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摘要：介绍了计算机仿真技术在“电力电子技术”实验课程中的应用，通过运用MATLAB的电力系统工具箱和Proteus来设计电力电子实验，并给出了三相桥式全控整流电路及其控制电路的仿真实例。其可以加深学生对课程内容的理解，弥补模拟实验装置的局限性。
关键词：电力电子技术；MATLAB；Proteus
作者简介：刘玉娟（1979-），女，河南鄢陵人，南京信息工程大学信控学院，讲师；贺磊（1988-），男，江苏高淳人，南京信息工程大学信控学院硕士研究生。（江苏 南京 210044）
基金项目：本文系南京信息工程大学科研基金资助项目（项目编号：10JY030）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）30-0157-02
“电力电子技术”既是一门技术基础课，也是实用性很强的一门课程，因此实验是必不可少的一个教学环节。学生通过动手操作，可加深对理论知识的理解和加强感性认识。[1]结合该课程内容所开設的实验有单相桥式整流电路，三相桥式整流电路，直流斩波电路等。实验过程中可在示波器上观察到各种不同线路不同负载下的电压的波形。但由于模拟实验装置的局限性和受实验室所用普通示波器观察波形时的限制，得到电压的波形不是很清晰和准确。[2]为了弥补模拟实验的不足，本文利用MATLAB/Simulink和Protues软件对三相桥式整流电路主电路及其控制电路进行了仿真，取得了较好的效果。
一、基于MATLAB/Simulink的三相桥式整流电路主电路的仿真
1.Simulink的工作环境简介
Simulink 是MATLAB的一个附加组件，为用户提供了一个建模和仿真的工作平台。Simulink环境中，系统的各元件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流向的方向。
2.仿真实验线路和结果
在Simulink环境下，运用Power System Blockset的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，[3]仿真结构如图1所示。
根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真，负载为电阻特性。负载的参数设置如下：R=45Ω，L=0H，C=inf，仿真结果如图2所示。
根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真，负载为电感特性。负载的参数设置如下：R=45，L=1H，C=inf，仿真结果如图3所示。
仿真结果表明，当负载为电阻性负载时，a≤60°，负载电流是连续的；a≥60°，负载电流为断续。当负载为阻感性负载时，a≤60°，输出电压波形连续，电路的工作情况与电阻负载时十分相似，各晶闸通断情况、输出整流电压等都一样；a>60°，由于电感L的作用，负载电压会出现负的部分，如图3（d）所示。若电感L值足够大，负载电压中的正负面积将基本相等，负载电压平均值近似为零。[4]这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90°。
二、基于Proteus的三相桥式整流控制电路的仿真
对于模拟电路控制总存在精度不高、对称度不好的、易受温度漂移影响等问题，本文采用一种Proteus软件设计三相整流控制电路的方案，整个电路由同步检测部分、触发脉冲发生电路部分，驱动电路组成。[5]调试与仿真结果表明，该电路实现了全控整流的六脉冲输出。
1.同步检测电路的仿真模型与结果
采用单片机触发的晶闸管首先要解决同步问题，由于触发脉冲的自然换相点与三相电源的线电压的过零点同步，Uab相同步信号产生电路如图4所示，交流电压经同步变压器降压后，Ua和Ub分别是输入同步信号的两个信号端，电阻R2、R3作为限流和保护电阻，VD1和VD2为限制比较器输入电压的钳位二极管，[6]比较器在电压过零时触发翻转，检测出同步过零点，R6和C1对输出结果进行滤波，以避免输出信号出现抖动。再经过整形输出方波波形送到单片机AT89C2051的P3.2口申请中断。
2.脉冲触发电路的仿真模型与结果
相位控制要求以变流电路的自然换相点为基准，经过一定的相位延迟后，再输出触发信号使晶闸管导通。在实际应用中，自然换相点是通过同步信号给出，再按前面介绍得的同步电压过零检测的方法在CPU中实现同步，并由CPU控制软件完成移相计算后，按移相要求输出触发脉冲。移相触发脉冲控制硬件连接图如图5所示。[7]
通过输入程序后，仿真得到6脉冲的输出波形如图6所示，示波器1从上到下波形依次为同步检测信号，单片机P1.2～P1.4口输出的触发脉冲波形，示波器2从上到下输出的波形为单片机P1.4～P1.7口输出的触发脉冲波形。
三、结论
将仿真技术引入电力电子实验教学，由于仿真技术具有良好的图形显示、直观易懂和改变参数容易等优点，有利于使学生在较短的时间内对该课程有较好的理解，缩短了传授时间，提高了教学效果。随着电力电子器件的不断发展，实验室的装置很难做到即时更新，所以可利用计算机仿真的优越性，将一些目前暂时无法实现的实验装置通过计算机来模拟。计算机在这些实验中的应用，提高了学生对电力电子实验的兴趣，它可与模拟实验相结合，取长补短。同时也巩固和拓宽了对计算机的应用能力，体现了计算机仿真在教学中的优越性。
参考文献：
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].第四版.北京:机械工业出版社,2000.
[2]张健,车延博,张建辉.电力电子实验的计算机仿真[J].实验室研究与探索,2003,22(2):87-92.
[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.
[4]张开如,陈荣,孙鸿昌,等.计算机仿真技术在电力电子电路与系统分析中的应用[J].2003,20(5):97-99.
[5]朱群峰,黄磊,王跃球.基于89C51单片机的晶闸管触发装置设计[J].仪表技术,2009,(2):43-45.
[6]谢运翔,欧阳森.电力电子单片机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[7]邵期友,江思敏.基于Proteus仿真的三相整流控制电路的设计[J].工矿自动化,2010,(5):64-67.
