吴剑威， 唐立新

（合肥师范学院 物理与电子工程系，安徽 合肥 230061）

MATLAB／Simulink在《电力电子技术》教学研究中的应用

吴剑威， 唐立新

（合肥师范学院 物理与电子工程系，安徽 合肥 230061）

使用MATLAB／Simulink软件能方便地处理电力电子技术中的问题，能方便地建立电力电子电路的动态仿真模型并节省大量的绘图时间。在教学中使用MATLAB／Simulink软件可以提高课堂效率，是一种有效的教学辅助手段。

MATLAB；Simulink；电力电子技术；单相桥氏全控整流电路；仿真

1 引言

MATLAB是当前国际上公认的准确、可靠的科学计算标准软件，它将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供大量的内置函数，被广泛应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析仿真和设计工作。具有功能强大、语言简单、扩充能力强和编程容易等特点［1］。

Simulink是MATLAB的重要组成部分，是对于信号流图的动态系统进行仿真、建模和分析的软件包，既支持连续、线性系统仿真，也支持离散、非线性系统仿真。Simulink作为面向电路和系统框图的平台，以调用模块代替程序编写，以模块连成的框图表示电路和系统，点击模块即可以输入模块参数；系统仿真模型建立后，设置好仿真参数，即可启动仿真；系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察［2］。

2 Simulink的建模与仿真步骤

先从MATLAB窗口进入Simulink环境，再从Simulink的模块库里找到所需的模块，并把它们拖拉到模型窗口中，将这些模块排列好，然后用直线把各个模块连接起来。具体的操作步骤如下：

（1）启动Simulink模块库浏览窗口。

（2）新建一个空白模型，即点击库浏览器工具栏上的空白按钮。在Simulink里，模型是保存在模型文件里的，新建一个空白模型，也就是新建了一个空白的模型文件，模型文件的后缀名为．mdl。也可以在模型窗口新建一个空白模型，其操作是使用File菜单下的new a model命令。

（3）根据要仿真的电路与系统，在模块库浏览窗口中找到所需的模块，在Simulink窗口的仿真平台上提取典型环节模块并一一连接，形成仿真的系统框图并保存模型。

（4）设置模块参数，选择仿真的步长、时间和仿真的算法。

（5）启动仿真，用Simulink中最常用的观测仪器示波器（Scope）观测仿真结果［3］。

3 仿真示例

3．1 模型建立与仿真

文中利用Simulink中的电力系统工具箱（Sim-PowerSystems）对单相桥氏全控整流电路进行仿真分析，其仿真模型如图1所示［4］。

图1中，用一个交流电压源产生正弦波电压u，从Simulink子库SimPowerSystems的Electrical-Sources模块里调用AC Voltage Source，本模型中将其电压幅值设定为220V，频率设定为0．1 Hz，初相位设置为0°，即u＝220sin（0．2πt），将其正极与晶闸管VT1的阳极相连，负极与晶闸管VT3的阴极相连。晶闸管VT1、VT2的阴极以及晶闸管VT3、VT4阳极分别通过连接线连接在一起，再接入负载R两端。每只晶闸管送入触发脉冲信号，需要在其门极信号的端口K处接入一个脉冲发生器，以此来控制晶闸管的通断。最后，将晶闸管、脉冲发生器、交流电压源、负载R以及测量元件和示波器连接成一个整体仿真模型。设置每个元件的仿真参数。最为关键的是控制角α的调节是通过脉冲发生器的相位延迟来实现的，由于其单位是秒，而控制角的大小是通过度来衡量的，所以要进行单位转化，即把角度转化为秒。

图2 电压源U端电压波形

图3 晶闸管VT1，VT3触发脉冲波形

图1 单相桥氏全控整流电路Simulink仿真模型

图4 晶闸管VT2，VT4触发脉冲波形

本例中VT1、VT3控制角α为72°。VT2、VT4控制角α为252°。由于没有直接可用的电阻元件，所以采用串联的RLC组合来等效电阻，即将其电感参数设为0，电容值设为inf（无穷大）。其他元件都可以保留默认值，至此元件的参数基本上设置完毕。设置仿真所需的算法按提示将solver options的第二个选项改为ode23tb，为了能够看清波形并缩短仿真时间，设定的时间是0．01s，最后点击模型编辑器上的黑色三角形按钮，开始仿真。仿真顺利完成后，便可以观察到各输出量的波形（如图2－图7所示）。从波形中可以看出仿真结果与文献［4］中的结果一致。

图5 晶闸管VT1，VT3端电压波形

图6 晶闸管VT2，VT4端电压波形

图7 负载电阻R端电压波形

3．2 参数计算

利用MATLAB编程可以方便地计算出负载电阻R两端输出电压平均值和输出电压有效值，输出电压平均值为57．6（V）， 输 出 电 压 有 效 值 为 Ud ＝

4 结论

利用MATLAB／Simulink强大的功能及提供的电力电子工具箱［5］，可以方便地进行电力电子电路的建模与仿真，具有直观、灵活的特点。充分发挥了MATLAB的强大运算功能、绘图及直观模型的优势，使得仿真运算更加方便、快捷。通过单相桥氏全控整流电路的仿真实验结果，证实了动态仿真模型的正确性，而且在仿真时可以改变参数，并用示波器观察仿真波形，使得仿真具有实时性、直观性。在课堂教学中引入 MATLAB／Simulink软件作为教学辅助手段，既能节省时间又能使分析过程可视化，还能激发学生的学习兴趣和积极性。作为通信工程、自动控制等专业的学生，掌握此软件是必要的。

［1］ 夏玮，李朝晖，常春藤．MATLAB控制系统仿真与实例详解［M］．北京：人民邮电出版社，2008：11-14．

［2］ 洪乃刚．电力电子技术基础［M］．北京：清华大学出版社，2008：17-21．

［3］ 苏文静，朱琥．SIMULINK在单相桥氏半控整流电路中的仿真研究［J］．宁波职业技术学院学报：2007，11（2）：5-6．

［4］ 王兆安，刘进军．电力电子技术［M］．第五版．北京：机械工业出版社，2009：47-49．

［5］ 袁新娣．MATLAB在自动控制原理教学中的应用［J］．赣南师范学院学报：2005，6（6）：95-97．

About MATLAB／Simulink’s Application in“Power Electronic Technology”

WU Jian-wei， TANG Li-xin（Department of Physics and Electronic Engineering，Hefei Normal University，Hefei 230061，China）

By using simulation software MATLAB／Simulink，we can know how convenient it is to deal with Power Electronic Technology questions and to establish the dynamic simulation models of Power E-lectronic circuits．Furthermore，it can cut down a great of time．By this way，we can improve the effect of teaching．Therefore，it’s an effective auxiliary teaching method．

MATLAB；Simulink；Power Electronic Technology；Single-Phase Full-bridge Controlled Rectifier；Simulation

TP391

A

1674-2273（2011）06-0038-03

2011－08－10

安徽省教育厅自然科学研究项目（KJ2011Z310）；合肥师范学院院级科研项目（2011kj06）

吴剑威（1974－），男，安徽安庆人，合肥师范学院物理与电子工程系教师，硕士，研究方向为控制理论与控制工程。