整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)早的一種， 它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備， 整流電路的應(yīng)用十分廣泛 。在整流電路的設(shè)計(jì)過程中，需要對設(shè)計(jì)電路及有關(guān)參數(shù)選擇是否合理、效果好壞進(jìn)行驗(yàn)證。如果通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證， 需要經(jīng)過反復(fù)多次的元件安裝、調(diào)試、重新設(shè)計(jì)等步驟， 這樣使得設(shè)計(jì)耗資大，效率低， 周期長?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為電力電子電路的設(shè)計(jì)和分析提供了嶄新的方法， 可以使復(fù)雜的電力電子電路、系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加容易和有效。

　　Matlab 是一種計(jì)算機(jī)仿真軟件， 它是以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算語言。Simulink 是基于框圖的仿真平臺， 它掛接在Matlab 環(huán)境上， 以Mat lab 的強(qiáng)大計(jì)算功能為基礎(chǔ)， 用直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)算。其中的電力系統(tǒng)（ Pow er System） 工具箱是專用于RLC電路、電力電子電路、電機(jī)傳動控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真用的模型庫。它具有豐富的器件模型和齊全的分析功能， 且操作方便。隨著對仿真和程序設(shè)計(jì)通用性及可視化需求的日益增加， Mat lab 的圖形用戶界面（ GUI） 應(yīng)用也越來越廣泛， 功能越來越強(qiáng)大。以Matlab 7. 1 為設(shè)計(jì)平臺， 利用Simulink 中的Pow er System工具箱來搭建整流電路仿真模型， 并通過Mat lab GUI設(shè)計(jì)整流電路的分析界面。

　　1  整流電路仿真模型

　　整流電路又稱交-直流變流器， 在整流的同時(shí)還對直流電壓電流進(jìn)行調(diào)整， 以符合用電設(shè)備的要求。按不同的分類方式， 整流電路的種類非常多， 其中單相橋式全控整流電路和三相橋式全控整流電路為典型。以單相橋式全控整流電路為例， 說明其仿真模型的建立。

　　1. 1  單相橋式全控整流電路構(gòu)成

　　單相橋式全控整流電路（ 純電阻負(fù)載） 如圖1 所示，電路由交流電源u1、整流變壓器T 、晶閘管VT 1 ~VT4 、負(fù)載電阻R 以及觸發(fā)電路組成。在變壓器次級電壓u2 的正半周觸發(fā)晶閘管VT1 和V T3 ; 在u2 的負(fù)半周觸發(fā)晶閘管VT2 和VT 4 , 則負(fù)載上可以得到方向不變的直流電， 改變晶閘管的控制角可以調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電路的大小。

　圖1 單相橋式全控整流電路原理圖

　　1. 2  單相橋式全控整流電路模型建立

　　根據(jù)單相橋式全控整流電路原理圖， 在Simulink的Pow er System 工具箱里提取交流電源、晶閘管、RLC 串聯(lián)電路、脈沖發(fā)生器、變壓器、示波器等元器件。

　　在Simul ink 操作平臺上連接這些模塊， 構(gòu)成單相橋式全控整流電路模型， 如圖2 所示。

圖2 單相橋式整流電路仿真模型圖

　　1. 3  模型參數(shù)設(shè)置

　　雙擊仿真模型中的各個(gè)模塊彈出參數(shù)設(shè)置對話框，就可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在整流電路中， 改變晶閘管觸發(fā)角a， 輸出直流電壓和電流的大小就得到改變。因此觸發(fā)角a的設(shè)置是電路參數(shù)中的重要一項(xiàng)。晶閘管的觸發(fā)采用脈沖觸發(fā)器（ Pulse Generato r） 產(chǎn)生， 脈沖發(fā)生器的脈沖周期T d 必須和交流電源u2 同步， 晶閘管的控制角a以脈沖的延遲時(shí)間t 來表示， t =a Td / 360 °。其中，Td= 1/ f , f 為交流電源頻率。仿真算法選擇ODE23T B 算法， 當(dāng)電路帶阻感性負(fù)載時(shí)， 應(yīng)保證觸發(fā)脈沖具有足夠的寬度。

