基于Matlab的电力电子技术教学探索

李 淼，胡孔忠，朱怀娟

(1.国网安徽省电力公司培训中心，合肥 230022; 2.安徽电气工程职业技术学院，合肥 230051; 3.国网合肥供电公司，合肥 230022)

基于Matlab的电力电子技术教学探索

李 淼1，2，胡孔忠1，2，朱怀娟3

(1.国网安徽省电力公司培训中心，合肥 230022; 2.安徽电气工程职业技术学院，合肥 230051; 3.国网合肥供电公司，合肥 230022)

电力电子技术是融合电子学、控制理论和计算机技术的学科，除了理论学习，还必须开设许多实验。由于实物搭建的实验电路通常缺乏完善的满足保护电路，时常损坏器件，实验费用高。Matlab是一种科学计算软件，集成了基于框图的仿真平台Simulink，可以直观地用模块框图进行仿真和计算［1］。文章在Simulink平台，搭建了三相整流电路模型进行仿真，并说明其优越性。

Matlab/Simulink;仿真;整流电路

0 引言

电力电子技术综合了电子电路、计算机、控制理论等多学科知识，是一门理论性、实践性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。

为了得到电压、电流的波形，就要将用的电力电子元件安装出来再进行调试和试验，在关注点接入示波器，由于电压等级、电气隔离的不同，通常不能直接接入，还要采取隔离、变换处理，所以难度很高。实物型的示波器通道通常不超过四路，如果要测量的波形较多，就需要较多的示波器，或者中断试验，改接测量点。由于示波器的体积大、价格昂贵，购置的数量是有限的，难以进行稍微复杂的实训教学。于电力电子器件过载、过压能力低的缺点，错误的接线必将导致器件损坏，因此采用实物形式的实训教学，既要有实验室空间，还要配套昂贵的示波器，将耗费大量的人力和物力，且设计效率低、耗资大、周期长。采用计算机进行仿真试验，则可大大地节约开支，提高设计效率，缩短设计周期。对于电力电子电路来说，由于大功率开关器件开关转换电流换相动态过程十分复杂，电路经常处于过渡过程，数学模型是很复杂的，即使建立起来了，用计算机编程实现得到真实的仿真结果也需要花大量的时间精力来编程和调试。目前广泛采用专用软件来进行仿真实验，这类软件很多，例如Matlab、Proteus、Multisim、Simploer等等，其中用Matlab可视化图形化仿真环境来对电力电子电路进行建模仿真则可使之变得直观，简单易行，效率高，真实准确。

1 MATLAB简介

Matlab是美国MathWorks公司开发的一套高性能的数值分析和计算软件，将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，提供了丰富的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。Matlab已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。Matlab已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等的基本教学工具。

2 基于Matlab的三相桥式全控整流电路的波形分析

图1 三相桥式整流电路

2.1 三相桥式全控整流电阻性负载主电路［2］

完整的三相桥式全控整流电路由整流变压器，6个桥式连接的晶闸管、负载，以及更复杂的同步触发环节组成，原理图如图1所示。

六个晶闸管依次相隔60°触发，将电源交流电整流为直流电。为了理解其工作原理，至少要测取变压器副边绕组的电流ia、ib、ic，六只晶闸管的电流iT、负载的电流id、电压ud和六路触发脉冲的波形，如果同时显示波形，需要15个信号通道。采用实物形式的4通道示波器，需要4台，探头连接时还要注意信号是否共地，如果不共地还需要加隔离，否则必将引起事故;由于实验的连线数量众多，指导人员压力极大，极易产生各种问题，实物实验可靠性低、成本大。

2.2 基于Matlab的三相桥式全控整流电阻性负载主电路仿真［3］

采用Matlab仿真技术，仅需一台能够运行Matlab软件的计算机即可，几乎不受时间、空间的限制。其过程如下:

表1

(1)运行Matlab;

(2)首先建立一个仿真的新文件，例如取命名为three_rectify.mdl;

(3)打开Simulink库;

(4)提取电路与器件模块，组成上述电路的主要元件有交流电源、晶闸管、RLC负载等，其元器件名称及提取路径如表1所示:

在不影响工作原理的情况下，后述的模型中略去了整流变压器。

(5)在工作区，合理安排虚拟元件位置，连线构成三相桥式整流电路Simulink模型;

图2 三相桥式整流电路仿真模型

(6)设置各项仿真参数:

设定此电路为电阻负载，R=300Ω。

设置模型参数如下:1)电源参数设置:三相电源的线电压峰值为537V，初相位0°，频率为50Hz; 2)三相晶闸管整流器参数设置:使用缺省值;3)6脉冲发生器设置:频率为50Hz，脉冲宽度取2°，取双脉冲触发方式;4)触发角设置:为了便于比较，分别设定alpha设置为0°和30°。

(7)仿真并观察结果。

设置仿真时间0.04s，对应两个工频周期，数值算法采用ode23tb(stiff/TR-BDF2)。启动仿真后，截取了主要的波形图如下:

分别将α=0°和α=30°的波形与教材上的比较，可以证明仿真结果的准确。

3 结束语

Matlab仿真波形与文献［2］中理论分析比较，可以看出，利用Simulink对系统建模及仿真的结果(波形)具有真实性和极高的可信度。使用Matlab时，系统的建模和实际系统的设计过程非常的相似，用户不用进行编程，也无需推导电路、系统的数学模型，就可以很快得到系统的仿真结果，有助于对电力电子工作原理的理解。因此建议在电力电子教学中尽可能采用Matlab仿真代替实物实验，回避实物实验存在的风险，节约时间、空间降低费用。

［1］薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［2］贺益康，潘再平.电力电子技术基础［M］.杭州:浙江大学出版社，2003.

［3］姚俊，马松辉.Simulink建模与仿真［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2002.

［责任编辑:朱子］

Teaching M ode of Power Electronic Technology Based on M atlab

LIMiao1，2，HU Kong-zhong1，2，ZHU Huai-juan3
(1.Training Centre of State Grid Anhui Electric Power Corporation，Hefei230022，China; 2.Anhui Electrical Engineering Professional Technique College，Hefei230051，China; 3.State Grid Hefei Power Supply Company，Hefei230022，China)

Power electronic technology is the integration of electronics，control theory and computer technology，besides the theoretical study，many experimentsmust be offered.As the experimental circuit of real structure usually lacks the perfect protection circuit，the damage of devices often occurs，so the cost of experiment is high.Matlab is a kind of scientific calculation software，integrating the Simulink simulation platform based on block diagram，can intuitively usemodule block diagram for simulation and calculation.Based on the Simulink platform，a three-phase rectifier circuitmodel is built to simulate in the paper，and then its superiority is proved.

Matlab/Simulink;simulation;rectifier circuit

G642.0

A

1672-9706(2014)03-0118-05

2014-06-12

李 淼(1967-)，男，安徽宿州人，副教授，从事电气自动化技术方面的教学和研究。

胡孔忠(1955-)，男，安徽安庆人，讲师，从事供配电技术方面的教学和研究。

朱怀娟(1975-)，女，安徽宿松人，高级技师，从事电力调度与控制工作。