田思慶, 侯 艷, 李金艷,2 , 羅 康,3, 杜云明,*

(1.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;2.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,廣東 廣州 510006;3.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院,陜西 西安 710000)

0 引 言

電力電子是一門集電力、電子、自動(dòng)控制原理為一體的新技術(shù)理論。電力電子技術(shù)更新發(fā)展快,通過對(duì)電力電子變流器工作波形的變換分析,電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生和工程技術(shù)人員能更好的掌握各種變換電路的工作原理及其電路設(shè)計(jì)。

電力電子硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、實(shí)驗(yàn)接線復(fù)雜,內(nèi)容固化、陳舊,實(shí)踐教學(xué)手段跟不上電力電子技術(shù)的發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充,為電力電子電路和系統(tǒng)分析提供了新的研究方法和手段[1-2]。

電力電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)走進(jìn)了高等學(xué)校課堂和企事業(yè)研究單位,學(xué)生和研發(fā)人員利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)置參數(shù)直接觀察電壓、電流動(dòng)態(tài)波形變化,使復(fù)雜電力變換電路的分析過程更加直觀、容易和高效,利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究更具有理論和現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用MATLAB_Simulink電力電子仿真模型,采用MATLAB_App Designer界面布局功能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。App_Designer具有編寫程序強(qiáng)大、編程語言生動(dòng)圖形化和界面友好等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合Simulink模型產(chǎn)生的效果更好。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包含Simulink仿真模型建立、APP平臺(tái)界面設(shè)計(jì)和Simulink與平臺(tái)界面?zhèn)鬏斎齻€(gè)部分,圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)流程。電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包括整流電路、逆變電路、斬波電路和調(diào)壓電路4個(gè)模塊以及15個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。全文以三相橋式全控整流電路設(shè)計(jì)為例。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)APP主界面結(jié)構(gòu)如圖3所示。界面包括端口選擇區(qū)、電路類型選擇區(qū)、參數(shù)設(shè)定區(qū)、按鈕功能區(qū)、時(shí)間調(diào)節(jié)區(qū)和仿真波形區(qū)。

選擇端口區(qū)包含4個(gè)模塊,每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)不同的電路,通過點(diǎn)擊界面按鈕即可實(shí)現(xiàn);電路類型選擇區(qū)可以根據(jù)不同的項(xiàng)目提供不同的電路類型;參數(shù)設(shè)定區(qū)給出了7個(gè)參數(shù)變量設(shè)定:延遲觸發(fā)角α、交流電壓幅值Vs、反電動(dòng)勢E、頻率f、負(fù)載電阻R、電感L和電容C;按鈕功能區(qū)可實(shí)現(xiàn)波形仿真、參數(shù)清除和打開Simulink仿真界面;時(shí)間調(diào)節(jié)區(qū)可在0～1 s內(nèi)修改波形的時(shí)間軸。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)APP主界面

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面程序設(shè)計(jì)

使用菜單選項(xiàng)與各個(gè)控件編寫回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖3 APP界面的各項(xiàng)功能[6],App_Designer通過函數(shù)Set_param(‘model/gain’,’parameters’,value)調(diào)用Simulink元件模塊參數(shù),將value值直接傳送給gain模塊中的parameters對(duì)應(yīng)參數(shù)。首先將多次使用的變量:延遲觸發(fā)角α、交流電壓幅值Vs、反電動(dòng)勢E和頻率f歸為一個(gè)屬性再利用Set_param函數(shù)控制,而負(fù)載的電阻R、電感L和電容C直接調(diào)用Set_param函數(shù)來進(jìn)行控制;之后利用sim(‘model’)函數(shù)與assignin(‘base’,’out’,v)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到工作區(qū),使用plot函數(shù)繪制圖像;最后結(jié)合控件回調(diào)與私有函數(shù)實(shí)現(xiàn)其他功能。