　　2  整流電路GUI 界面開發(fā)

　　整流電路仿真模型參數(shù)的選擇十分關(guān)鍵， 它直接影響到仿真結(jié)果和仿真質(zhì)量， 從而進(jìn)一步影響到整流電路的設(shè)計(jì)。為了滿足整流電路更高的性能指標(biāo)， 在仿真過程中， 就需要不斷地修改和設(shè)置參數(shù)而*費(fèi)大量時(shí)間。

　　另外， 還需要反復(fù)地打開示波器察看仿真結(jié)果， 不僅過程繁瑣， 且效率很低。因此， 本文借助Mat lab GU I 建立了一個(gè)整流電路仿真界面， 通過此界面， 用戶可以很方便地在中文名稱環(huán)境下來設(shè)置參數(shù)， 選擇模型等， 仿真結(jié)果也會直接在界面上顯示出來， 不僅方便快捷， 且大大提高了仿真效率。

　　2. 1  Mat lab GUI 的實(shí)現(xiàn)方法

　　Mat lab 可視化界面的設(shè)計(jì)方法一般有2 種： 一是直接通過Mat lab 的腳本文件來實(shí)現(xiàn)GU I; 另一種是通過Mat lab 圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GU IDE 來實(shí)現(xiàn)圖形界面。Mat lab 軟件GU IDE 為用戶提供了一個(gè)方便高效的集成環(huán)境， 所有GUI 支持的用戶控件都集成在這個(gè)環(huán)境中， 并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法。一般而言， 由于界面中的控件對象屬性、行為， 既可以在界面中實(shí)現(xiàn)， 也可以在生成的M 文件中用m 語言代碼在相應(yīng)的代碼段中實(shí)現(xiàn)。因此， 使用第2 種方法實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面雖然會給編程人員在修改和重新編輯界面時(shí)帶來一定的麻煩， 但是， 其設(shè)計(jì)過程較為直觀、簡單， 開發(fā)周期短。在此， 采用第2 種方法來實(shí)現(xiàn)整流電路的仿真界面。

　　2. 2  仿真界面的開發(fā)

　　整流電路仿真界面由選擇界面和主界面兩部分組成， 選擇界面如圖3 所示。在選擇界面中， 把整流電路分為單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路和帶容性負(fù)載的三相不可控橋式整流電路3 種。每種電路有相應(yīng)的電路說明， 點(diǎn)擊“ 電路說明”會彈出該電路的工作原理、特性等內(nèi)容， 點(diǎn)擊每種電路后的“進(jìn)入”按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)電路的主界面。為了保持界面風(fēng)格的一致性， 三類整流電路的主界面設(shè)計(jì)相似， 如點(diǎn)擊單相橋式全控整流電路的“電路說明”, 彈出其電路說明圖如圖4所示， 單擊“ 進(jìn)入” , 彈出其主界面圖如圖5 所示。

　　電路仿真的主界面分為電路原理圖顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、波形顯示區(qū)、功能按鈕區(qū)以及相應(yīng)的菜單區(qū)。

圖3 整流電路選擇界面

圖4  電路說明界面

圖5  仿真主界面

　　2. 3  仿真主界面的實(shí)現(xiàn)

　　打開控件的各個(gè)屬性進(jìn)行設(shè)置， 包括控件的背景色、前景色、T ag 值、St ring 值、Value 值等。編寫相應(yīng)控件的程序代碼， 以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

　?。?1） 電路原理圖的顯示。電路原理圖是用一個(gè)數(shù)軸顯示的， 程序代碼為：

　　imread 函數(shù)用于讀取電路原理圖圖片， 顯示圖片用' imag e '函數(shù)， 代碼' axis o ff '的作用是將數(shù)軸的坐標(biāo)去掉。

　?。?2） 模型參數(shù)的設(shè)置。參數(shù)設(shè)置包括負(fù)載參數(shù)以及仿真時(shí)間、電源電壓和脈沖發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置參數(shù)后， 點(diǎn)擊“仿真”按鈕， 仿真波形在顯示窗口動態(tài)顯示出來， 如同示波器一樣。

