劉恒娟

（上海市城市科技學(xué)校建筑工程系，上海201601）

0 引 言

電力電子技術(shù)是電氣工程及相關(guān)電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，既有繁多復(fù)雜的理論推導(dǎo)分析，又有極強(qiáng)的工程實(shí)踐性［1-2］。目前各學(xué)校廣泛采取課堂講授理論與實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式［3］。但是由于在電力電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用高、在高壓下操作存在安全風(fēng)險等局限，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)期效果，因此迫切需要進(jìn)行教學(xué)改革［4］。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，虛擬仿真平臺已成為電力電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的熱點(diǎn)，且得到了各學(xué)校的高度重視和積極研制［5］。

為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資和維護(hù)費(fèi)用，提高操作的安全性，筆者利用Matlab 強(qiáng)大的電路仿真工具Simulink、便捷的用戶圖形界面（Graphical User Interface，GUI）技術(shù)和M 語言構(gòu)建了一套電力電子電路虛擬仿真平臺［6］。此平臺能夠能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使得學(xué)生在不懂Matlab基礎(chǔ)知識的情況下，僅進(jìn)行簡單界面操作就能開展仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而與課堂理論授課互補(bǔ)［7-8］。文中以單相全控橋式整流阻性負(fù)載電路為教學(xué)案例，闡述基于Matlab的電力電子電路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建立過程和實(shí)現(xiàn)方法。

1 GUI設(shè)計(jì)

基于Matlab 的電力電子電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺，采用Matlab的用戶圖形界面GUI 技術(shù)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，可以開設(shè)整流電路、逆變電路、直流斬波電路和交流變換電路共4 個模塊及26 個仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［9］。可開設(shè)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如圖1 所示。

圖1 可開設(shè)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

每個仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)一個界面，一共有26 個界面。每個界面可以分為5 個功能區(qū)，即菜單區(qū)、電路原理圖區(qū)、參數(shù)設(shè)定區(qū)、按鈕功能區(qū)和仿真波形區(qū)。圖形界面簡潔明了，操作簡單，能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

菜單區(qū)用于讓學(xué)生選擇要進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而進(jìn)入相應(yīng)的界面，如圖2 所示。

圖2 界面菜單區(qū)

電路原理圖區(qū)用于顯示要仿真的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原理圖，讓學(xué)生了解電路的結(jié)構(gòu)，分析電路的工作原理。

參數(shù)設(shè)定區(qū)用來設(shè)定仿真電路的相關(guān)參數(shù)，如輸入電壓值、頻率、觸發(fā)脈沖移相角、負(fù)載阻抗和占空比等等。

按鈕功能區(qū)實(shí)現(xiàn)仿真和顯示Simulink 模型的功能。

仿真波形區(qū)顯示Simulink 模型運(yùn)行后的仿真結(jié)果，流過負(fù)載的電流波形、晶閘管端電壓波形和負(fù)載端電壓波形等。仿真后波形隨著設(shè)定參數(shù)的變化而變化，界面如圖3 所示。

2 Simulink建模

單相全控橋式阻性負(fù)載整流電路是電力電子技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的電路之一，由單相交流電源、電阻、四個晶閘管和觸發(fā)電路組成。該電路的仿真過程可以分為搭建仿真模型、設(shè)定仿真參數(shù)的、輸出仿真結(jié)果和仿真結(jié)果分析［10］。

2.1 搭建仿真模型

在Simulink 環(huán)境下，依據(jù)電路原理圖，選擇SimPowerSystems模塊庫中的的相應(yīng)元件模塊并移動、連接，即可完成仿真實(shí)驗(yàn)電路的搭建，如圖4 所示。

四個晶閘管并聯(lián)RC保護(hù)電路組成的全控橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此可以選擇Subsystem，將其封裝為一個子系統(tǒng)，如圖5 所示。

2.2 設(shè)定仿真參數(shù)

通過設(shè)定電路參數(shù)進(jìn)行仿真，觀測電路參數(shù)變化對電路波形的影響。根據(jù)需求和實(shí)際輸出情況對仿真參數(shù)進(jìn)行反復(fù)更改和修正，以達(dá)到最佳的觀察與分析效果（見表1）。

