ＩＳＳＮ １ ００９—８９７６ ＣＮ ２２—１ ３２２／Ｃ 长春工程学院学报（社会科学版）２０１３年第１４卷第２期 Ｊ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．（Ｓｏｃ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉ．），２０１３，Ｖｏ１．１４，Ｎｏ．２ ３８／４７ １２３—１２６ ＭＡＴＬＡＢ仿真在“电力电子技术＂课程教学中的应用 刘淑荣 ，庞伟 ，张红 ， （１．长春工程学院电气与信息学院，长春１３００１２；２．配电自动化吉林省高校工程研究中心，长春１３００００） 摘要：电力电子技术课程是电气工程及自动化专业的重要专业基础课程，具有理论性、实践性很强且波形多、分 析复杂、计算量大等特点。本文应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ强大的仿真功能，以三相全控桥式整流电路为例，介绍了如何 利用ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ电力电子系统仿真工具箱对电力电子电路进行建模仿真。可以看出，该仿真工具具有很强的 交互性，非常适合于电力电子技术的教学，而且对电力电子技术的继续研究也具有很好的实用价值。 关键词：电力电子技术；ＭＡＴＬＡＢ仿真；三相桥式全控整流电路 中图分类号：Ｇ６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—８９７６（２０１３）０２－０１２３－０４ １Ｊ １；一、引言 电力电子技术课程近年来成为多数高校电气工 收稿日期：２０１３—０３—３０ 作者简介：刘淑荣（１９７Ｏ一），女（汉），吉林长春，副教授 主要研究智能控制。 程及自动化专业的重要专业基础课程，同时，电力电 子技术自身的特点又决定了它是一门实用性、工程 性和综合性很强的课程。“电力电子技术”课程的 特点是内容多，课时少，在教学中常需借助大量的波 形来分析各种能量转换过程，虽然教师课前将有关 波形制成幻灯片，但学生看到的仍然是静止不变的 波形，对电路的动态响应过程仍不是很了解，因而对 现代复合型人才。将实验课程建设成特色课程，必须 加大改革力度，开阔思路，开发各种方法手段进行实验 改革尝试。设计性实验的开展，为学生提供了一个自 主探索研究实验课题的实验平台，丰富了学生的知识， 对于学生综合素质的提高，创新意识和实践能力的培 养极为重要，学生积极参与配合的激情得到释放，从被 动操作者转化为主动投入者，从“被安排实验”到“我盼 望实验”的角色转变，必然带来教学效果质的飞跃。与 国际教育理念接轨，体现素质教育，发挥团队精神不懈 努力去探索，实验教学改革任重而道远。 参考文献 ［１］黄瑞．《电路实验》的教学改革与实践［Ｊ］．中国现代教 育装备，２００７（１１）：７９—８Ｏ． 张小林，周美华，李茂康．综合性、设计性实验教学改 革探索与实践［Ｊ］．实验技术与管理，２００７（７）：９４ —９６． 盛桂珍，蔡长青，等．Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｎｅｗ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＣＣＳＥ， ２０１１：３７１１． 陈攀峰，刘骁．仿真软件在电路实验教学中的应用 ［Ｊ］．中国电力教育，２００６（１２）：３５１—３５３． 陈志强．高校“电路”实验教学改革的探讨［Ｊ］．中国现 代教育装备，２００６（６）：２４—２５． 国务院办公厅．家庭消防安全知识（２００６）［ＯＬ］．ｈｔ． ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｏｖ．ｃａ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｏｒｋ ＳＨＥＮＧ Ｇｕｉ—ｚｈｅｎ，ｅｔ ａ１． （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｕｒｓｅ ａｎｄ ｍａｉｎ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｎｄ ｏｔａｈｅｒ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ．Ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｅｘａｃｔ ｔｈｅｏｒｙ，ｓｔｒｉｃｔ ｌｏｇｉｃ ａｎｄ ｂｒｏａｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ ｂａｃｋｇｒｎｏｕｎｄ． Ｍｏｓｔ ｃｏｌｌｅｇｅｓ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｖｅ ｐａｉｄ ｅｎｏｕｇｈ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｈｅ ｔｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｔａｋｅｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｍｅａｓ－ ｕｒｅｓ，ｂｕｔ ｐｌｅｎｔｙ ｏｆ ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｃａｎｎｏｔ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ ｓｔｕｄｅｎ￣’ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅ— ｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｅｏｒｙ ｓｈｏｕｌｄ ａｄｈｅｒｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｅｒ—ｌｅｄ，ｒｅｄｉｒｅｃｔ ｆｒｏｍ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｆａｎ ｆｒｏｍ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ａｕｒａ ａｎｄ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｇｅ＇ｓ“ｆｏｓｔｅｒｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｈｅａｔｉｏｎ ａｂｉｉｌｔｉｅｓ”ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｆｒｏｍ ｐｏｉｎｔ ｔｏ ａｒｅａ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｂｉｌｉｙ；ｔｐｒｏｊｅｃｔ ｃａｓｅｓ ｌ２４ 长春工程学院学报（社会科学版） 所学内容仍然感到非常抽象¨ Ｊ。 在工程实践中，随着电力电子器件的发展，电力 电子技术始终又呈现高速发展的态势，不断有新器 件、新电路拓扑结构与新控制方法出现，因此，在新 形势下，如何利用有限学时以获得最佳教学效果，增 强学生学习兴趣，培养学生工程实践能力和创新能 力，是值得我们深思的一个问题。 本文以三相桥式全控整流电路的仿真为例，将 ＭＡＴＬＡＢ仿真软件应用于“电力电子技术”的教学 过程中，有针对性地开展Ｍａｔｌａｂ仿真实践，变抽象 为具体，变枯燥为生动，以激发学生的学习兴趣，提 高教学质量。 二、ＳｉｍＰ０ｗｅｒＳｙｓｔｅｍ电力电子系统仿真 工具箱简介 Ｊ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是ＭＡＴＬＡＢ软件中的一种内嵌可视化 仿真工具，具有基于ＭＡＴＬＡＢ的框图设计环境，可 以对动态系统建模、仿真和综合分析，在该环境中， 无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标 操作，就可构造出复杂的系统。 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下提供的“ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ”，是进 行电力电子系统仿真的理想工具，该工具箱借助专 业的ＭＡＴＬＡＢ仿真软件将适用于电力电子系统中 各种功能的子程序模块化并提供了完善的器件模 型，具有丰富的器件模型库和齐全的分析功能，用户 只需简单的操作便可完成给定系统的仿真模型，成 。。．●．． ●，●为广大学生和工程技术人员在学习、研究和开发电 ＋ 力电子系统过程中的必备工具。 ＳｉｍＰ０ｗｅｒＳｙｓｔｅｍ工具箱由电力电源（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｓｏｕｒｃｅｓ）、电力电子设备（Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、电机设 备（Ｍａｃｈｉｎｅｓ）、接线设备（Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓ）、测量设备 （Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）和电气系统扩展库等七大部分组 成，每一部分又包括了许多相应的电力设备模型。 