張耀鋒

摘? 要：通過單相橋式全控整流電路的具體實例，將Matlab/Simulink仿真技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)院校電力電子技術(shù)的實驗教學(xué)。給出了單相橋式全控整流電路的仿真模型和電感負(fù)載下不同控制角的仿真波形，將控制角的變化對波形的影響清晰的呈現(xiàn)出來，參數(shù)的調(diào)整與設(shè)置非常方便。將仿真實踐教學(xué)與課堂教學(xué)結(jié)合，直觀、有效，使復(fù)雜的電力變化電路分析過程變得相對容易，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了課堂效率。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);虛擬仿真;Matlab /Simulink;整流電路

中圖分類號：G712? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2020）05-038-05

一、引言

電力電子技術(shù)是高等職業(yè)院校電氣自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，橫跨電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)三個領(lǐng)域，理論性、實踐性都比較強(qiáng)。課程內(nèi)容主要包括電力電子器件、電力變換電路和控制技術(shù)等內(nèi)容。主要研究的是如何利用電力變換電路對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、控制和優(yōu)化，包括電壓、電流、頻率等參數(shù)的控制和變換。教學(xué)內(nèi)容中，電能變換和控制是教學(xué)的重點，也是難點。由于理論較多，電路負(fù)載多樣，控制角度不同，波形變化比較大，分析起來也相對困難。高職的學(xué)生在理解電路工作原理和分析波形時比較費力，容易混淆，學(xué)習(xí)的興趣隨著波形的變化慢慢消失殆盡。

實驗是訓(xùn)練學(xué)生技能、提升理論水平不可或缺的手段。實物電路的搭接，是課堂教學(xué)的重要手段，也是電氣工程、自動化等專業(yè)的學(xué)生所應(yīng)具備的必不可少的能力。學(xué)院使用的教學(xué)平臺是天煌教儀的DJDK-1型電力電子技術(shù)實驗裝置，平臺采用的是掛件結(jié)構(gòu)。在教學(xué)過程中有以下問題：1.實驗裝置采購于十年前，隨著時間的推移，平臺設(shè)備逐漸老化，實驗過程中由于操作不當(dāng)或者外部干擾，實驗結(jié)果經(jīng)常不盡如人意。比如在整流或逆變電路中，控制角度不一樣，波形也不一樣，經(jīng)常出現(xiàn)實驗結(jié)果和理論分析不符的情況。2.實驗內(nèi)容與職業(yè)教育不符，內(nèi)容多以驗證性的為主，學(xué)生通過外接掛件，要完成的工作是簡單的接線、觀測和計算。內(nèi)容不具有綜合性、創(chuàng)新性和設(shè)計性，再加上教學(xué)手段單一，教學(xué)方法落后，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性沒有被激發(fā)出來，實驗預(yù)期效果相對較差。3. 用電安全問題。大多數(shù)的電力電子實驗是強(qiáng)電實驗，或者弱電控制強(qiáng)電，實驗過程中，經(jīng)常會有學(xué)生由于操作不當(dāng)，損壞實驗器件和電氣設(shè)備的情況，有安全隱患?；谝陨显?，近年來，由于計算機(jī)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，虛擬仿真系統(tǒng)成為學(xué)院電力電子教學(xué)的重要平臺。

二、Matlab軟件在電力電子技術(shù)仿真教學(xué)中的應(yīng)用

由于電力電子器件所固有的非線性等特點，我們在對電力電子電路進(jìn)行分析的過程中，常常遇到許多困難。Matlab、Pspise、Saber、Multisim等仿真軟件為電力電子電路的分析提供了有效、方便的手段，簡化了電力電子電路的設(shè)計和分析過程。這些軟件提供了完善的元器件模型，并將各功能子程序模塊化，學(xué)生只需簡單的操作就可以建立和設(shè)計電路模型，易于操作。在教學(xué)過程中，常利用Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower Systems對電力電子教學(xué)進(jìn)行仿真實驗，其具有建模簡單，能動態(tài)顯示仿真波形，結(jié)果易于觀測等特點。利用Simulink工具箱可完成電力電子技術(shù)教學(xué)中的絕大部分的仿真實驗，包括：單相相控整流電路、三相相控整流電路、逆變電路、直流斬波電路、交流調(diào)壓電路等典型電路，學(xué)生還可根據(jù)課程需要設(shè)計簡單的電路并進(jìn)行建模仿真。將仿真軟件引入實驗教學(xué)中，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力，讓學(xué)生自己去設(shè)計和開發(fā)電路，并對電路進(jìn)行建模、仿真、觀測，極大地促進(jìn)了學(xué)生主觀能動性、創(chuàng)新思維和動手能力的提高。

