基于LabVIEW与Simulink的电力电子电路故障仿真

罗漪澜 邹恩 何忠礼 林舜杰

摘  要：为了对电力电子电路故障时的工作情况进行探讨与分析，本文以三相桥式全控整流电路为例，基于LabVIEW和Simulink建立了电力电子电路在故障情况下的电路仿真模型，对电路故障时的工作情况进行了仿真分析，仿真结果展示于LabVIEW界面中，仿真参数亦可在界面直接修改。该故障仿真对理解电路原理、推测故障原因及在电路设计时选取器件参数等有参考意义。

关键词：LabVIEW;Simulink;故障仿真

中图分类号：TP391.9     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0028-03

Abstract：In order to discuss and analyze the working conditions when the power electronic circuit fails，this article take the three-phase bridge full-controlled rectifier circuit as an example，established the circuit model of the power electronic circuit using LabVIEW and Simulink under fault conditions，then simulate and analysis the working situation of circuit faults. The simulation results are displayed in the LabVIEW interface，and simulation parameters can be modified directly on the interface also. The fault simulation has reference significance for understanding the circuit principle，estimating the cause of the fault，and selecting the device parameters when designing the circuit.

Keywords：LabVIEW;Simulink;fault simulation

0  引  言

“电力电子技术”课程一直以来以电路种类多、波形复杂成为较难的专业课程之一。为了更好地理解电路原理掌握电路应用，除进行实物实验外，在理论学习时常通过Flash动画或Simulink电路仿真来加深对相关知识的理解[1，2]，但课本中的分析往往只针对最理想的工作情况，而实际电路在工作时不可避免地会出现故障，这就使得对电路的故障分析必不可少。

本文针对电力电子技术学习中存在的电路故障分析需求，基于LabVIEW和MATLAB搭建了电力电子电路模型，并针对电路可能出现的故障进行分类分析，将故障时的电路参数直观展示于LabVIEW虚拟示波器中。不仅能降低对复杂理论知识的理解难度，为电路故障分析及电路设计提供依据，更能提高学生对课程知识的探索兴趣，有助于培养学生分析问题和解决问题的综合能力。

1  Simulink电路模型的搭建

1.1  Simulink电路模型

Simulink给电力系统仿真提供了专门的模块库SimPower-Systems，其中包括Power Electronics模块库、二极管、晶闸管、GTO、理想开关、MOSFET、IGBT和通用桥等模型以及3相序列分析、连续/离散同步6-/12-脉冲发生器等[3]。除此之外，SimPowerSystems还包含电源、电气元件、电路测量、电机等模块，能够满足电力电子电路仿真的基本需要。

在电力电子电路中，整流电路是最基本也是应用最广泛的电路，本文以三相桥式全控整流电路为例，对电路进行故障仿真。三相桥式全控整流电路模型如图1所示，整流桥晶闸管的触发信号由Synchronized 6-Pulse Generator提供，各晶闸管触发脉冲依次相差60度，改变输入参数alpha_deg即可改变晶闸管控制角α。用直流电源模拟负载中的反电动势，用于带电动势负载及有源逆变时的分析。在模型中加入若干測量模块，分别对三相交流侧线电压、晶闸管VT1电压、流经负载电流及负载上电压参数进行监测。

1.2  模拟电路故障

电力电子电路在工作时难免出现故障，三相桥式整流电路在工作时，可能出现的故障主要有以下几类：电力电子器件故障，如失去阻断或导通能力、触发电路工作故障、触发脉冲丢失或延时、交流电源缺相等。针对以上可能出现的主要故障，可在模型中故障点处串入选择开关或修改元件参数模拟故障。如图1所示，若模拟晶闸管VT1触发脉冲丢失故障，可在脉冲发生器输出端与晶闸管G级之间串入选择开关switch，通过调整中间输入的值，即可选择是否给G级输入正常触发脉冲。若模拟电源缺相，则修改三相电源参数即可。

2  LabVIEW与Simulink联合仿真的实现

本文使用LabVIEW与Simulink实现联合仿真，借助LabVIEW图形化编程的功能特点[4]，将Simulink模型与LabVIEW控件链接起来，实现通过LabVIEW直接修改Simulink模型参数，并在LabVIEW虚拟示波器中观测电路参数的变化。

