基于Matlab/Simulink的电力电子仿真实验教学研究

陈岚峰, 吕 嫣, 程立英, 吴 迪, 崔 崧, 周 波

(1. 沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034; 2. 东北大学 信息科学工程学院, 沈阳 110089)

基于Matlab/Simulink的电力电子仿真实验教学研究

陈岚峰1,2, 吕 嫣1, 程立英1,2, 吴 迪1, 崔 崧1, 周 波1

(1. 沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034; 2. 东北大学 信息科学工程学院, 沈阳 110089)

Simulink是MATLAB最重要的组件,可方便的应用框图的方式对电路系统进行仿真。利用计算机软件对电力电子电路仿真,使得学生在不需要做实验的情况下,结合理论知识形象的认识电路拓扑和工作原理。在介绍了三相整流电路和逆变电路工作原理的基础上,应用Matlab/Simulink软件的电力系统仿真工具箱对电路进行了仿真,得到的输出波形可以在示波器(Scpoe)中观察到。经过分析可见,响应波形与理论分析一致,验证了仿真实验的正确性。并且由于计算机仿真的灵活性,可以使得对电路拓扑和参数的修改极为方便,并且能够从示波器中形象的观测到各种响应随时间变化的波形,使得学生对电力电子电路的认识更为深刻。

仿真; 三相整流电路; 逆变电路; Matlab/Simulink; 电路拓扑和参数

在“电力电子技术”本科教学中,只靠图形的说明,学生难以直观地看到波形的变化,所以感到波形分析复杂,影响学习的效果。并且教材只给出了主电路拓扑,而并未给出驱动电路及控制电路,使学生对电力电子电路系统缺乏必要的理解和体会[1]。Simulink是MATLAB最重要的组件,可以提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。只需要通过简单直观的鼠标操作,就能够构造出复杂的系统[2]。

在电力电子电路的设计过程中, 需要对初步方案(电路)以及相关元件参数选择是否合理进行验证。若不能满足要求, 还要更换元件甚至要重新设计、安装、调试。但这样做的后果是耗费大量的人力和物力,且效率低、耗资大、周期长[3]。现代电力系统具有超高压、大容量、跨区域的特点。许多大型电力科研试验在实际条件下很难进行,并且系统的安全性较低。因此,现阶段应用仿真软件针对电力系统稳定分析和新装置的研制是必不可少的[4]。

电力电子技术已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课, 在培养本专业人才中占有重要地位[5]。本文基于电力电子技术课程教学过程中的典型具体电路,应用Matlab/Simulink软件的电力系统仿真工具箱为其设计可扩展性强的仿真电路。

1 Matlab/Simulink软件简介

近20年来,Matlab[6]软件因其面向矩阵的编程特性、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集合工具箱以及图形仿真界面而在电力系统仿真分析中得到了极其广泛的应用[7]。而且,Matlab良好的开放性能使得它能够始终处在科技前沿,并为其发展提供强有力的工具,Simulink环境即为Matlab图形化的仿真功能[8]。具有形象、便捷的建模与仿真功能,从而深受用户欢迎。

较新版本的Matlab/Simulink 提供的电力电子系统建模与仿真工具箱既保留了Matlab/Simulink 的统一风格,又突出了电力电子的学科特点,为电力电子技术的研究开发与应用提供了理想的工具[9]。Matlab/Simulink中电力系统仿真SimPower Systems工具箱即是非常适合于电力系统仿真的工具箱[10]。它具有建立电路仿真模型直接,且可以随意改变仿真参数的特点,从而立即得到任意的仿真结果[11]。

2 典型电力电子电路

2.1 三相整流电路原理

图2 三相桥式PWM型逆变电路Fig.2 Circuit of three-phase bridge PWM inverter

图1 三相桥式全控整流电路原理图Fig.1 Circuit schematic of three-phase bridge full-controlled rectified

将交流电转变为直流电的电路即整流电路,但其输出的直流量都会带有纹波[12]。如图1所示为三相全桥整流电路[13],其中阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1、VT3、VT5)称为共阴极组,阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。调节触发角度就可以改变输出直流电的大小。

