电力电子技术仿真实验教学系统设计

　　摘 要：电力电子技术仿真实验教学系统利用MATLAB/Simulink软件编写内核电路仿真程序，利用 LabVIEW软件设计用户界面，基于动态链接库(DLL)技术，完成电路仿真程序和用户界面之间的实时数据交互。实验系统能够准确复现真实电力电子电路实验，实现电路参数灵活设置和实验结果的图形化显示、分析等功能，有助于学生在课后利用计算机自主完成课程教学大纲所要求的电力电子电路实验。该实验系统可应用于自动化、电力系统及其自动化专业本科生电力电子技术课程的仿真实验教学。

　　关键词：LabVIEW;电力电子技术;虚拟仿真

　　1 　研究背景

　　电力电子技术是自动化专业、电力系统及其自动化专业核心基础课程，对于培养电类专业人才具有重要作用[1]。该课程内容主要包括各种电力电子变换装置的电路结构、工作原理、控制方法、设计计算，要求学生掌握基本电路的工作原理和设计方法，并具备一定的实验操作能力，所以它是一门实践性很强的课程。然而，由于课程学时所限，大部分教学内容只能采用电路原理分析和公式计算的方式，在课内不能充分开展硬件实验项目。

　　这样的教学方式会给刚开始学习本课程的学生造成很大困难，使学生对电路的实际运行缺乏直观的感性认识，因此很难在课后继续开展自主学习。将计算机仿真技术引入课程教学，可以帮助学生更好地掌握该门课程的主要内容。

　　目前，LabVIEW在电力电子技术实验课程中已得到了大量的应用[1-6]。基于LabVIEW的数据分析函数能够根据实验需求提取实验数据的特征量，从而加深学生对实验原理的理解。此外，还有多种仿真技术软件也被广泛应用于电力电子技术课程的教学中[7-11]。MATLAB/Simulink是理工科专业通用的仿真软件，具有强大的仿真运算功能，其电气工具箱可提供各类电力电子器件模型，能够构造各种电力电子电路，完成系统仿真。

　　在电力电子课程教学中应用MATLAB/Simulink 软件进行仿真实验已被证明是提高教学质量的有效途径[9-10]。电力电子技术仿真实验教学系统基于MATLAB/Simulink工具箱编写内核电路仿真程序，能准确复现实际电路的工作过程。利用LabVIEW软件设计仿真软件界面和数据处理程序，能够以图形方式动态显示实验数据，使得学生能够直观地认识真实电路的工作过程。

　　学生利用该实验系统能够轻松地完成教学大纲中要求掌握的所有基本电力电子电路的仿真实验，加深对课程所学内容的理解，从而在一定程度上弥补了硬件实验条件的不足。该实验系统能够帮助学生尽快掌握电路的基本工作原理，并对实际电路运行形成感性认识，同时为学生在课后开展自主学习提供了条件。

　　2 仿真实验系统介绍

　　2.1 实验系统结构

　　实验系统由三部分组成：利用Simulink软件编写仿真电路程序、采用DLL技术生成数据接口、利用LabVIEW语言设计仿真系统界面。实验系统各部分具体工作如下：一是仿真电路程序，根据系统界面的仿真参数设置，完成实验电路仿真运行并且输出仿真数据;二是利用Windows动态链接库技术(DLL)，实现Simulink仿真电路输出数据的格式转换，为系统界面提供具有规范格式的测量数据;三是利用LabVIEW语言设计的仿真系统界面，完成实验数据的图形化显示和分析，观察在控制输入下电路中各电流、电压的波形，并提供实验参数设置接口。根据电力电子技术课程教学要求，该仿真实验系统主要实现了课程教学大纲中所规定的基础实验电路的仿真实验。

　　该实验系统主要实现以下四项功能：

　　一是用户界面功能。实验系统界面包括系统主界面和各个仿真实验子模块界面。主界面实现系统导航功能，用户通过主界面选择自己需要的电路进行仿真实验，进入各类电路仿真实验的子模块界面。各子模块界面能够显示仿真电路原理图，图形化显示电路仿真结果以及波形分析结果。同时，能够为用户提供电路参数设置接口。

