基于MATLAB的电力电子电路仿真实验平台

刘恒娟

（上海市城市科技学校建筑工程系，上海201601）

0 引 言

电力电子技术是电气工程及相关电类专业的一门专业基础课程，既有繁多复杂的理论推导分析，又有极强的工程实践性［1-2］。目前各学校广泛采取课堂讲授理论与实验室操作实践相结合的教学模式［3］。但是由于在电力电子电路实验教学中，存在设备投资和维护费用高、在高压下操作存在安全风险等局限，难以达到实验教学的预期效果，因此迫切需要进行教学改革［4］。

近年来，随着计算机科学技术的发展进步，虚拟仿真平台已成为电力电子电路实验教学的热点，且得到了各学校的高度重视和积极研制［5］。

为了节省实验设备的投资和维护费用，提高操作的安全性，笔者利用Matlab 强大的电路仿真工具Simulink、便捷的用户图形界面（Graphical User Interface，GUI）技术和M 语言构建了一套电力电子电路虚拟仿真平台［6］。此平台能够能实现人机交互，使得学生在不懂Matlab基础知识的情况下，仅进行简单界面操作就能开展仿真实验，进而与课堂理论授课互补［7-8］。文中以单相全控桥式整流阻性负载电路为教学案例，阐述基于Matlab的电力电子电路虚拟仿真实验平台的建立过程和实现方法。

1 GUI设计

基于Matlab 的电力电子电路仿真实验平台，采用Matlab的用户图形界面GUI 技术进行界面设计，可以开设整流电路、逆变电路、直流斩波电路和交流变换电路共4 个模块及26 个仿真实验项目［9］。可开设的仿真实验项目如图1 所示。

图1 可开设的仿真实验项目

每个仿真实验项目对应一个界面，一共有26 个界面。每个界面可以分为5 个功能区，即菜单区、电路原理图区、参数设定区、按钮功能区和仿真波形区。图形界面简洁明了，操作简单，能充分调动学生的学习热情。

菜单区用于让学生选择要进行的仿真实验项目，从而进入相应的界面，如图2 所示。

图2 界面菜单区

电路原理图区用于显示要仿真的实验项目原理图，让学生了解电路的结构，分析电路的工作原理。

参数设定区用来设定仿真电路的相关参数，如输入电压值、频率、触发脉冲移相角、负载阻抗和占空比等等。

按钮功能区实现仿真和显示Simulink 模型的功能。

仿真波形区显示Simulink 模型运行后的仿真结果，流过负载的电流波形、晶闸管端电压波形和负载端电压波形等。仿真后波形随着设定参数的变化而变化，界面如图3 所示。

2 Simulink建模

单相全控桥式阻性负载整流电路是电力电子技术中应用最广泛的电路之一，由单相交流电源、电阻、四个晶闸管和触发电路组成。该电路的仿真过程可以分为搭建仿真模型、设定仿真参数的、输出仿真结果和仿真结果分析［10］。

2.1 搭建仿真模型

在Simulink 环境下，依据电路原理图，选择SimPowerSystems模块库中的的相应元件模块并移动、连接，即可完成仿真实验电路的搭建，如图4 所示。

四个晶闸管并联RC保护电路组成的全控桥结构复杂，因此可以选择Subsystem，将其封装为一个子系统，如图5 所示。

2.2 设定仿真参数

通过设定电路参数进行仿真，观测电路参数变化对电路波形的影响。根据需求和实际输出情况对仿真参数进行反复更改和修正，以达到最佳的观察与分析效果（见表1）。

图3 单相全控桥式整流阻性负载电路的仿真界面

图4 单相全控桥式整流阻性负载电路的仿真模型

图5 全控桥仿真模型

表1 仿真参数设定

2.3 输出仿真结果

设定仿真参数后，运行仿真，可以得到负载端电压ud的仿真波形、晶闸管端电压uak的仿真波形和流过负载的电流id的仿真波形。改变仿真参数可以改变仿真波形［11］。

在Simulink 中构建的模型，通过实现GUI 与Simulink之间的参数调用，可以使仿真结果在GUI 上显示，如图3 所示；也可直接用Simulink 中的示波器Scope模块进行观察，如图6 所示。

2.4 仿真结果分析

在输入电压的U2一个周期2π内，触发脉冲移相角α的移相范围是0 ～π，则：

晶闸管所承受的最大正向电压

式（1）～（4）分别与图6 中的仿真波形相吻合。从图4 可以看出，仿真所得负载端电压平均值Ud＝38． 3 V，流过负载的电流平均值Id＝3． 83 A。式（5）和式（6）的计算结果分别为Ud＝38． 4 V和Id＝3． 84 A。因此，仿真波形和仿真数据跟理论分析计算结果基本一致。

3 M文件编制

通过对菜单选项和各个控件编写回调函数来实现各项功能［12］。GUI 调用Simulink 模型数据的困难在于参数的传递。可以将Simulink模型中的元件相关参数如晶闸管的移相角、输入电压值、频率、阻抗等利用M脚本语言设置成全局变量，然后在GUI 中设置后再利用set_param 等函数传递给Simulink。主要实现代码如下：

global x；

%设置全局变量

I ＝imread（＇pic／ dxqkqzldz． bmp＇）；

%读取名为dxqkqzldz． bmp的电路原理图

imshow（I）；

%显示名为dxqkqzldz． bmp的电路原理图

load_system（＇dxqkqzldz＇）；

%加载Simulink模型［13］

set_param（＇dxqkqzldz／ Series RLC Branch2＇，＇a＇，a1）；

%设定电阻值

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇PhaseDelay＇，g1）；

%设定触发脉冲1的相位

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇Period＇，k1）；

%设定触发脉冲1的周期

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇PhaseDelay＇，q1）；

%设定触发脉冲2的相位

set_param（＇dxqkqzldz／ Pulse1＇，＇Period＇，k1）；

%设定脉冲触发脉冲2的周期

set_param（＇dxqkqzldz／ AC Voltage Source＇，＇F＇，h1）；

%设定单相交流电源的频率

set_param（＇dxqkqzldz／ AC Voltage Source＇，＇A＇，e1）；

%设定单相交流电源电压的幅值

set_param（＇dxqkqzldz＇，＇StopTime＇，l1）；

%设定仿真结束时间

save_system（＇dxqkqzldz＇）；

%保存模型

sim（＇dxqkqzldz＇）；

%启动仿真［14］

axes（handles． axes1）；

%将axes1做为当前坐标轴

plot （simout1． time， simout1． signals． values，’ r ’，’LineWidth’，2． 5）；

%绘制二维图像

4 打包发布

将本虚拟仿真实验平台打包为一个名为“电力电子电路仿真实验平台． exe”的可执行文件。双击此文件名后根据提示一步步操作即可安装成功并使用。安装程序如图7 所示。

图7 安装程序

5 结 语

通过单相全控桥式整流阻性负载电路教学案例，应用Matlab 的GUI 技术、Simulink 仿真工具和M 语言，阐述了一套低成本、高可靠性的电力电子电路仿真实验平台。相比于目前传统实验教学方法，该平台赋予了电力电子电路实验显著的便利，能够节省实验设备的投资和维护费用，提高操作的安全性，还能够让学生直观准确地分析电路、观测波形。在需要的情况下还可以通过仿真来验证理论推导结果，以促进概念的理解，增加授课的灵活性，提高教学效果［15-16］。