MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应用

ＭＡＴＬＡＢ仿真技术在电力电子技术教学中的应用

邓娜，曹红英

（开封大学机电工程学院，河南开封４７５０００）

摘要：根据电力电子技术课程的现状，提出了一种基于Ｍａｔｌａｂ软件的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ工具箱来设计电力电子电路的教学实验，并绘出了仿真实例。实践证明，利用电力系统工具箱作仿真，学生能较快地理解课程理论，学会仿真分析复杂电力电子电路和系统问题的技能。

关键词：电力电子技术；Ｍａｔｌａｂ仿真；整流电路中图分类号：ＴＰ３９１．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００８）０１－０１２４－０２

电力电子技术是一门实践性很强的应用技术，是电气工程及其自动化等专业的一门重要专业课，教学内容以电路为主线，以波形与相位分析方法贯穿始终。通过分析各类电力电子器件的通断情况来理解整流、逆变、斩波等典型电路的工作原电压波形。理，从而得出电路在不同负载作用下各点的电流、

由于波形分析法是电力电子技术教学中解释工作原理的传统方法，教学中常常将大量的时间花费在画电路图及波形同上，而且由于波形绘制不是很精确，影响了教学进度和效果。时，在实际应用和分析中，由于电路类型多，晶闸管触发控制角在一定范围内变化时，波形变化多，学生在学习时往往感到波形复杂，难以理解，从而影响学习效果和学习兴趣。

目前几乎所有学校对该课程的教学，均采用课堂教学＋验证性实验的教学模式，而且大部分院校都仅用挂件结构或实验箱来完成实验，几乎所有的电路和系统都是封闭式。这种常规的实验过程，学生几乎是在老师或实验指导书的指导下机械式连线、读取实验数据，记录实验数据和波形，即使不了解电路的工作原理，只要在连线正确、实验仪器完好的情况下也能完成实验。但是，只要设备稍有问题或连线稍有问题，使实验结果与理论分析不符甚至出现异常现象，学生就不假思索地询问老师，而不能分析解决问题。另外，电力电子实验所涉及的都是功率器件，需要三相电源及示波器等，既费时又费钱，并且危险性大。

而采用ＭＡＴＬＡＢ对三相桥式整流电路建立仿真模型，通过实践，证明采用仿真软件这种教学辅助手段，能够变抽象为具体，变枯燥为生动，形象直观地进行教学，有助于激发学生学习兴趣，提高教学质量。

力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模连接模块库（Ｃｏｎｎｅｃ－（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳｏｕｒｃｅｓ）、型分布在电源模块库

（Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）电机模块库（Ｍａｃｈｉｎｅｓ）测量模块库ｔｏｒｓ）元件模块库

（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）电力电子模块库（ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）附加模块库（Ｅｘｔｒａｌｉｂｒａｒｙ）七个模块库中［１］。

利用ＳＩＭＵＬＩＮＫ对系统进行仿真与分析，在进入虚拟实验环境后，不需要书写代码，只需使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来，按照实验要求修改各元器件的参数。通过虚拟实验环境建立实验仿真电路模型，可使一些枯燥的电路变得有趣味，复杂的波形变得形象生动，使得各种复杂的能量转换过程比较直观地呈现在学生面前。以下采用Ｍａｔｌａｂ来仿真电力电子技术课程中的传统实验，和传统的硬件实验对比，此实验方法有很大优越性。

２电路仿真实例

三相桥式全控整流电路是应用最广泛的整流电路，６个晶闸管依次相隔６０°触发，将电源交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证在（上桥臂和下桥臂各一个）。每一瞬时都有两个晶闸管同时导通

整流电路的工作原理可参见电力电子技术教材的有关内容。

１Ｍａｔｌａｂ仿真软件简介

扩充，其功能Ｍａｔｌａｂ自从正式推出以后，经过不断地完善、

（Ｐｏｗｅｒ与应用领域在不断地扩展。Ｍａｔｌａｂ中的电力系统工具箱

图１三相桥式全控整流电路仿真模型

三相桥式全控整流电路主电路由三相对称交流电压源、三相晶闸管整流器，ＲＬＣ负载等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，可看成一个组合体，将同步脉冲触发器归到主电路进行建模。三相桥式全控整流电路的仿真模型如图１，所有元器件均可在相应的模块中提取。

Ｓｙｓｔｅｍ）具有丰富的器件模型库和齐全的分析功能，且操作方

便、简单易学，可以方便快捷地分析电力电子电路，特别适用于电力电子的教学和实验。

电电力系统工具箱以Ｓｉｍｕｌｉｎｋ为运行环境，包括了电路、

２．１模型参数设置

三相对称交流电压源参数设置：三相对称交流电压源的幅

收稿日期：２００７－１０－１０

作者简介：邓娜（１９８１—），女，湖南人，开封大学机电工程学院教师，研究生，研究方向：电气自动控制。

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《装备制造技术》２００８年第１期

值设为１００Ｖ，频率为５０Ｈｚ，相位分别为０°、－１２０°、１２０°。

三相晶闸管整流器参数设置：使用默认值。

的工作情况与带电阻负载时十分相似，区别在于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流波形不同，由于电感的作用，使得负载电流波形相对变得比较平直。当+＞