3 Simulink仿真設(shè)計(jì)及其仿真結(jié)果分析

三相橋式全控整流電路是應(yīng)用最為廣泛的整流電路,由三相交流電源、負(fù)載、觸發(fā)電路和6個(gè)晶閘管等組成。該整流電路的仿真過程可分為仿真模型搭建、參數(shù)設(shè)定、仿真波形輸出及其結(jié)果分析等[6-8]。

3.1 仿真模型搭建

在Simulink環(huán)境下,根據(jù)三相橋式全控電路原理圖,搜集SimPowerSystems,Sinks和Signal Routing模塊庫中的相關(guān)元器件,將其按照電路原理圖搭建,仿真模型如圖4所示。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

圖4 三相橋式全控整流阻感負(fù)載仿真模型

3.3 仿真波形輸出及其結(jié)果分析

仿真參數(shù)設(shè)定之后進(jìn)行仿真,可以得到負(fù)載電壓ud、負(fù)載電流id和晶閘管VT1電壓uVT1的仿真波形。通過Simulink中建立的仿真模型,實(shí)現(xiàn)仿真模型與APP之間的參數(shù)調(diào)用,使其對(duì)應(yīng)的波形可顯示在APP界面上,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,同時(shí)可以直接使用Simulink模型進(jìn)行仿真,在示波器Scope中觀察波形。

(1)負(fù)載為純電阻時(shí),R=100 Ω,取延遲觸發(fā)角α=30°,工作波形如圖5所示。

圖5 α=30°,R=100 Ω時(shí)的純電阻負(fù)載工作波形

增大或減小α進(jìn)行仿真可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)α>120°時(shí),負(fù)載輸出電壓為0,其均值也為0,由此可以驗(yàn)證帶純電阻負(fù)載的三相橋式全控整流電路α的范圍為0～120°。

當(dāng)觸發(fā)角α=30°、電阻R=100 Ω時(shí),純電阻負(fù)載端電壓和電流平均值分別為

Ud=2.34U2cosα=2.34×220V×cos30°=445.83V

由計(jì)算可知,純電阻的負(fù)載電壓和電流計(jì)算平均值與仿真波形圖5一致。

圖5三相橋的輸出電壓在一周期內(nèi)脈動(dòng)了六次,其輸出電流波形與電壓波形一致,晶閘管的電壓電流波形隨著晶閘管的通斷而變化。

(2)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí),R=100 Ω、L=10 H,取延遲觸發(fā)角α=60°,工作波形如圖6所示。

圖6 α=60°,R=100Ω、L=10H時(shí)的阻感負(fù)載工作波形

同理,增大或減小α進(jìn)行仿真可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)α>60°時(shí),阻感負(fù)載端輸出電壓出現(xiàn)斷續(xù);當(dāng)α=90°時(shí),阻感負(fù)載端輸出電壓平均值近似為0。由此可以驗(yàn)證帶阻感負(fù)載的三相橋式全控整流電路α的范圍為0～90°。

當(dāng)觸發(fā)角α=60°,電阻R=100 Ω、電感L=10 H時(shí),阻感負(fù)載端電壓、電流平均值分別為

Ud=2.34U2cosα=2.34×220 V×cos60°=257.4 V

圖4仿真得到的阻感負(fù)載端電壓和電流平均值與理論計(jì)算得到的結(jié)果相近。微小的差距是由于0～0.01 s之間的脈沖時(shí)間差所造成。

圖5和圖6的整流輸出電壓波形一致,而圖6整流輸出電流接近直線,晶閘管的兩端的電壓和通過的電流隨晶閘管的通斷而變化。

4 結(jié) 語

電力電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用Simulink電力電子模型搭建和App_Designer界面布局設(shè)計(jì)功能,集電力電子電路原理介紹、仿真參數(shù)設(shè)置影響、電路計(jì)算、仿真波形顯示和結(jié)果分析于一體。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作方便,既適合于高等學(xué)校電力電子技術(shù)課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué),也適合于工礦企事業(yè)單位技術(shù)人員對(duì)于電力電子新器件的研發(fā)與設(shè)計(jì)。