Simulink在_电力电子技术_教学中的应用

中国电力教育

“电力电子技术”课程是电气工程及其自动化专业重要的专业基础课程，教学内容涉及整流、逆变、斩波等电力变换电路，以及各电路在不同负载和不同控制角时输出电流、电压的变化，用来阐明电力变换电路的基本原理和工作过程。由于课程的实践性和应用性都很强，课程教学质量的优劣直接关系到学生后续专业课程的学习。研究电力电子电路常采用的是波形分析法，波形分析法需要教师花费大量精力进行电路及其波形的描述和分析，不但不够准确，还易造成学生被动学习，效果不好，而验证性实验大部分院校都仅用挂件结构或实验箱来完成，几乎所有的电路和系统都是封闭式。这种常规的实验过程，学生几乎是在教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教师，而不能独立分析解决问题。本文提出引入Simulink 仿真工具，把传统授课与现代计算机辅助教学相结合的新型教学模式，可以使学生更快、更好地掌握所学内容，加深对概念、原理的理解，有助于激发学生学习兴趣，进一步培养学生的实践动手能力和创新能力，提高教学质量。

一、MATLAB/Simulink 简介

MATLAB 软件语言系统是当今流行的第四代计算机语言，在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、自动控制等领域得到了广泛的应用。MATLAB 的核心是一个基于矩阵运算的快速解释程序，它以交互式接受用户输入的各项指令，输出计算结果，它提供了一个开放式的集成环境，用户可以运行系统提供的大量的命令。Simulink 是MATLAB 的一个附加组件，为用户提供一个建模与仿真的环境集成，它主要用于动态系统的仿真。它与用户的交互接口是基于Windows 的图形编程方法。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，其系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则

表示了信号流动的方向。对用户来说，只要学习图形界面的使用方法和熟悉模型库的内容，就可以很方便地进行系统和电路的仿真，而不必去记那些复杂的函数。SimPowerSystems 是进行电力电子系统仿真的理想工具，与其他仿真软件进行器件级别的仿真分析不同，SimPowerSystems 更加关注器件的外特性，易于与控制系统相连接。SimPowerSystems 模型库中包含常见的电源、电力电子器件模块、电机模块及相应的驱动和控制测量模块。使用这些模块进行电力电子电路系统、电力系统的仿真，能够简化编程工作，以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。电力电子器件模块库（Power Electronies）中包含了理想开关元器件（Ideal switch）、二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）、可关断晶闸管（Gto）、功率MOS 场效应管（Mosfet）、绝缘栅极双极晶闸管（IGBT）、反并联二极管的IBGT 、通用整流桥（Universal Bridge）及附加库（Extra Library）等基本模块，使用这些模块可以方便地建立电力电子系统仿真模型。

二、电力电子系统建模及仿真实例1.三相方波电压型逆变器工作原理

出于配电负载平衡的要求以及用电设备本身特性，较大容量的逆变器一般采用三相结构，其中电压型三相半桥式逆变电路应用最为广泛其主电路原理图如图1所示，由直流电源和三组桥臂组成，负载为星形连接，当v1导通时，a 点接于直流电源正极，当v4导通，a 点接于直流电源负极，b、c 点电位也是由其桥臂上下管的开关状态决定。其控制方法有120°和180°两种导电方式，这里采用180°导电方式，IGBT 分为三组，同一桥臂为一组，各桥臂上下驱动脉冲互补，为50%占空比的方波，即每个开关管导通180°，各相开始导电的角度差120°，三相半桥式逆变电路中各开关管每隔60°导通一个，导通180°后关断，任一瞬间都有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下开关管之间进行，也称为纵向换流。改变开关元件导通与关断的频率，就能改变输出交流电频率，改变直流侧电压，就能调节交流输出电压幅值。各元件导通顺序为V1→V2→V3，V2→V3→V4，V3→V4→V5，

Simulink 在“电力电子技术”教学中的应用

苏宝平 臧 义

摘要：为了激发学生学习的兴趣，增强学生对相关理论知识的理解，提高教学效果，针对“电力电子技术”课中有大量电路图需要画波形图进行分析的特点，本文介绍了MATLAB/Simulink 仿真软件的特点和功能，以及如何利用对“电力电子技术”课程进行仿真，并以三相方波电压型逆变器电路为例对其进行了建模和仿真分析，给出了详细的电路建模步骤和仿真结果分析。