圖3 單相全控橋式整流阻性負(fù)載電路的仿真界面

圖4 單相全控橋式整流阻性負(fù)載電路的仿真模型

圖5 全控橋仿真模型

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

2.3 輸出仿真結(jié)果

設(shè)定仿真參數(shù)后，運(yùn)行仿真，可以得到負(fù)載端電壓ud的仿真波形、晶閘管端電壓uak的仿真波形和流過負(fù)載的電流id的仿真波形。改變仿真參數(shù)可以改變仿真波形［11］。

在Simulink 中構(gòu)建的模型，通過實(shí)現(xiàn)GUI 與Simulink之間的參數(shù)調(diào)用，可以使仿真結(jié)果在GUI 上顯示，如圖3 所示；也可直接用Simulink 中的示波器Scope模塊進(jìn)行觀察，如圖6 所示。

2.4 仿真結(jié)果分析

在輸入電壓的U2一個周期2π內(nèi)，觸發(fā)脈沖移相角α的移相范圍是0 ～π，則：

晶閘管所承受的最大正向電壓

式（1）～（4）分別與圖6 中的仿真波形相吻合。從圖4 可以看出，仿真所得負(fù)載端電壓平均值Ud＝38． 3 V，流過負(fù)載的電流平均值Id＝3． 83 A。式（5）和式（6）的計(jì)算結(jié)果分別為Ud＝38． 4 V和Id＝3． 84 A。因此，仿真波形和仿真數(shù)據(jù)跟理論分析計(jì)算結(jié)果基本一致。

3 M文件編制

通過對菜單選項(xiàng)和各個控件編寫回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能［12］。GUI 調(diào)用Simulink 模型數(shù)據(jù)的困難在于參數(shù)的傳遞?？梢詫imulink模型中的元件相關(guān)參數(shù)如晶閘管的移相角、輸入電壓值、頻率、阻抗等利用M腳本語言設(shè)置成全局變量，然后在GUI 中設(shè)置后再利用set_param 等函數(shù)傳遞給Simulink。主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

global x；

%設(shè)置全局變量

I ＝imread（＇pic／ dxqkqzldz． bmp＇）；

%讀取名為dxqkqzldz． bmp的電路原理圖

imshow（I）；

%顯示名為dxqkqzldz． bmp的電路原理圖

load_system（＇dxqkqzldz＇）；

%加載Simulink模型［13］

set_param（＇dxqkqzldz／ Series RLC Branch2＇，＇a＇，a1）；

%設(shè)定電阻值

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇PhaseDelay＇，g1）；

%設(shè)定觸發(fā)脈沖1的相位

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇Period＇，k1）；

%設(shè)定觸發(fā)脈沖1的周期

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇PhaseDelay＇，q1）；

%設(shè)定觸發(fā)脈沖2的相位

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇Period＇，k1）；

%設(shè)定脈沖觸發(fā)脈沖2的周期

set_param（＇dxqkqzldz／ AC Voltage Source＇，＇F＇，h1）；

%設(shè)定單相交流電源的頻率

set_param（＇dxqkqzldz／ AC Voltage Source＇，＇A＇，e1）；

%設(shè)定單相交流電源電壓的幅值

set_param（＇dxqkqzldz＇，＇StopTime＇，l1）；

%設(shè)定仿真結(jié)束時間

save_system（＇dxqkqzldz＇）；

%保存模型

sim（＇dxqkqzldz＇）；

%啟動仿真［14］

axes（handles． axes1）；

%將axes1做為當(dāng)前坐標(biāo)軸

plot （simout1． time， simout1． signals． values，’ r ’，’LineWidth’，2． 5）；

%繪制二維圖像

4 打包發(fā)布

將本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺打包為一個名為“電力電子電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺． exe”的可執(zhí)行文件。雙擊此文件名后根據(jù)提示一步步操作即可安裝成功并使用。安裝程序如圖7 所示。

圖7 安裝程序

5 結(jié) 語

通過單相全控橋式整流阻性負(fù)載電路教學(xué)案例，應(yīng)用Matlab 的GUI 技術(shù)、Simulink 仿真工具和M 語言，闡述了一套低成本、高可靠性的電力電子電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺。相比于目前傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，該平臺賦予了電力電子電路實(shí)驗(yàn)顯著的便利，能夠節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投資和維護(hù)費(fèi)用，提高操作的安全性，還能夠讓學(xué)生直觀準(zhǔn)確地分析電路、觀測波形。在需要的情況下還可以通過仿真來驗(yàn)證理論推導(dǎo)結(jié)果，以促進(jìn)概念的理解，增加授課的靈活性，提高教學(xué)效果［15-16］。