　　二是电路仿真实验功能。根据教学大纲要求掌握的四类电路，该实验系统设计了四个仿真实验子模块。根据子模块界面设置的电路参数，分别完成四类电路的仿真运行并且将运行数据反馈至实验系统界面。

　　三是实验结果展示功能。用于接收仿真实验数据，并完成数据的图形化显示和分析，并将在系统界面上显示结果。

　　四是用户参数调节功能。用于接收用户在系统界面上输入的电路参数，并将该参数传送至对应的仿真实验子模块，进行电路仿真。

　　2.2 实验系统设计

　　该实验系统主要包括三个部分：Simulink仿真电路设计与设置、DLL文件的生成、基于LabVIEW的仿真系统界面设计。

　　2.2.1 Simulink仿真电路设计与设置仿真电路是该实验系统的核心内容。根据需要在Simulink中搭建电路，然后对所搭建的电路进行一些特定的设置，为Simulink和LabVIEW之间的通信创设条件。这里的关键技术为电路数据接口端的设置。电路数据接口端有两类：输入端(IN)和输出端(OUT)。将Simulink中的POWERGUI设置为Discrete模式，并在Simulink的Configuration选项卡中设置IN和OUT端参数。输入控制参数主要有两个：晶闸管触发角α和IGBT器件的占空比。在LabVIEW里输入触发角α，得到不同的波形，可以利用Pulse Generator， Variable TimeDelay，Product等模块。

　　对于斩波电路的占空比设计，可以利用RelationalOperator，Repeating Sequence 等模块。随后点击Simulink中的Build Model按键，如果电路连接正确，就会在当前文件路径下生成“XXX_ert_rtw”文件夹(“XXX”是.slx的文件名)，内部含有一系列的.c和.h文件。

　　2.2.2 DLL文件的生成打开Visual Studio 2015软件，建立DLL空项目，并按照如下步骤进行添加、修改工程：一是将文件夹中的.c文件全部添加到项目中;二是在源文件下添加.def文件;三是修改数据传输函数，在其中调用一次初始化函数，将生成的.h文件全部添加到项目中;四是将本地MATLAB安装路径文件夹里的头文件添加至VC++目录路径;五是工程编译后，在原项目文件夹Debug文件夹内会自动生成DLL文件。

　　2.2.3 仿真系统界面设计在仿真系统界面设计中，将每个电路生成的DLL文件单独建立VI文件，整合到一个VI文件中，进行电路选取、参数设置。对于不同类型电路子界面之间的切换，采用选项卡控件配合事件结构实现。每个界面对应一个特征值，利用不同的按钮触发不同的事件结构，使得该特征值与选项卡页面保持一致。每个页面之间相互独立，可以单独进行参数设置与波形显示。有的电路需要进行电阻负载的选择(即纯阻性负载、阻感负载)，可以在每个页面的程序中添加条件结构进行选择。在程序中使用了大量的局部变量以实现同一变量的不同调用。主界面的主要功能为软件导航，用户通过主界面可以选择切换到任意电路仿真子模块界面。

　　3 电力电子技术仿真实验

　　虚拟仿真实验系统在电力电子技术课程中的应用，根据课程教学内容，主要分为以下四个方面。

　　3.1 整流电路仿真实验

　　整流电路实验仿真界面。本模块由单相和三相可控整流电路两部分组成，分别可以实现单相和三相可控整流电路的仿真实验。该模块中以单相桥式半控整流电路为例说明如何进行仿真实验。实验界面由三部分组成：左侧为实验电路拓扑和电路参数设置;中间部分图形演示仿真实验结果，主要包括电路中的关键电流和电压等参数;右侧是实验结果的读取和分析，能够读取图像中各参数在任意时刻的具体取值，并计算电路输出有效值、最大值等性能参数。