关键词：电力电子；MATLAB 仿真；教学实践；应用实例

作者简介：苏宝平（1977-），男，河南浚县人，河南工业大学电气工程学院，讲师，工学硕士，主要研究方向：电力电子技术；臧义（1980-），男，河南信阳人，河南工业大学电气工程学院，讲师，工学博士，主要研究方向：电力电子技术。（河南 郑州 450007）

基金项目：本文系河南工业大学网络课程重点资助项目的研究成果。

DOI 编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2010.09.035

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V4→V5→V6，V5→V6→V1，V6→V1→V2，在一个周期共有六种导电模式，线电压为正负幅值，且均有电源电压，宽度为120°的方波。相电压在一个周期内每60°就发生一次电平变化，形成更加接近于正弦的六阶梯波。仿真模型如图2所示。

2.系统仿真模型的构建

（1）建立仿真模型，在SimPowerSystems的“Electrical Sources”库中选择直流电源模块。

（2）直流电源电动势设置为200v，在Power Electronics 库中选择“Universal Bridge”模块，选择桥臂数为3，构成三相半桥电路，开关器件选择带反并联二极管的IGBT，测量选项选择所有电压和电流值，其他参数采用系统默认值。在“Elements”中选择三相串联RLC分支作为三相负载，RLC分支中，负载类型选择RL，设置R=2、L=10mh、C=inf，测量选项选择电压和电流。将各模块按照三相方波逆变器的结构连接起来就完成了仿真模型的搭建。

（3）构造控制部分，选择六个Pluse Generator 模块，幅值设为1，周期设为0.02s，即频率为50Hz，占空比设为50%，各模块依次滞后0.02/6s，即相差60°，采用“Mux”模块将六路信号合成后加在三相桥的门极。由于三相桥模块内部IGBT 器件编号顺序，在放置Pluse Generator 模块需要注意，设置模块依次为V1、V4、V3、V6、V5、V2的触发脉冲。

（4）完成波形观测及分析部分，设置相应模块的测量选项，在“multimeter”选择好需要观测输出量，双击示波器模块，在“Data History”中选中将数据保存到工作区的选项，以便利用SimPowerSystems提供的Powergui对输出波形进行谐波分析。

3.仿真结果

在Powergui菜单栏选择离散仿真模式，并将采样时间为设置1e-5s，在工具菜单中打开仿真参数设置窗口，将仿真最小误差设置为1e-3，起始仿真时间为0，仿真结束时间为0.1s，仿真算法采用ode15，运行仿真，仿真结果如图3所示。

图3中从上而下，依次是a相相电压波形、a相相电流波形、ab相线电压波形、IGBT承受的电压和直流电流波形，从图中可以看出逆变器输出的a相相电压波形为六阶梯波，但a相负载相电流并不是一正弦波，这和直流电源电流以及负载性质有关，电源侧直流电流为脉动电流，其脉动频率为电压基波频率的6倍，仿真结果和课本上给出的结论一致。

4.谐波分析

MATLAB提供的Powergui具有很强大的功能，利用Powergui可以对输出的电压波形进行FFT分析，双击Powergui中的FFT分析选项，选择分析的波形a相相电压，设置分析起始时刻0.045s，基波频率为50Hz，分析周期数为两个周期，输出的交流相电压不含3的整数倍次谐波，只含更高阶次的奇次谐波，基波幅值为159V。

三、结束语

通过以上介绍和举例说明可见，利用Simulink对电力电子电路进行仿真，只要将所需元器件模型用鼠标拖入工作窗口，并设定元器件参数，然后根据仿真电路的拓扑结构连好电路，设定仿真参数，仿真模型便自动生成，建模非常简单。通过在电力电子教学中引入Simulink仿真工具，我们使传统教学与多媒体教学手段有机结合起来，为学生学习电力电子技术提供了形象生动的仿真效果，可使枯燥的电路变得有趣味性，复杂的波形也变得更加生动，各种能量转换过程也能比较直观地呈现在学生面前，便于学生更好地、牢固地掌握“电力电子技术”这门课程的有关知识，提高了学生的综合素质，同时也弥补了

验证实验的不足。

参考文献：

[1]林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2]洪乃刚.电力电子技术基础[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]李家坤,李生明.基于MATLAB的电力电子技术实验计算机仿真的研究[J].武汉船舶职业技术学院学报,2008,(5):38-41.

[4]邓娜,曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应用[J].装备制造技术,2008,(1):124-125.

（责任编辑：苏宇嵬）