MATLAB在电力电子实验教学中的应用

　第24卷第2期　2005年2月

实验室研究与探索

RESE ARCH AND EXP LORATI ON I N LABORAT ORY

V ol.24N o.2　

Feb.2005　

MAT LAB 在电力电子实验教学中的应用

马立华,　席　惠

(上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海200235)

摘　要:根据电力电子技术课程的现状,本文介绍运用Matlab 6.x 版本中的电力系统工具箱来设计电力电子实验,并给出了一些典型电力电子线路仿真实例。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,并初步学会用仿真来分析电力电子问题的技能。关键词:“矩阵实验室”软件包;电力电子技术;仿真中图分类号:TP391.9文献标识码:B 文章编号:100627167(2005)022*******

Application of MAT LAB in Experimental Teaching

of Power Electronics Technology

MA Li 2hua ,　XI Hui

(School of Mechanical and Automation Eng.,Shanghai Ins.of T echnology ,Shanghai 200235,China )

Abstract :Based on the present state of power electronics course ,this paper introduced how to design experiments based on power system blockset of Matlab 6.x.Several simulation exam ples typical of power electronics circuits were offered.The practice proves that by utilizing the power system blockset to simulate ,students can not only apprehend the theory better but als o learn the preliminary skill to analyze power electronics questions.K ey w ords :Matlab ;power electronics technology ;simulation

收稿日期:2004209214

作者简介:马立华(1947-),男,副教授,主要从事电力电子、运动控制的教学和科研。

1　引　言

电力电子技术是20世纪后半叶诞生与发展的一门崭新技术,也是自动化、电气工程类专业的一门重要

专业基础课。它日新月异的发展,使该门课程处于不断充实、更新之中。目前的电力电子技术教材与前几版相比,大都实现了从以半控的晶闸管电路为主体向以全控型器件电路为主体的转变,这使得该课程内容多,信息量大。但突出的矛盾是目前各专业课时大多被压缩,为达到预期的教学效果,在教学过程中必须有新的教学手段和方法来支持。M AT LAB 仿真软件自1984年由美国Math W orks 公司推向市场以来,经过多年的发展,现已成为国际公认的优秀科技应用软件。在M ATI AB 的Simulink 下,用户只要将所需的功能模块从工具箱中拖拽入工作窗口,连线及设置参数,就很容易构建出所需的模型并对其进行分析。

M AT LAB 6.x 版本中的电力系统工具箱(P ower System Blockset )较以前版本功能更强,这给电力电子仿

真带来诸多方便。我们尝试对电力电子技术课程精选内容,设计一些覆盖面广,有典型意义的实例,让学生在实验中学会仿真并自己设计建模,使学生在较短的时间内对该课程中的概念和基本原理有了较好的理解和掌握。

2　电力系统工具箱简介

电力系统工具箱包括了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型,这些元件模型分布在7个模块库中。

(1)电源模块库(Electrical S ources ):包括交流、直

流及可控的电压源和电流源。

(2)连接模块库(C onnectors ):包括地线、中性点、连结点等。

(3)元件模块库(Elements ):包括串联及并联的R LC 支路Π负载、变压器、互感、开关等。

(4)电机模块库(Machines ):直流、交流等各种电机模块。

(5)测量模块库(Measurements ):包括电流、电压等

测量模块。

(6)电力电子模块库(P ower Electronics ):包括二极管、晶闸管、G T O 、M OSFET 、IG BT 等电力电子器件。还有通用桥(Universal Bridge ),它可设定成不同电力电子器件的单臂、双臂、和三臂桥。

(7)附加模块库(Extra library ):主要有①控制模块库:内有同步6脉冲发生器、PW M 发生器、时钟、三相可编程电源等。②离散测量模块库:

各种离散测量模块。③离散控制模块库:离散PI 、PI D 控制器,离散PW M 发生器和二阶滤波器等。④测量模块库:有交流

调速中的abc 到dg o 的坐标变换等。⑤三相模块库:包

括三相串联、并联的R LC 支路Π负载、各种接法的三相变压器等。

3　典型电力电子电路仿真实例

3.1　AC ΠDC 晶闸管相控电路

电力电子技术中的变流电路分为AC ΠDC 、AC ΠAC 、

DC ΠAC 、DC ΠDC 四种,其中AC ΠDC 晶闸管相控电路是基础。图1给出了一个可包括单相、三相晶闸管整流桥的仿真模型(亦可用于有源逆变状态)。6.x 版的电力系统工具箱提供了可设定为不同电力电子器件的通用桥和同步6脉冲触发器,

这使得相控电路的模型搭建很容易。图1中,6脉冲触发器的同步电压要求是线电压,因此用电压测量模块将相电压转为线电压。在触发模块的参数设定中,频率选为与电源频率一致(例如50HZ ),并选双脉冲触发形式。负载电路用一串联的R L 电路再与一直流电源DC 相串联,以便能分别模拟电阻负载、阻感负载、反电势负载和有源逆变的情况。例如,若为电阻负载,可令L 及直流电源DC 的值均为零;若为反电势则令DC 为一负值;而有源逆变时令DC 为一正值,晶闸管的控制角α为大于90°的逆变角。这样就可仿真以上不同情况了。