2.1  LabVIEW前面板设计

LabVIEW前面板设计分为三个部分，第一个部分为控制部分，包括对电路控制角α、逆变角β、电阻值、电感值、反电动势的设置及工作情况的选择。工作情况包括正常工作（即无故障）、晶闸管VT1丢失触发脉冲、晶闸管VT1失去阻断能力和交流电源A相缺相四种。第二个部分为电路图显示，显示当前仿真的电路原理图。最后一个部分为波形的显示，用示波器实时显示电路参数波形变化。在对三相桥式整流电路的故障仿真中，分别显示交流侧三相线电压、晶闸管VT1电压、负载电压及电流的波形。

2.2  LabVIEW与MATLAB链接的建立

要实现LabVIEW与Simulink联合仿真，首先需要在LabVIEW与MATLAB软件之间构建链接，通过安装LabVIEW的SIT工具箱即可实现两软件的通信[5，6]。通过该工具箱中的SITout模块，将Simulink模型中需观测的数据传至LabVIEW中显示，同时也可将参数从LabVIEW传入Simulink中，具体方法为：配置LabVIEW SIT Server，即在“工具-选项-VI服务器”中选择TCP/IP协议，并配置端口号为6011。

在LabVIEW中，SIT connection manager选择Simu-link文件，再在mappings中给需要传递的变量建立映射关系，即可自动生成LabVIEW程序框图，完成链接。此时传递的变量只是模型中元件的某一具体属性，而不是全部。

3  仿真结果分析

在完成了上述模型建立、前面板设计和链接实现后，即可设置参数开始仿真。对三相桥式全控整流电路设置的仿真参数如下：控制角α=30°;电路不带直流电动势负载，即Em=0V;电源侧为220V;50Hz三相交流电;其他负载参数为电阻R=10Ω;电感L=10H。电路工作在整流状态下，正常工作下电路输出波形如图2所示。

以“晶闸管VT1触发脉冲丢失”故障为例，对该电路进行故障仿真。在LabVIEW前面板中选择相应工作情况，其余电路参数不变，仿真结果如图3所示。

从图2可知，电路正常工作时输出电压在每个电源周期内由6段相同的波形组成，分别对应电路中晶闸管的6种导通组合，具体对应关系如表1所示。若VT1脉冲丢失，将导致从VT5往VT1换相失败，VT5继续导通，电路输出仍为Uc-Ub=Ucb。到VT2触发脉冲到来时，VT2与VT6换相，此时VT5与VT2共同导通，电路输出电压为两个晶闸管的导通压降，理想情况下为0。直到VT3被触发，VT5与VT3换相，VT3与VT2导通，此阶段及往后阶段波形与正常工作时一致。VT1脉冲缺失时，电路中各晶闸管导通情况与整流输出电压列于表1中。通过对比可得，理论分析与仿真结果一致，证明仿真结果真实有效。

4  结  论

本文论述了基于LabVIEW与Simulink对电力电子电路进行故障仿真的方法与实例。该故障仿真不仅可用于三相整流电路，亦可用于其他电力电子电路的故障仿真。

参考文献：

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版） [M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 宗哲英，张旭，郝永强，等.基于MATLAB GUI的电力电子技术虚拟实验仿真平台的设计与构建 [J].实验科学与技术，2018，16（3）：146-149+182.

[3] 于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真 [M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 趙莉华，张亚超，金阳，等.基于LabVIEW和Matlab虚拟实验室的实现 [J].实验室研究与探索，2014，33（4）：62-64+67.

[5] 高辉，刘金锦，李艳，等.应用SIT和RTW实现LabVIEW与ATLAB/Simulink的混合编程 [C]//2009全国虚拟仪器大会. 2009全国虚拟仪器大会论文集（一）.中国广西桂林：《仪器仪表学报》杂志社（Editorial Office of Chinese Journal of Scientific Instrument），2009：170-173.

[6] 王慧，王毅，付超.Matlab和LabVIEW在电力电子虚拟实验中的应用 [J].电气电子教学学报，2014，36（2）：112-114.

作者简介：罗漪澜（1992-），女，汉族，广东广州人，就职于信息科学学院，硕士研究生，助教，研究方向：智能电网、电气自动化。