劉麗萱 張萍 錢步仁 魏學(xué)良

［摘要］本文介紹了MATLAB在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，并給出了三相電壓型SPWM逆變電路仿真實例。引入MATLAB仿真技術(shù)作為課堂教學(xué)的輔助手段，對電力電子電路進(jìn)行交互式動態(tài)波形分析、諧波分析及電量計算，結(jié)果直觀、形象，有助于學(xué)生理解抽象的理論知識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］電力電子技術(shù)教學(xué) MATLAB/SIMULINK SPWM逆變電路仿真

［中圖分類號］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）12-0109-03

電力電子技術(shù)課程主要研究各種電力半導(dǎo)體器件及其組成的各種變流裝置的工作原理及應(yīng)用，主要涉及整流、逆變、直流斬波、交-交變換等電能變換及PWM控制和軟開關(guān)技術(shù)等內(nèi)容。在該課程的教學(xué)中，需要對相關(guān)電路進(jìn)行波形分析及電量計算，不僅需要畫出大量的電壓、電流信號波形圖，而且需要作相關(guān)電量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)及諧波分析。在傳統(tǒng)教學(xué)中主要采用PPT動畫及課堂板書等教學(xué)方式，存在著波形繪制工作量大、所畫波形不規(guī)范、電路的工作過程及波形的動態(tài)變化表現(xiàn)不足、交互性差、理論分析及公式推導(dǎo)繁瑣抽象等問題，使得授課課時緊張，課堂教學(xué)信息量不夠大，授課方式單調(diào)枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生疲倦感，難于達(dá)到理想的教學(xué)效果。在課堂教學(xué)中引入MATLAB計算機(jī)仿真技術(shù)作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段的補(bǔ)充，有助于克服傳統(tǒng)課堂教學(xué)的缺點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了MATLAB/SIMULINK在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，建立了相應(yīng)的仿真電路模型并給出了相關(guān)的仿真波形。

一、MATLAB/SIMULINK介紹

MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等功能集成在一個視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。利用其中的SIMULINK軟件包提供的圖形化交互環(huán)境，可快速建立電力電子電路的仿真模型，利用MATLAB提供的各種數(shù)學(xué)計算及功能分析工具，可方便地對電路進(jìn)行波形分析及數(shù)值計算，并可調(diào)用豐富的測量儀器工具對相應(yīng)電壓、電流進(jìn)行波形觀測及數(shù)值讀取。

在建立電力電子電路仿真模型時主要用到了SIMULINK軟件包中的以下模塊庫：電力系統(tǒng)模型庫（SimPower Systems）中的電源模塊庫（Electrical Sources）、電器元件模塊庫（Elements）、電力電子元件模塊庫（Power Electronics）、測量儀器模塊庫（Measurements）、其他電器模塊庫（Extra library）等子模塊庫，以及Simulink模型庫中的儀器儀表庫（Sinks）、連接模塊庫（Connectors）等子模塊庫。建立電路仿真模型時，不用書寫任何代碼，只要使用鼠標(biāo)調(diào)出相應(yīng)的元器件功能模型并將它們連接起來，設(shè)置好各元器件的模型參數(shù)，即可對電路進(jìn)行動態(tài)仿真。

二、基于MATLAB的三相電壓型SPWM逆變電路仿真

三相電壓型SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)廣泛用于通用變頻器中，其作用是通過控制開關(guān)功率器件的通斷將直流電逆變?yōu)镾PWM交流電。該部分教學(xué)內(nèi)容是電力電子技術(shù)課程的重要知識點(diǎn)。在教學(xué)中不僅要分析電路的工作原理，而且還涉及電壓和電流的波形分析和數(shù)值計算。尤其在作輸出電壓的諧波分析時，需要推導(dǎo)繁雜的公式，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜、抽象、枯燥且不易理解。利用MATLAB/SIMULINK建立三相電壓型SPWM逆變電路仿真模型，可借助MATLAB強(qiáng)大的波形分析及數(shù)值計算功能對SPWM逆變電路進(jìn)行動態(tài)分析，作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的輔助手段，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

