鄒 莉

(安徽國防科技職業(yè)學院機電工程系，安徽 六安 237011)

“電力電子技術”是電氣工程學科中最活躍的一個分支，很多高校都將其作為電氣自動化及相關專業(yè)的必修課程，內(nèi)容包括了電力電子器件、交直流之間的基本變換電路等［1］。對電路工作原理的講解和各種波形的分析是本課程的重要內(nèi)容之一。

由于該課程較抽象，學生在開始學習時不易理解，無法掌握基本分析方法，逐漸失去興趣，造成惡性循環(huán)。據(jù)調(diào)查，大多數(shù)學生對這門課的掌握情況都不理想。同時，傳統(tǒng)教學中手工繪制大量繁雜的波形圖，不僅費時，而且不夠準確。如果采用多媒體教學，在PPT中加入圖片和flash動畫，制作起來十分麻煩，更改電路結構、參數(shù)時又要重新制作，缺乏靈活性，難以滿足教學要求。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種可用于電力電子教學的仿真軟件，如 Matlab、Pspice、Psim、Saber、SIMetrix/SIMPLIS等［2］。它們既能模擬電路的工作狀態(tài)，又能根據(jù)不同的條件和參數(shù)，仿真出不同的波形，每種軟件各有優(yōu)缺點，教師可以根據(jù)不同教學內(nèi)容選用合適的仿真軟件。

本文主要研究將Matlab/Simulink用于電力電子教學，提高教學效果，并給出實例進行說明。

1 Matlab/Simulink簡介

1.1 軟件介紹

Matlab是一種適用于工程領域的科學計算軟件，以矩陣運算為基礎，提供開放式的集成環(huán)境，交互式地接受指令，輸出結果，其功能強、效率高，現(xiàn)已廣泛應用于工程、教學和科研［3］。該軟件有兩種仿真方法:一是求解系統(tǒng)的狀態(tài)表達式，此方法較為繁瑣，不易掌握;二是利用圖形化的動態(tài)仿真軟件包，可以實現(xiàn)快速建模、仿真和分析，使用方便。Simulink就是這樣一種軟件包，用點擊、拖動鼠標的方法就能將元件模塊組合成系統(tǒng)模型，任意改變參數(shù)，即可得到相應的仿真結果。

Simulink中有一個重要的工具箱，電力系統(tǒng)模塊庫SimPowerSystems，它在PLC電路、電力系統(tǒng)、電力電子及電力拖動的仿真中功能強大，具有很大優(yōu)越性。此模塊庫中含有各種電源、連接器、元件、測量儀器、電機及電力電子器件，另外還附加有六脈沖同步發(fā)生器、整流橋、定時器等［4］。

1.2 仿真過程介紹

Matlab/Simulink的仿真步驟如下:

步驟一:打開模塊庫瀏覽器窗口，創(chuàng)建一個仿真模型文件。

步驟二:從模塊庫中選取元器件，用鼠標拖入仿真窗口。

步驟三:按照電路原理圖，將各元器件組成仿真模型。

步驟四:給各模塊設置合適的參數(shù)。

步驟五:點擊運行按鈕開始仿真，仿真完畢，雙擊示波器觀察結果。

2 仿真分析實例

電力電子技術教學中有多種整流電路，其中以三相橋式全控整流電路為典型代表，其開關器件數(shù)目多，分析過程較其他整流電路復雜，且在后續(xù)的變流電路中使用較多。所以，本文以此電路為例說明Matlab/Simulink的應用。

2.1 建立仿真模型

根據(jù)三相橋式全控整流電路的原理，利用PSB工具箱提供的模塊，在Simulink仿真窗口中建模。整流橋采用晶閘管作為電力電子開關，使用通用變換器橋Universal Bridge;三相電壓源使用三個交流電源模塊AC Source;選用同步6脈沖發(fā)生器Synchronized 6-Pulse Generator，為晶閘管提供大于60°的寬脈沖或雙窄脈沖;同步6脈沖發(fā)生器所需的同步電壓，從測量出的電源線電壓獲得;負載使用RLC串聯(lián)支路模塊Series RLC Branch;所要觀察的各種電壓電流信號送入示波器Scope模塊;另外，觀測單個晶閘管參數(shù)要用多路觀測器Multimeter模塊［5］。基于此，建立起如圖1所示的仿真模型。

圖1 三相橋式全控整流電路仿真模型

接下來對各模塊參數(shù)進行設置。三相電源的相電壓峰值設為100 V，頻率為50 Hz，相位相互相差120°，分別為0°、-120°、-240°;通過橋式電路模塊的A、B、C輸入端與三相電源連接，“+”“-”端口接直流側(cè)正負極;同步6脈沖發(fā)生器的Block使能端設置為0，表示有脈沖輸出，alpha-deg端用來設置觸發(fā)角大小，同步電壓頻率設置為50Hz，脈沖寬度10°，勾選雙脈沖方式;負載采用阻感性負載，電阻值為1 Ω，電感值為0.01 H。

最后還要對仿真參數(shù)進行設置。在菜單選項“Simulation＞Configuration Parameters”中，將仿真時間設為0～0.04s，選擇可變步長ode23tb算法。

2.2 觀測仿真結果

開始仿真，雙擊示波器，觀察波形。改變觸發(fā)角α，可以得到不同的仿真結果。圖2為三相橋式全控整流電路仿真波形圖，分別顯示觸發(fā)角在30°、90°時的輸出電壓電流、晶閘管兩端電壓電流、觸發(fā)信號的波形圖及輸出電壓平均值。

經(jīng)過整個仿真過程，使學生進一步加深了對觸發(fā)角的理解，通過觀察不同觸發(fā)角時的輸出波形，可得到阻感負載時該電路的移相范圍，既而與電阻性負載時的情況相比較，總結出各自的特點。在教學中，除了設置改變觸發(fā)角的環(huán)節(jié)外，還可以改變負載大小，設置故障、疑點。比如，讓某個晶閘管丟失觸發(fā)脈沖，采用寬度小于60°的寬脈沖，α超前自然換相點等，都可以增強學生的學習興趣，提高自我解決問題的能力。圖3為VT1、VT4丟失觸發(fā)脈沖后輸出電壓的波形圖。

圖2 三相橋式全控整流電路仿真波形圖

圖3 丟失某些觸發(fā)脈沖后輸出電壓波形

3 結語

Matlab/Simulink軟件可以很方便地對電力電子電路進行建模、仿真，可以靈活地更改參數(shù)，觀測到不同結果，將其應用于電力電子教學中，使傳統(tǒng)教學和多媒體教學相結合，避免了復雜的繪圖過程，節(jié)省時間，同時也避免了實際操作中可能出現(xiàn)的問題，彌補實驗裝置的不足，增強了教學的靈活性。學生在學習電力電子這門課的同時，也掌握了Matlab/Simulink這種仿真工具，充分調(diào)動了學生的學習興趣。

［1］李軍.《電力電子技術》課程的 Matlab/Simulink仿真［J］.山東電力高等專科學校學報，2010，13(3):53-55.

［2］楊浩東，王偉.電力電子教學中常用仿真軟件對比［J］.中國電力教育，2012(3):112-113.

［3］劉海昌，張曉杰.MATLAB在電力電子教學中的應用［J］.華北科技學院學報，2007，4(2):119-121.

［4］朱曉東，高繼賢.SIMULINK在電力電子中的應用［J］.東北電力學院學報，2005，25(4):85-89.

［5］陳爽，段國艷，王靜.MATLAB/SIMULINK在電力電子技術課程教學中的應用［J］.福建電腦，2011(4):195-196.