三、典型應(yīng)用電路的仿真

電力變換電路的電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在分析電路時其負(fù)載一般有電阻性負(fù)載、電阻-電感性負(fù)載和電阻-電感性負(fù)載接續(xù)流二極管三種形式。負(fù)載不同，流過負(fù)載的電壓和電流也不同。在電阻性負(fù)載的分析中，由于電阻是線性元器件，流過電阻的電壓和電流相位相同，分析相對簡單;電阻-電感性負(fù)載中，由于電感器件的非線性，流過負(fù)載的電壓和電流相位不同，通常情況下電壓超前電流，并且控制角不同，輸出電壓、電流波形變化非常大，學(xué)生在分析時容易混淆。應(yīng)用Matlab仿真軟件，學(xué)生可自己動手設(shè)計應(yīng)用電路，在同一虛擬示波器中觀察不同負(fù)載，不同控制角下的輸入輸出波形，參數(shù)設(shè)置簡單、仿真結(jié)果直觀、方便對比。

下面以典型的單相橋式全控整流電路為例，介紹Matlab仿真軟件在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用，重點介紹電阻-電感性負(fù)載時的仿真建模。

（一）單相橋式全控整流電路的電路結(jié)構(gòu)及工作原理

單相橋式全控整流電路具有輸出電壓脈動小、功率因數(shù)高、整流變壓器沒有直流磁化等優(yōu)點，在單相整流電路中應(yīng)用廣泛。

圖1是單相橋式全控整流電路在不同負(fù)載下的原理圖。圖中四個晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4構(gòu)成整流橋，u2是變壓器二次側(cè)電壓，iVT1和iVT2分別為流過晶閘管VT1和VT2的電流，ud為負(fù)載電壓，id為負(fù)載電流。圖1中，電路的負(fù)載從左至右分別為，電阻-電感性負(fù)載、電阻性負(fù)載、電阻-電感性負(fù)載加續(xù)流二極管。

在單相橋式全控整流電路中，閘管VT1、VT2為共陰極接法，晶閘管VT3、VT4為共陽極接法。控制時要求橋臂上的晶閘管同時成對導(dǎo)通，其中VT1、VT4是一對，VT2、VT3是一對，VT1、VT4和VT2、VT3構(gòu)成兩個整流路徑。在給觸發(fā)脈沖時，要保證兩組門極觸發(fā)信號的相位保持180°的相位差。調(diào)節(jié)控制角，可以使電路輸出不同的波形，輸出電壓電流的平均值、有效值、功率因數(shù)等參數(shù)也會跟著變化。

（二）單相橋式全控整流電路的仿真

1.仿真模型的建立

根據(jù)圖1所示，用MATLAB建立的仿真模型如下：

如圖2所示，其中VT1、VT2、VT3、VT4為四個晶閘管模型，ug1、ug2、ug3、ug4為四路脈沖信號模型，用來產(chǎn)生控制信號;電源電壓為正弦交流電，幅值220V，頻率50Hz;iVT1、iVT2、uVT1、uVT2分別是加在晶閘管VT1、VT2電壓和流過的電流;id、ud用來觀測負(fù)載的電流和電壓;Scope為示波器，用來觀測各路電壓、電流和脈沖信號。

2.模塊參數(shù)的設(shè)置

（1）模塊參數(shù)的設(shè)置：交流電壓源的峰值設(shè)置為：“220*sqrt（2）V”，頻率設(shè)置為“50Hz”，電阻和電感的設(shè)置分別為：“1Ω”和“0.01H”。脈沖信號的峰值電壓設(shè)置為“3V”，周期設(shè)置為“0.02s”，脈沖寬度設(shè)置為“10%”。相位延遲用于設(shè)置觸發(fā)角，計算公式為t=T*（α/360）。在設(shè)置觸發(fā)角時，VT1、VT4是一對，二者必須相同，VT2、VT3是一對，二者必須相同，且這兩對觸發(fā)角必須相差180°。以觸發(fā)角是30°時為例，VT1、VT4觸發(fā)脈沖的相位延遲設(shè)置為0.02*（30°/360°），VT2、VT3觸發(fā)脈沖的相位延遲設(shè)置為0.02*（30°/360°）+0.01。其它模塊參設(shè)為默認(rèn)設(shè)置即可。示波器的端口數(shù)根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。（2）仿真參數(shù)的設(shè)置：將開始時間設(shè)置為“0”，終止時間設(shè)置為“0.1”，算法設(shè)置為“ode23tb”。

