【摘要】隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，結(jié)合電力電子技術(shù)中原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，本文基于MATLAB對(duì)仿真教學(xué)進(jìn)行研究，并以仿真實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)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(yīng)用到電子電路虛擬仿真中。通過對(duì)三相半波整流電路的MATLAB仿真，展現(xiàn)出MATLAB的實(shí)用性和方便性，進(jìn)一步論證了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)越性[1]。

【關(guān)鍵詞】MATLAB；仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.基于MATLAB的仿真教學(xué)

MATLAB是電子CAD仿真軟件中實(shí)用性比較強(qiáng)的軟件。大量的仿真實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)可以通過MATLAB得到有效的體現(xiàn)，因此，在教學(xué)實(shí)踐中得到了很好的應(yīng)用和普及。MATLAB包括常用工具箱和內(nèi)部函數(shù)兩大主要部分，主要應(yīng)用在圖形繪制和處理、電力系統(tǒng)和電力電子電路仿真、數(shù)字通訊信號(hào)處理和仿真、數(shù)值分析等多種領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和界面友好性。當(dāng)把MATLAB應(yīng)用在電力電子實(shí)驗(yàn)仿真中時(shí)，不僅僅可以簡單方便的構(gòu)造電路，進(jìn)行模擬測(cè)試和仿真，最重要的是利用其數(shù)學(xué)處理特性進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和分析。本次仿真實(shí)驗(yàn)主要使用MATLAB中的Simulink模塊。Simulink主要由連續(xù)模塊、離散模塊、函數(shù)和平臺(tái)模塊、數(shù)學(xué)模塊等多部分組成。通過各模塊中相應(yīng)元器件的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真電路的搭建。

過去通常我們通過對(duì)實(shí)際電路的搭建，用相應(yīng)的電流表、電壓表對(duì)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量讀取，通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理和分析得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)一步了解電路的工作原理，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的目的。

現(xiàn)在通過計(jì)算機(jī)MATLAB中Simulink的使用，不僅僅能解決從理論直接跨度到實(shí)踐中常常出現(xiàn)的帶電路搭建問題，還能避免不必要的危險(xiǎn)性。在實(shí)踐教學(xué)中，完全可以增添計(jì)算機(jī)電路仿真這一環(huán)節(jié)，通過同學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)完成相關(guān)電路獨(dú)立搭建，通過仿真中出現(xiàn)的無法接線、示波器數(shù)據(jù)顯示異常等現(xiàn)象，自己主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而當(dāng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，就會(huì)更好的避免不必要的錯(cuò)誤，達(dá)到更理想的教學(xué)目的，也能讓學(xué)生更好的了解MATLAB，提高學(xué)生今后對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的興趣[2]。

在電力電子電路實(shí)驗(yàn)仿真中，通常需要四步：

第一步，運(yùn)行MATLAB，進(jìn)入主界面；通過命令調(diào)用Simulink工具。

第二步，通過Simulink中相應(yīng)模塊里元器件的選擇，構(gòu)造出所需的電路。

第三步，對(duì)相應(yīng)的計(jì)算函數(shù)、元器件參數(shù)、數(shù)據(jù)采集時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置。

第四步，點(diǎn)擊運(yùn)行，對(duì)仿真出的圖形進(jìn)行分析。

2.三相半波整流電路仿真實(shí)例

通過對(duì)電力電子電路中三相半波可控整流電路的仿真，可以學(xué)習(xí)仿真的方法和技巧，研究電路的原理和性能。下面就以實(shí)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(shí)驗(yàn)仿真

三相半波可控整流電路實(shí)驗(yàn)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(fù)載、觸發(fā)脈沖四部分組成，通過對(duì)晶閘管觸發(fā)時(shí)間的選擇實(shí)現(xiàn)對(duì)整流輸出電壓的調(diào)節(jié)，由于三項(xiàng)整流裝置三相間是平衡的，輸出的電壓和電流脈動(dòng)小，對(duì)電網(wǎng)的影響也小，且自身結(jié)構(gòu)簡單、控制滯后時(shí)間短，因此是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電路。本次仿真實(shí)驗(yàn)通過阻感負(fù)載和春電阻負(fù)載輸出各電路的圖像對(duì)比分析，再加上理論比較，展現(xiàn)出MATLAB在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)越性，并通過對(duì)各種常見電路故障分析，避免實(shí)際電路接線時(shí)造成不必要的損失和危險(xiǎn)。