图1　晶闸管相控电路仿真模型

图2a 给出了纯电阻负载时的输出电压u d 、输出电流i d 的仿真波形,图2b 给出了阻感负载时的输出电压u d 、输出电流i d 的仿真波形、图2c 是反电势负载情况下的输出电压u d 、输出电流i d 的仿真波形。图中,三相输入电压U a ,U b ,U c 的峰值(peak am plitude )均为50V 。在图2c 中,为了观察直流电动机轻载时电流断续的情况,特将R 取得较大,仿真结果显示在u d 小于E m 时,输出电流i d 断续;图2d 显示了有源逆变时的输出电压u d 和输出电流i d 波形。

晶闸管单相全桥相控电路的仿真也可借用图1的仿真模型,只需将三相输入电压的U b 、U c 的参数设定中的峰值(Peak am plitude )设为0V ,其它不动,即可仿真单相全控桥的情况了。

3.2　DC ΠDC 直流斩波电路

在DC ΠDC 变换电路,即直流斩波电路中,最基本的是降压斩波与升压斩波电路。他们的仿真模型构造也比较简单。图3给出了升压斩波电路(Boost Chopper )的模型。图中,脉冲发生器的脉冲周期T =0.5ms ,脉

宽占空比选50%,E =100V ,L =0.01H ,R =20

Ω,C =100μf 。启动仿真后,可看到负载电压稳定在200V ,如图4所示,证明在Boost Chopper 电路中,U o =(T Πt off )E 的关系。图中还可以看出IG BT 与二极管D 是轮流导通的,但负载电流I 2load 是连续的。3.3　DC ΠAC SPWM 逆变电路

正弦脉宽调制(SPW M )逆变电路非常清晰地说明了直流Π交流间的变换。图5是一个单相桥式SPW M 逆变电路,SPW M 驱动信号是由离散PW M 发生器(Discrete PW M G enerator )模块产生的。参数设定中,为

4

3 实　验　室　研　究　与　探　索

第24卷　

图2　

仿真波形

图3　升压斩波器仿真模型

了能较好观察SPW M 波,载波频率取500H z (一般可取

≤1KH z ,太高则一个周期内脉冲波过多,不宜观察),

调制比取0.8,R =4

Ω,L =0.04H 。并选用调制信号由内部产生,这样模块的信号输入端便应接“地”。注意,

信号的“地”端不应选用直流母线的电源地。图6是相应的仿真结果。可见输出电压是一单极性的SPW M 波,而输出电流经R 、L 滤波后,为落后于电压一相角的正弦波。

上述仿真实验在电力电子技术课程实施后收到良好的效果。在具体的操作中,先让学生运用上述仿真

实例,改变不同参数,熟悉M AT LAB 及相应课程内容后,再参考实例自己建立相应模型,例如降压或升降压斩波电路,三相SPW M 逆变电路等。由于大学生们都有较好的英语、计算机基础,对一些具体操作,没有必要象一些介绍M AT LAB 软件的书籍那样,对各个模块的参数设定、属性逐一翻译介绍,而是引导学生通过Help 文件来学习,这对学生自学能力的提高和专业外语的学习都是一种促进。

4　结　论

将M AT LAB 仿真实验引入“电力电子技术”教学,并精选内容,能使学生在较短的时间内对该课程有较好的理解,缩短了传授时间,提高了教学效果。运用电力系统箱模块的电力电子仿真具有良好的图形显示、直观易懂和改变参数容易等优点,利于激发学生的学

5

3　第2期

马立华,等:M AT LAB 在电力电子实验教学中的应用

图4　

升压斩波器仿真波形

图5　单相桥式SPW M 逆变电路仿真模型

习兴趣和科学技能的掌握。

与同为现代教育技术手段的多媒体教学相比,仿真实验更是一个学生自我学习的过程,学生有独立思考、自主探索的时间和空间。

M AT LAB 仿真实验可与具体的电力电子实验互补不足,但不能替代。学生仍需通过具体的实验,熟悉各种电力电子器件和电路的物理组成,才能较好地掌握这门课程。

图6　单相全桥SPW M 逆变电路仿真波形

参考文献:

[1]　郑亚民,等.基于P ower System Blockset 的电路与电机仿真分析[J ].

电气电子教学学报,2003,(2):55258.

[2]　刘文良,等.M AT LAB 在电力电子技术仿真中的应用[J ].电气自

动化,2001,(3):53254.

[3]　王兆安,等.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[4]　程卫国,等.M AT LAB5.3应用指南[M].北京:人民邮电出版社,

1999.

[5]　叶彪明.基于M AT LAB 的《现代控制理论》课程的实验设计[J ].实

验室研究与探索,2004,(1):28231.

[6]　李霞,等.基于M AT LAB Add 2in 的M AT LAB ΠVC 混合编程研究[J ].

实验室研究与探索,2004,(4):49251.

6

3 实　验　室　研　究　与　探　索

第24卷