸管和同时发给三只晶闸管时对波形有何影响，等等，所有这些都可通过仿真得到相关波形，再加以比较分析即可。

可见，通过MATLAB仿真，可以很便捷地得到各种情况下的波形，具有很强的直观性，对帮助学生理解概念、掌握原理起到了很大的作用。

4．结束语

限于篇幅，只给出了三相半波整流电路的仿真实例。但这种方法完全可以推广到其他电力电子变流电路中。将MATLAB应用于“电力电子技术”的教学，不仅大大节省了课时，而且调动了学生的学习积极性和学习兴趣，提高了学生分析、理解问题的能力。

参考文献：

［1］　丁道宏．电力电子技术［M］．北京：航天工业出版社，1995

［2］　张志涌，徐彦，等．MATLAB教程——基于6．X版本［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001

［3］　姚俊，马松辉．基于MATLAB　6．X　Simulink建模与仿真［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2002

（原载于《电气电子教学学报》，2004年第3期）