3.仿真波形

為了方便對比，分別給出了觸發(fā)角為30°和60°時的仿真波形。

圖3和圖4每個圖的輸入輸出信號都是9路，信號由上至下分別為：輸入正弦波u2;加在晶閘管VT1、VT2上的觸發(fā)脈沖信號ug1、ug2;流過晶閘管VT1、VT2的電壓uVT1、uVT2和電流 iVT1、iVT2;以及加在電阻-電感性負(fù)載的電壓ud和流過其的電流id。9路信號基本涵蓋了電路中所有元素的電壓或電流波形，在同一虛擬示波器中顯示，非常清晰明了，也方便觀察對比，利于學(xué)生分析理解，學(xué)生對理論知識的理解更透測了，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、使用效果

經(jīng)過幾個學(xué)期的對比，將Matlab /Simulink仿真技術(shù)應(yīng)用在電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中，呈現(xiàn)出了比較好的教學(xué)結(jié)果，主要有：

第一，現(xiàn)實中，實驗用的顯示器一般為雙蹤示波器，最多可同時觀測兩路信號，并且由于操作不當(dāng)或者設(shè)備老化，經(jīng)常出現(xiàn)實際波形和理論不符的現(xiàn)象，達(dá)不到虛擬仿真呈現(xiàn)的效果。將Matlab應(yīng)用于職業(yè)院校的電力電子技術(shù)實驗教學(xué)，通過一個虛擬示波器可同時觀測多路需要觀察的信號波形，方便對比，加深了學(xué)生對理論知識的理解。

第二，在控制角一定的情況下，通過電路的仿真，可將電路中電源、晶閘管、負(fù)載中的電壓和電流波形很清晰的在同一示波器中顯示出來，方便觀察、對比，結(jié)果清晰、明了。

第三，在仿真過程中，電路參數(shù)可“任意設(shè)置”，可以任意設(shè)置控制角的大小，任意設(shè)置負(fù)載和其他參數(shù)，非常方便。設(shè)置完參數(shù)后可立即觀測波形。在之前的實踐教學(xué)中，電路連接完成，設(shè)置負(fù)載參數(shù)后，需要計算、推導(dǎo)才能得出正確的波形，現(xiàn)在職業(yè)院校的學(xué)生對計算推導(dǎo)很不感興趣，教學(xué)效果差，仿真教學(xué)增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。

第四，之前的實驗內(nèi)容以驗證性為主，掛件已經(jīng)是定好了的，實驗內(nèi)容基本不能更改，或者可以改動的內(nèi)容很少，內(nèi)容不具有綜合性、創(chuàng)新性和設(shè)計性。將Matlab/Simulink仿真技術(shù)引入電力電子教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)興趣，自己設(shè)計電路并進(jìn)行仿真，結(jié)果也易于觀測，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

五、結(jié)語

本文以單相橋式全控整流電路為例，將Matlab/Simulink仿真技術(shù)應(yīng)用于電力電子技術(shù)的實驗教學(xué)。給出了單相橋式全控整流電路的仿真模型和電阻-電感性負(fù)載在不同控制角下的仿真波形，將控制角的變化對波形的影響在虛擬示波器中很清晰的呈現(xiàn)出來，參數(shù)的調(diào)整非常方便。將仿真實踐教學(xué)與課堂教學(xué)結(jié)合，這種方法直觀、有效、快捷，使復(fù)雜的電力變化電路分析過程變得相對容易，可使學(xué)生比較容易掌握電路的工作原理并進(jìn)行簡單的應(yīng)用電路設(shè)計。在高職院校的電力電子技術(shù)實踐教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，增強(qiáng)了教學(xué)的直觀性、可視性、便捷性和靈活性，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到而激發(fā)和提高，提升了課堂效率，教學(xué)效果相對之前，比較令人滿意。

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