（责任责任：刘辉）
关键词：电力电子技术；MATLAB；Proteus
作者简介：刘玉娟（1979-），女，河南鄢陵人，南京信息工程大学信控学院，讲师；贺磊（1988-），男，江苏高淳人，南京信息工程大学信控学院硕士研究生。（江苏 南京 210044）
基金项目：本文系南京信息工程大学科研基金资助项目（项目编号：10JY030）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）30-0157-02
“电力电子技术”既是一门技术基础课，也是实用性很强的一门课程，因此实验是必不可少的一个教学环节。学生通过动手操作，可加深对理论知识的理解和加强感性认识。[1]结合该课程内容所开設的实验有单相桥式整流电路，三相桥式整流电路，直流斩波电路等。实验过程中可在示波器上观察到各种不同线路不同负载下的电压的波形。但由于模拟实验装置的局限性和受实验室所用普通示波器观察波形时的限制，得到电压的波形不是很清晰和准确。[2]为了弥补模拟实验的不足，本文利用MATLAB/Simulink和Protues软件对三相桥式整流电路主电路及其控制电路进行了仿真，取得了较好的效果。
一、基于MATLAB/Simulink的三相桥式整流电路主电路的仿真
1.Simulink的工作环境简介
Simulink 是MATLAB的一个附加组件，为用户提供了一个建模和仿真的工作平台。Simulink环境中，系统的各元件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流向的方向。
2.仿真实验线路和结果
在Simulink环境下，运用Power System Blockset的各种元件模型建立了三相桥式全控整流电路的仿真模型，[3]仿真结构如图1所示。
根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真，负载为电阻特性。负载的参数设置如下：R=45Ω，L=0H，C=inf，仿真结果如图2所示。
根据三相桥式全控整流电路的原理图，对不同的触发角α会影响输出电压进行仿真，负载为电感特性。负载的参数设置如下：R=45，L=1H，C=inf，仿真结果如图3所示。
仿真结果表明，当负载为电阻性负载时，a≤60°，负载电流是连续的；a≥60°，负载电流为断续。当负载为阻感性负载时，a≤60°，输出电压波形连续，电路的工作情况与电阻负载时十分相似，各晶闸通断情况、输出整流电压等都一样；a>60°，由于电感L的作用，负载电压会出现负的部分，如图3（d）所示。若电感L值足够大，负载电压中的正负面积将基本相等，负载电压平均值近似为零。[4]这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90°。
二、基于Proteus的三相桥式整流控制电路的仿真
对于模拟电路控制总存在精度不高、对称度不好的、易受温度漂移影响等问题，本文采用一种Proteus软件设计三相整流控制电路的方案，整个电路由同步检测部分、触发脉冲发生电路部分，驱动电路组成。[5]调试与仿真结果表明，该电路实现了全控整流的六脉冲输出。
1.同步检测电路的仿真模型与结果
采用单片机触发的晶闸管首先要解决同步问题，由于触发脉冲的自然换相点与三相电源的线电压的过零点同步，Uab相同步信号产生电路如图4所示，交流电压经同步变压器降压后，Ua和Ub分别是输入同步信号的两个信号端，电阻R2、R3作为限流和保护电阻，VD1和VD2为限制比较器输入电压的钳位二极管，[6]比较器在电压过零时触发翻转，检测出同步过零点，R6和C1对输出结果进行滤波，以避免输出信号出现抖动。再经过整形输出方波波形送到单片机AT89C2051的P3.2口申请中断。
2.脉冲触发电路的仿真模型与结果
相位控制要求以变流电路的自然换相点为基准，经过一定的相位延迟后，再输出触发信号使晶闸管导通。在实际应用中，自然换相点是通过同步信号给出，再按前面介绍得的同步电压过零检测的方法在CPU中实现同步，并由CPU控制软件完成移相计算后，按移相要求输出触发脉冲。移相触发脉冲控制硬件连接图如图5所示。[7]
通过输入程序后，仿真得到6脉冲的输出波形如图6所示，示波器1从上到下波形依次为同步检测信号，单片机P1.2～P1.4口输出的触发脉冲波形，示波器2从上到下输出的波形为单片机P1.4～P1.7口输出的触发脉冲波形。
三、结论
将仿真技术引入电力电子实验教学，由于仿真技术具有良好的图形显示、直观易懂和改变参数容易等优点，有利于使学生在较短的时间内对该课程有较好的理解，缩短了传授时间，提高了教学效果。随着电力电子器件的不断发展，实验室的装置很难做到即时更新，所以可利用计算机仿真的优越性，将一些目前暂时无法实现的实验装置通过计算机来模拟。计算机在这些实验中的应用，提高了学生对电力电子实验的兴趣，它可与模拟实验相结合，取长补短。同时也巩固和拓宽了对计算机的应用能力，体现了计算机仿真在教学中的优越性。
参考文献：
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].第四版.北京:机械工业出版社,2000.
[2]张健,车延博,张建辉.电力电子实验的计算机仿真[J].实验室研究与探索,2003,22(2):87-92.
[3]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.
[4]张开如,陈荣,孙鸿昌,等.计算机仿真技术在电力电子电路与系统分析中的应用[J].2003,20(5):97-99.
[5]朱群峰,黄磊,王跃球.基于89C51单片机的晶闸管触发装置设计[J].仪表技术,2009,(2):43-45.
[6]谢运翔,欧阳森.电力电子单片机控制技术[M].北京:机械工业出版社,2007.
[7]邵期友,江思敏.基于Proteus仿真的三相整流控制电路的设计[J].工矿自动化,2010,(5):64-67.
（责任责任：刘辉）