该工具箱中的器件模型更加关注器件的外特性，易 于与控制系统连接，并简化编程工作，以直观易用的 图形方式对电气系统进行模型描述。 三、仿真实例 ｊ 整流电路是电力电子系统中出现最早的一种， 广泛应用在直流电动机、电镀、白控系统、通信系统 等领域。目前各种整流电路中，应用最为广泛的是 三相桥式全控整流电路，本文以三相桥式全控整流 电路为例来说明Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ工 具箱的应用。三相桥式全控整流电路原理图如图１ 所示。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（Ｖ 、ＶＴ４、ＶＴ６）称为共阳极组。按图１所示 的顺序编号，晶闸管的导通顺序为ＶＴ１一ＶｒＩ２一ＶｒＩ１３ 一ＶＴ４一ＶＴ５一ＶＴ６。负载可以是设置为纯阻性负 载，也可以设置为感性负载。 ＶＴｌ ＶＴ３ ＶＴ５ ［一 Ａ— ＢＩ Ｌ／？ 二＝＝■ 、＿ ａ — Ｉ】 ｃｏ １１ ｌＩ ［一 ＶＴ４ ＶＴ６ ＶＴ２ 图１ 三相桥式全控整流电路原理图 在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境中，打开ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ及相 关工具箱，将三相桥式全控整流电路所需要的全部 模块拖放到模型窗口进行电路连线建立仿真模型。 模型建立的过程可以用分立模块建立仿真模型，也 可以用集成模块建立，本文分别给出两种情况下的 三相桥式全控整流电路的仿真模型并进行模块参数 设置及系统模型仿真参数设置，启动系统运行以得 到不同触发角时所对应的相关输出波形。 １．分立模块建立的仿真模型 建模过程： 启动ＭＡＴＬＡＢ，进入ＳＩＭＵＬＩＮＫ后新建一个仿 真模型的新文件。然后对照电路系统模型，依次往 文档中添加相应的模块并连接。三相桥式全控整流 电路仿真器件模块见表１。 表１ 三相桥式全控整流电路仿真器件清单 序号 元器件名称 提取元器件位置 利用分立模块建立的三相桥式全控整流电路仿 真模型见图２。 刘淑荣，等：ＭＡＴＬＡＢ仿真在“电力电子技术”课程教学中的应用 １２５ 图２分立模块建立的仿真模型 器件参数设置： 负载参数设置：ＲＬＣ为纯阻性负载时，Ｒ＝ 三相电源参数设置：２２０ Ｖ；５０ Ｈｚ；相位差依次 ５０ Ｑ，Ｈ＝０ Ｈ，Ｃ＝ｉｎｆ（无穷大）；ＲＬＣ为感性负载 为０。，一１２０。，一２４０。。 时，Ｒ＝５０ Ｑ，Ｈ＝１ Ｈ，Ｃ＝ｉｎｆ。 脉冲触发器设置：振幅１０；周期０．０２秒；脉冲 电路仿真参数设置：仿真开始时间０ ｓ，结束时 宽度５Ｏ；第ｎ个晶闸管触发脉冲的相位延迟为： 间０．１ ｓ；仿真算法为变步长ｏｄｅ２３ｔｂ算法，其他参数 ｐ ： “ ３６０ ×ｆ ，ｎ：１～６；’一 ’ 是相一 。 为默认值。 位延迟对应的触发角。 ２．集成模块建立的仿真模型 晶闸管参数设置：采用默认参数。 器件参数设置： 图３集成模块建立的仿真模型 三相电源参数设置：２２０ Ｖ；５０ Ｈｚ；相位差依次 连续与断续的一个界点。感性负载时，三相桥式全 为０。，一１２０。，一２４０。。 控整流电路 角的移相范围为０。～９０。。 脉冲触发器设置：只需要设置触发角即可。在 （２）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按 常数模块填人相应的数值即对应相应的 值。 ＶＴ１到ＶＴ６的顺序触发，一个周期分为６个阶段， 晶闸管参数设置：采用默认参数。 每隔６０。进行换相，每个晶闸管在一个周期内连续 负载参数设置：ＲＬＣ为纯阻性负载时，Ｒ＝ 导通１２０。。由以上波形可见，本文对三相全控桥整 ５０ Ｑ，Ｈ＝０ Ｈ，Ｃ＝ｉｎｆ（无穷大）；ＲＬＣ为感性负载 流电路中晶闸管的触发采用的是双窄脉冲触发，两 时，Ｒ＝２０ Ｑ，Ｈ＝１ Ｈ，Ｃ＝ｉｎｆ。 个窄脉冲的前沿相差６０。，也可以采用触发脉冲宽 电路仿真参数设置同上。 度大于６Ｏ。的宽脉冲触发方式。 三相桥式全控整流电路仿真结果如图４所示。 （３）整流输出电压Ｕｄ一个周期脉动六次。在 仿真结果分析： 感性负载下 ＝６０。时输出电压平均值的理论值为： （１）当Ｏｔ≤６Ｏ。时，电阻性负载和感性负载的输 Ｕｄ＝２．３４Ｕ２ＣＯＳａ＝２．３４ （２２０／１．４１４）：｝：ＣＯＳ 出电压波形是连续的；Ｏｔ＞６０。时，电阻性负载的输 （６０）＝１８２．０４ Ｖ 出电压波形是断续的，而感性负载的输出电压波形 接近于图中给出的输出电压平均值的实际测量 是连续的，即Ｏｔ＝６０。是电阻性负载的输出电压波形 值１８２．７ Ｖ。