（一）建立仿真模型

打開MATLAB/SIMULINK仿真平臺，從電力系統(tǒng)SimPower Systems模型庫中選取直流電源模塊、多功能橋（Universal Bridge）模塊、PWM脈沖發(fā)生器（PWM Generator）模塊及三相RLC串聯(lián)負(fù)載模塊，將以上電路元器件模塊按三相電壓型SPWM逆變的原理連接起來組成仿真電路。從測量儀器（Measurements）模塊庫中調(diào)用多路測量儀（Multimeter）,配合儀器儀表（Sinks）庫中的Scope示波器，可同時觀察多個節(jié)點(diǎn)及支路的電壓電流波形。從其他電氣模塊庫（Extra Library）中調(diào)用傅里葉分析（Fourier）模塊以便對輸出電壓信號ua進(jìn)行諧波分析，調(diào)用有效值測量（RMS）模塊對輸出電壓ua進(jìn)行有效值計算，并用數(shù)字顯示器Display將分析計算結(jié)果顯示出來。最終建立的三相電壓型SPWM逆變電路仿真模型示于圖1中。

（二）設(shè)置模塊參數(shù)

雙擊仿真電路中的相應(yīng)模塊，對逆變電路元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

1.直流電壓源Us:電壓為100V，測量項Measurements選擇Voltage，以便電壓數(shù)據(jù)可通過多路測量儀Multimeter觀察。

2.逆變橋（Universal Bridge）模塊：橋臂數(shù)選3，吸收電阻Rs=1e5（Ohms），吸收電容Cs=inf（F），功率器件選擇：IGBT/Diodes，導(dǎo)通電阻Ron=1e-3（Ohms）。

3.三相RLC串聯(lián)負(fù)載模塊：電阻R=1（Ohms），電感L=0.001（H），測量項Measurements選擇Branch voltages and currents，以便數(shù)據(jù)可通過多路測量儀Multimeter觀察。

4.PWM脈沖發(fā)生器（PWM Generator）模塊：采用內(nèi)部產(chǎn)生正弦調(diào)制波方式，發(fā)生器模式選擇6 pulses，載波頻率為3000Hz，調(diào)制度為0.7，輸出電壓頻率為50Hz，輸出電壓相角為0o。

5.傅里葉分析（Fourier）模塊：基波頻率設(shè)置為50Hz，利用Fourier模塊分析基波的幅值magnitude-1及基波的相位angle-1。利用Fourier1模塊分析3次諧波的幅值magnitude-3及相位angle-3。分析結(jié)果用數(shù)字顯示器顯示。

6.有效值測量（RMS）模塊：基波頻率設(shè)置為50Hz，分析結(jié)果用數(shù)字顯示器顯示。

三、電路仿真及結(jié)果分析

第一，選擇菜單simulation/parameters對仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：仿真開始時間設(shè)為0，終止時間設(shè)為0.045，選用變步長ode23t算法，計算精度為0.001。

第二，選擇菜單simulation/start開始仿真。通過示波器Scope可觀察到三相輸出SPWM電壓ua、ub、uc波形及三相輸出電流ia、ib、ic的波形。仿真結(jié)果示于圖2中。

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圖2 三相輸出SPWM電壓及三相輸出電流波形

在圖2中示出了三相輸出SPWM電壓ua、ub、uc的波形及三相輸出電流ia、ib及ic的波形，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。在程序的運(yùn)行過程中，學(xué)生可觀察到仿真波形的動態(tài)產(chǎn)生過程，通過觀察波形，加深學(xué)生對三相對稱電壓及電流的幅值及其相位關(guān)系的理解。利用MATLAB提供的工具，可定向放大局部波形，加強(qiáng)學(xué)生對SPWM波的多電平波形的感性認(rèn)識，三相輸出SPWM電壓、電流局部放大波形示于圖3中。

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圖3三相輸出SPWM電壓、電流局部放大波形

利用傅里葉分析（Fourier）模塊對SPWM電壓ua作基波和3次諧波的幅值及相角計算，結(jié)果示于圖4，圖4中還示出了ua的RMS有效值計算結(jié)果，仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。改變設(shè)置參數(shù)，可觀察到其他任意次諧波的幅值和相位的計算結(jié)果。

通過該例可以看出，在課堂教學(xué)中，利用MATLAB/SIMULINK對電路進(jìn)行動態(tài)交互式分析，分析結(jié)果直觀、形象，通過改變模塊參數(shù)可輕易實現(xiàn)對不同電量的分析和波形觀察，有助于理解教學(xué)中抽象的理論知識，可作為教學(xué)的輔助手段，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程教學(xué)質(zhì)量。

四、結(jié)論

本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了將MATLAB/SIMULINK計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到電力電子技術(shù)教學(xué)中，作為課堂教學(xué)的輔助手段，對電力電子電路進(jìn)行交互式動態(tài)波形分析、諧波分析及電量計算，分析結(jié)果直觀、形象，并可通過改變模塊參數(shù)輕易實現(xiàn)對不同電量的分析和波形觀察，有助于學(xué)生理解抽象的理論分析，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。

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［責(zé)任編輯：左蕓］