圖2是用利用MATLAB提供的動(dòng)態(tài)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(shí)驗(yàn)原理圖

圖2 三相半波可控整流電路模型

圖3 參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真中模塊參數(shù)的設(shè)置

合理的參數(shù)設(shè)置對(duì)MATLAB仿真起到關(guān)鍵性的作用，本次仿真通過對(duì)三相半波可控整流電路中算法類型、觸發(fā)脈沖相關(guān)參數(shù)、晶閘管參數(shù)等器件的相關(guān)參數(shù)的選擇，實(shí)現(xiàn)較好的仿真效果，便于結(jié)合仿真圖像，對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論分析，實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)目的。相關(guān)參數(shù)的設(shè)置如圖3所示，分為五步[3]。

（1）相關(guān)算法設(shè)置

算法（solver）ode23tb，相對(duì)誤差（relativetolerance）1e-3，開始時(shí)間0結(jié)束時(shí)間0.1s。

（2）觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置

振幅5V，周期0.02，占空比5%，時(shí)相延遲為*0.02/360。

（3）電源參數(shù)設(shè)置

頻率50hz，電壓380v，其相限角度分別為0°、120°、240°。

（4）晶閘管參數(shù)設(shè)置

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

（5）RLC參數(shù)設(shè)置

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

2.3 仿真結(jié)果

如圖4所示（a）、（b）分別為觸發(fā)角α=60o時(shí)，R（電阻性）負(fù)載和觸發(fā)角α=60o時(shí)，RL（阻感性）負(fù)載的仿真波形圖，分別測(cè)得觸發(fā)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(fù)載的電流、流過負(fù)載的電壓六項(xiàng)相關(guān)物理量。

圖4 純阻性負(fù)載和阻感負(fù)載仿真波形

圖5 晶閘管和負(fù)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(jìn)一步選取純電阻負(fù)載中流過晶閘管的電壓、電流和流過負(fù)載的電壓與阻感負(fù)載中流過晶閘管的電壓、電流和流過負(fù)載的電壓、電流，如圖5所示，對(duì)比波形容易發(fā)現(xiàn)阻感性負(fù)載當(dāng)α30時(shí)，電壓波形出現(xiàn)負(fù)值，由于電感的作用，波形連續(xù)，晶閘管的導(dǎo)通角為120，而純電阻負(fù)載晶閘管導(dǎo)通角小于120。

3.問題拓展

分別對(duì)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(jìn)行電路的MATLAB建模仿真，仿真圖形如圖6所示。容易發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶閘管燒斷時(shí)則整流器相當(dāng)于缺相運(yùn)行，其輸出電壓會(huì)降低，輸出整流電壓波形會(huì)少波頭。其值可能會(huì)減少1/4左右；而當(dāng)晶閘管擊穿時(shí)，流過其他元器件的電流會(huì)非常大，這個(gè)時(shí)候很容易引起相關(guān)器件、相關(guān)電路的連鎖短路，造成元器件的損毀，故障擴(kuò)大化。因此，當(dāng)我們?cè)趯?shí)際電路接線實(shí)驗(yàn)時(shí)，尤其要注意預(yù)防晶閘管的短接，避免造成較大的損失和對(duì)人員的傷害[4]。

4.總結(jié)

通過MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它具有很強(qiáng)的靈活性和人機(jī)交互界面，通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真不僅僅能達(dá)到實(shí)踐中對(duì)電路相應(yīng)數(shù)據(jù)的記錄和分析，最主要的是可以通過它的虛擬性構(gòu)建不正常運(yùn)行時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，方便教學(xué)中對(duì)學(xué)生實(shí)踐誤操作嚴(yán)重性的警告，讓同學(xué)們?cè)谕ㄟ^仿真實(shí)驗(yàn)后，能更好的完成實(shí)際電路接線，并且降低學(xué)生誤操作的發(fā)生，提高了理論與實(shí)踐的更好的結(jié)合。

參考文獻(xiàn)

[1]洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]鄭雪欽.基于Matlab電力電子技術(shù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)[J].2006 （19）：152-153.

[3]薛定宇，陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[4]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

作者簡介：

呂峰（1988—），男，山東科技大學(xué)電氣工程專業(yè)研究生在讀。

張哲（1989—），男，山東科技大學(xué)電氣工程專業(yè)研究生在讀。