　　電阻值的設(shè)置先用' get '函數(shù)來讀取電阻值文本框中的數(shù)值， 再用'set _ param' 函數(shù)將讀取的數(shù)值寫入Simulink 電阻模塊中。

　　仿真時(shí)間的設(shè)置既可用滑動條又可用編輯文本框。

　　移動滑動條上的滑塊位置就可改變滑動條提供的數(shù)值，文本框中的參數(shù)也會隨之改變， 反之亦然。文本框和滑動條之間的數(shù)據(jù)傳遞用語句：

　　ldT = get（ handles. Sli,'Value'）；

　　set（ hObject, 'String', OldT） 實(shí)現(xiàn)。

　　電源電壓和脈沖發(fā)生器參數(shù)的設(shè)置采用調(diào)用模塊封裝界面的方法來實(shí)現(xiàn)， 利用'open_system' 函數(shù)， 打開模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

　?。?3） 仿真波形在主界面的顯示。在Simulink 模型中， 把要顯示的波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入w o rkspace 當(dāng)中， 再利用plot（ tout , yout） 命令畫出圖形， 顯示在主界面上。為了在界面指定的坐標(biāo)軸中輸出圖形， 只要在plo t 命令執(zhí)行前添加ax es（ h_ax es） 代碼即可。

　?。?4） 輔助功能的實(shí)現(xiàn)。為了優(yōu)化仿真界面的功能，系統(tǒng)設(shè)有一些輔助功能， 如柵格開關(guān)， 顯示其他圖形、返回和退出等。

　　"柵格開關(guān)"是對顯示區(qū)域的柵格控制， 柵格的開與關(guān)分別對應(yīng)'grid on '的選中與否。相關(guān)代碼為：

　　單擊"顯示其他波形", 即可進(jìn)入其他波形顯示界面， 如圖6 所示。能顯示晶閘管的電壓、電流波形和觸發(fā)脈沖的波形， 這樣既可節(jié)省仿真主界面的空間， 又可加強(qiáng)仿真界面的層次感。

圖6 顯示其他波形界面

　?。?5） 菜單的實(shí)現(xiàn)。菜單的實(shí)現(xiàn)采用的是GU I 的uimenu 菜單設(shè)計(jì)， 包括"文件"、"負(fù)載類型"、"其他"三項(xiàng)。其中"文件"和"其他"菜單的下拉菜單的功能是對界面功能的同一表現(xiàn)， "負(fù)載類型"的下拉菜單包括電阻負(fù)載和阻感負(fù)載， 界面的關(guān)閉和打開分別用到delete 和figure 函數(shù)。即如果選擇阻感負(fù)載， 系統(tǒng)會關(guān)閉純電阻負(fù)載變流電路的仿真界面figure（ bisheshiyan4） , 打開阻感負(fù)載的仿真界面figure（ danx iangzug an） 。

　　由主界面仿真圖來看， 從對各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置到仿真運(yùn)行再到結(jié)果顯示整個(gè)過程操作方便， 加上輔助工具的使用， 使仿真結(jié)果一目了然， 對比清晰。如果對仿真結(jié)果不滿意， 可以重新設(shè)置參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后， 可以選擇"退出"按鈕退出當(dāng)前界面。界面友好， 操作簡單。

　　3  結(jié) 語

　　計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是研究電力電子技術(shù)的有效手段，它可以輔助工程設(shè)計(jì)、分析和研究， 也可以輔助教學(xué)。

　　本文利用仿真軟件Mat lab 的Simulink 和Power System 工具箱對應(yīng)用廣泛的整流電路進(jìn)行建模， 并利用Mat lab GU I 功能建立了整流電路的仿真界面， 該界面集參數(shù)設(shè)置、電路說明、模型修改、模型查看、仿真操作、結(jié)果顯示和結(jié)果顯示輔助工具等為一體， 大大減化了仿真操作流程， 極大提高仿真測試效率。整流電路仿真界面既為實(shí)際系統(tǒng)的元件參數(shù)選擇提供幫助， 也為其他變流電路系統(tǒng)界面的開發(fā)提供參考。