６脉冲发生器设置：频率为５０Ｈｚ，脉冲宽度取１０°。

触发角设置：给定!分别设置为３０°、６０°、９０°。

６０°时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时存在较大差别，

电阻负载输出电压不能出现负值，而阻感负载由于电感的作用，输出电压波形会出现负的部分。

通过仿真可清晰地得到各输出量的波形，对应不同的条控制角不同。只要对模块的参数稍作修改即件，如负载不同、

可，不需要再重新构建仿真模型图。结果分析表明，用Ｍａｔｌａｂ仿真的方法与传统的硬件实验相比较，其仿真结果的可信度高，不受空间、时间和物质条件的，并且可调动学生的积极性和激发学生的创造灵感，也没有实际中烧毁元器件及危及人身安全的危险，是一种理想的实践教学软件。

２．２负载的参数设置

ＲＬＣ负载参数设置：对于电阻性负载，Ｒ的值为５Ω，Ｌ的

值为０，Ｃ的值为ｉｎｆ。

２．３仿真并观察结果

设置的仿真参数如下：开始仿真时间为０，停止仿真时间为０．３ｓ，数值算法采用ｏｄｅ２３ｔｂ，将误差设置为１ｅ－３。

设置好各模块参数后，点击仿真按钮，得到如图２所示的仿真结果。将三相线电压波形与整流输出电压、电流波形相比较，整流后的电压是直流，因为是电阻负载，整流后的电压和电流波形相同，但Ｙ轴坐标不同。由图可知，随着控制角\"的增大，整流输出电压的平均值减小，其中#＝６０°是电压电流波形连续的临界点。

３结束语

将Ｍａｔｌａｂ仿真实验引入电力电子技术教学，运用Ｍａｔｌａｂ／

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ工具进行建模和仿真时，不仅可以弥

补实验仪器、元器件短缺以及规格不符合要求等因素影响，而且学生可以看到各个元件上动态电流波形，同时得到更多数据与波形，提高计算精度，而不像传统教学中只是静止不变的电压和电流波形。实验还使学生对动态响应过程有了更深的了解，而不再是抽象的内容。元件库中的电气元件能较全面反映

ａ．$＝３０°

ｂ．%＝６０°

ｃ．&＝９０°

直观易懂和改变参数实际元件的电气特性，其仿真图形逼真、

容易，既不担心元器件损坏，也没有任何危险，学生完全可以在无人指导的情况下，在计算机上自行完成电路仿真实验。在此基础上，再进行适当的真实性实验，则会受到理想的实验效果。

在教学中如果能采用适当比例的学时来做仿真实验和具体的硬件实验相结合的模式，这样不仅能激发学生学习本课程的兴趣，还提高了教学效果，帮助学生更快、更好地掌握该课程原理的理解，进一步培养学生的综合的教学内容，加深对概念、能力和创新能力。

参考文献：

图２带电阻负载不同控制角时的输出电压、电流波形

当负载为阻感负载时，ＲＬＣ负载参数设置：Ｒ的值为５Ω，

Ｌ的值为０．５Ｈ，Ｃ的值为ｉｎｆ。改变控制角可以观察在不同控制

角下整流电路的工作情况。

［１］李传琦．电力电子技术计算机仿真实验［Ｍ］．北京：电子工业出

版社，２００６．

ａ．’＝３０°ｂ．(＝６０°ｃ．)＝９０°［２］王兆安，黄俊．电力电子技术（第四版）［Ｍ］．北京：机械工业出版

社，２００６．

图３带阻感负载不同控制角时的输出电压、电流波形

由图３可以看出，当*≤６０°时，输出电压波形连续，电路

ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭａｔｌａｂＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＣｏｕｒｓｅｏｆｔｈｅＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｔｅａｃｈｉｎｇ

ＤＥＮＧＮａ，ＣＡＯＨｏｎｇ－ｙｉｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫａｉｆｅｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ４７５０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＭａｔｌａｂ’ｓＳｉｍｕｌｉｎｋａｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｓｅｓａｒｅｇｉｖｅｎ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｔｕｄｅｎｔｓｃｏｕｌｄｒａｐｉｄｌｙａｐｐｒｅｈｅｎｄｔｈｅｃｕｒｒｉｃｕｌａｔｈｅｏｒｙａｎｄｍａｓｔｅｒｔｈｅｓｋｉｌｌｓｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｐｒｏｂｌｅｍｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｍａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ

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