2.2 逆变电路原理

逆变的原理是,使开关器件按照一定的规律导通和关断,则输出电压极性正负交替,即将输入直流转换为输出交流[14]。如图2所示为三相桥式PWM型逆变电路[15],通常都是采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制共同使用一个三角波载波信号uc,三相调制信号 urU、urV和urW的相位依此相差120度。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。因此,逆变器输出线电压uUV、uVW、uWU由±Ud、0三种电平构成,而输出的相电压由±1/3Ud、±2/3Ud和0远5种电平构成。

3 仿真实验实例

3.1 三相整流电路仿真

三相全桥整流电路仿真电路如图3所示,其中VT1～VT6为晶闸管,Pulse1～Pulse6为6路脉冲信号,触发角度为0,用来驱动晶闸管动作。ua、ub、uc为三相输入交流电压,振幅值为200 V,频率为25 Hz。负载电阻值为100 Ω。

图3 三相桥式全控整流仿真电路

仿真时间为0.1 s,得到的输出电压仿真波形如图4所示。可见,由于在自然换相点触发,所以负载电压为线电压正半周的包络线,而晶闸管VT1上的电流只出现在ua相电压最大时刻,其他为0。图5给出了VT1的电压波形与线电压的关系,即在VT1导通时刻为0,而在其他时刻为两段线电压uba和uca,并给出了负载电压与线电压的关系。

图4 三相桥式全控整流输出波形

图5 三相桥式全控整流线电压与输出波形关系

3.2 逆变电路仿真

图6 三相桥式PWM型逆变仿真电路

三相桥式PWM型逆变电路仿真电路如图6所示,其中Universal Bridge为逆变桥,选择桥臂数为3。开关器件选带反并联IGBT/Diodes,直流电压设置为300 V,阻感负载分别为3 Ω和10 mH。Pulses模块输出六路脉冲,其频率为50 Hz,占空比为0.4。

图7 三相输出线电压仿真波形

图8 三相输出相电流、电压仿真波形

仿真时间为0.04 s,得到的三相输出线电压仿真波形如图7所示,可见其输出电压只有±300 V和0三种电平。而得到的三相输出相电流和相电压仿真波形如图8所示,其输出电压有±200 V、±100 V和0五种电平,结果与前文提出的工作原理相符。

4 结 论

经过以上两个例子的仿真,可见应用Matlab/Simulink软件的电力系统仿真工具箱对电路进行仿真实验,可以得到与理论研究相同的结果,证明了应用该软件仿真电力电子电路的可行性。并且,由于是基于计算机的仿真研究,可以灵活的改变电路拓扑和参数,使得对电路的研究更为方便。总之,学生可以应用灵活的仿真实验结合课堂教学中的理论知,深刻的认知和掌握电力电子电路的工作原理。

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Research on power electronics simulation experiment teaching based on Matlab/Simulink

CHENLanfeng1,2,LUYang1,CHENGLiying1,2,WUDi1,CUISong1,ZHOUBo1

(1. College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. College of Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110089, China)

Simulink was the most important component of MATLAB,it can be convenient to use block diagrams simulate circuit system. In the case of experiments which could not needed to be done, students can vividly understand the circuit topology and working principle by using computer software to simulated power electronic circuit with theoretical knowledge. On the basis of describing the three-phase rectifier circuit and the inverter circuit working principles, the resulting output waveforms can be observed in the scope by using the power system simulation toolbox of Matlab/Simulink. By analyzed, the response waveforms were consistent with the theoretical calculation, so the simulation was correct. Due to the flexibility of computer simulation, circuit topology and parameter were very convenient changed. So the waveforms of the various responses with time could be observed from the image in oscilloscope. Students could understand of power electronics circuits deeply.

simulated; three-phase rectifier circuit; inverter circuit; Matlab/Simulink; circuit topology and parameters

2016-12-27。

国家自然科学基金资助项目(61673094)。

陈岚峰(1979-),男,辽宁沈阳人,沈阳师范大学讲师,硕士。

1673-5862(2017)03-0364-06

TP391.9

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.021