　　3.2 逆变电路仿真实验

　　本模块由两种单相逆变电路的仿真模块组成，分别可以实现两种电压型逆变电路的仿真实验。该模块中以单相半桥式逆变电路为例。由三部分组成：左侧为实验电路拓扑和电路参数设置;中间部分图形演示仿真实验结果，主要包括电路中的关键电流和电压等参数;右侧是实验结果的读取和分析，能够读取实验图像中各参数在任意时刻的具体取值，并计算电路输出有效值、最大值等性能参数。

　　3.3 直流斩波电路仿真实验

　　本模块由四种基础直流斩波电路的仿真模块组成，分别可以实现四种基础直流斩波电路的仿真实验。该模块中以降压斩波电路为例说明如何进行仿真实验。由三部分组成：左侧为实验电路拓扑和电路参数设置;中间部分图形演示仿真实验结果，主要包括电路中的关键电流和电压等参数;右侧是实验结果的读取和分析，能够读取实验图像中各参数在任意时刻的具体取值，并计算电路输出均值、纹波等性能参数。

　　3.4 交流调压电路仿真实验

　　本模块由两种单相逆变电路的仿真模块组成，分别可以实现两种基础电压型逆变电路的仿真实验。该模块中以单相调压电路为例。由三部分组成：左侧为实验电路拓扑和晶闸管控制角α设置;中间部分图形演示仿真实验结果，主要包括电路中的关键电流和电压等参数;右侧是实验结果的读取和分析，能够读取实验图像中各参数在任意时刻的具体取值，并计算电路输出电压有效值。

　　4　教学效果

　　本仿真实验教学系统利用MATLAB软件编写系统电路仿真程序，从而保证了仿真软件的科学性;利用LabVIEW软件设计教学系统界面，能够完成仿真数据的采集、显示、分析和存储，界面功能完整，外观简洁美观。实验系统综合了MATLAB和LabVIEW编程软件的优点，能够达到课程教学目的。该仿真实验教学软件在山东科技大学2017级自动化专业、电力系统及其自动化专业本科生电力电子技术课程的教学中得到应用，取得良好的教学效果。学生使用仿真软件可以学习设置电路控制参数，观察电路中主要电量的波形、存储实验结果、完成数据分析，从而实现课后自主学习，加深对电路工作原理的理解。

　　5　结语

　　本文介绍了电力电子技术仿真实验教学系统的设计、制作与应用。该实验系统有助于学生自主完成课程教学大纲要求的电力电子电路仿真实验，克服了原有硬件实验场所和实验时间固定的缺点。通过该实验系统，学生能够直观认识电路的工作过程，快速理解和掌握电路工作原理，取得了较好的教学应用效果。今后的工作中，还需要进一步丰富和提高该实验系统的各项功能。

　　参考文献

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　　[2] 王超,李可,杜奔新.虚拟仪器技术在实验室的应用研究[J].实验技术与管理,2013(12):105-107.

　　[3] 韦青燕.基于LabVIEW和Multisim的串联校正实验软件平台开发[J].实验室研究与探索,2015(2):128-131.

　　[4] 乐建华,黄家才.检测技术与虚拟仪器实验室建设[J].实验室研究与探索,2016(12):96-99.

　　[5] 李光林,关维国,曹洪奎.面向应用型人才培养的虚拟仪器教学[J].实验室科学,2019(1):119-121

　　.[6] 吕昌远.基于LabVIEW的虚实结合远程模拟电路实验平台设计[M].南京:东南大学,2016.

　　[7] 梁梅,冯艺,罗璇,等.电力电子电路探索性实验研究与实现[J].实验室研究与探索,2017(3):167-170,175.

　　[8] 周凯,那日沙,王旭东.Saber在电力电子技术仿真中的应用[J].实验技术与管理,2015(3):126-128,140.

　　作者：钟宁帆 曹峻虎 王玉良