MATLAB仿真技术在电力电子技术实验教学中的应用

张鹏

（渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南 714000）

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是借助电力电子器件（如晶闸管、GTO、IGBT等）对电能进行变换和控制的技术[1]。该课程已成为电气工程及其自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。以单相交流调压电路的性能研究实验为例，将MATLAB仿真技术引入到的实验教学中，对于帮助学生加深理解能够起到事半功倍的效果。

1 MATLAB软件特点

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。将其引入到电力电子技术课程的实验教学中具有很多好处，其仿真图形直观逼真、器件参数可在大范围内调节，不用担心元器件损坏，也没有任何危险性，学生若能在实验课前能独立完成仿真环节，对实验课程的效果帮助很大。

2 单相交流调压电路基本教学及存在难点问题

交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速[2-4]。交流调压电路是指把交流电能的参数（幅值、频率、相位）加以变换的电路。根据变换参数的不同，交流调压电路可分为交流电力控制电路和交—交变频电路[5－6]。根据结构的不同，交流调压电路有交流调压电路和三相交流调压电路两种。图1为单相交流调压电路原理图，主电路由VT1和VT2两个晶闸管反向并联构成，通过控制晶闸管在每一个电源周期内导通角的大小来调节输出电压的大小，来实现负载的交流调压。

图1 单相交流调压电路原理图Fig.1 Single－phase AC voltage regulator circuit schematics

单相交流调压电路可以根据负载性质的不同可分为电阻性负载和阻感性负载，电阻性负载的控制角的移相范围为0～π， 阻感性负载的控制角的移相范围为 φ～180°。 在 ωt=α时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在ωt=π时，电源电压过零，因电阻性负载，电流也是零，VT1自然关断。在ωt=π+α时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在ωt=2π时，电源电压过零，VT2自然关断。

通过上述教学过程，学生对单相交流调压电路的结构、工作原理及功率器件的控制方式有了基本的认识，难点则集中在于影响因素的分析，由于这部分内容计算复杂，且在实验过程中又难以观测，教师在讲解起来十分困难，而学生没有直观的接触学习起来也难以理解。因此，引入MATLAB仿真工具是解决上述问题的一个有效途径。

3 单相交流调压电路分析

3.1 纯电阻负载

交流调压电路的工作情况与负载的性质有十分重要的关系[7－8]，图1中负载为纯电阻负载，其中晶闸管 VT1和 VT2也可以用一个双向晶闸管代替。

纯电阻负载时，负载电压的有效值为式（1）：

因为是纯电阻负载，因此负载电流的有效值的计算式为式（2）：

晶闸管电流的有效值为式（3）：

上式中，U0为负载电压，U1为电源电压，α为触发控制角，R为负载电阻。

3.2 阻感负载

阻感负载是比较常见的情况，设负载的阻抗角为φ=arctan（wl/R）。为了方便讨论，把α=0的时刻仍定在电源电压过零的时刻，显然，阻感负载下稳态时α的移相范围为φ≤α≤π。纯电阻负载时，阻感负载时，负载电压的有效值为式（4）：

上式中，θ为导通角。

晶闸管电流有效值为式（5）：

3.3 负载电压谐波分析

由于负载电压不是正弦波，含有大量谐波，由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波，负载电压用傅立叶级数表示为式（7）：

上式中，Z为阻感负载的阻抗值，φ为阻抗角。

负载电流有效值为式（6）：

上式中，an和bn为波形系数。

各次谐波电压有效值为式（8）：

负载电流各次谐波有效值为式（9）：

4 仿真结果与实验结果的对比分析

为了便于比较，在仿真中和试验中采用相同的参数，并且在仿真中运用FFT工具对负载波形进行了定量的分析。相关参数如表1所示。

在参数设置上，负载电感L=200mH。当触发角为α=60°时，图2为仿真时负载电压波形及FFT分析的结果，图3为实验时负载电压波形。图4和图5触发角为α=120°时，为仿真时负载电压波形及FFT分析的结果。通过对比图2、4和图、5，可以发现仿真结果和实验结果基本吻合，但是存在一定的偏差，仿真波形在0.01 s前显示了阻感负载的启动过程，而在实际实验过程中由于这个过程的时间非常短暂，往往难以观测到。另外在实验结果中晶闸管出现了尖峰电压，而在仿真中没有观测到，这与仿真模型的精度有很大关系。FFT分析的结果与理论结果也是相符合的。

图2 α=60°仿真时负载电压波形及FFT分析Fig.2 Load voltagewaveform and FFT analysis in simulation when α=60°

图3 α=60°实验时负载电压波形Fig.3 Load voltagewaveform in experimentswhen α=60°

图4 α=120°仿真时负载电压波形及FFT分析Fig.4 Load voltagewaveform and FFT analysis in simulation when α=120°

图5 α=120°实验时负载电压波形Fig.5 Load voltagewaveform in experimentswhen α=120°

在课后，还可以要求学生自行设计参数，观测试验的结果，总结各参数对输出特性的影响。这样既加深了学生的理解，又可以使学生产生浓厚的学习兴趣。因此，利用仿真工具进行说明这些教学难点问题，可以获得很好的教学效果。

5 结束语

电力电子技术课程实验教学是理论教学的重要补充，对于学生深入理解课程内容有很大作用。但是，目前实验课程课时较少，学生在实验过程中对实验台不熟悉，操作费时耗力，该实验又属于强电实验，有一定危险性，学生只能完成规定动作，不敢对疑虑的问题进行实际验证，这些原因导致了实验教学的效果往往不佳。以交流调压电路为例，将Matlab仿真技术引入到电力电子技术实验课程中，仿真结果十分接近实验结果，并对照实验结果进行了分析，大大的克服了传统实验教学中存在的问题，加深了学生对课程内容的理解，是一种十分好的方法。

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