楊延菊 任曉霞

摘 要：本文將MATLAB/Simulink仿真軟件引入到“電力電子技術(shù)”課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，并以單相橋式逆變電路為例，建立仿真模型并對(duì)其進(jìn)行分析。實(shí)踐表明，在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中利用MATLAB仿真軟件，能很大程度提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，以達(dá)到良好的教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞：逆變電路；MATLAB；電力電子技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM1-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0042-03

Abstract：In this paper，MATLAB/Simulink simulation software is introduced into the teaching and experiment process of the Power Electronic Technology. And taking the single-phase bridge inverter circuit as an example，the simulation model is established and analyzed. The practice shows that the using of MATLAB simulation software in teaching and experiment can greatly improve the learning enthusiasm of students to achieve a good teaching purpose.

Keywords：inverter circuit；MATLAB；power electronic technology

0 引 言

“電力電子技術(shù)”是以電力電子器件和四大變流技術(shù)為基礎(chǔ)，是高等院校中電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一。普通高校的教學(xué)內(nèi)容主要涉及48理論學(xué)時(shí)的常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、原理分析和選型的應(yīng)用、四大變流電路的特性分析和應(yīng)用，以及16個(gè)學(xué)時(shí)常規(guī)的應(yīng)用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。[1]理論課程內(nèi)容較繁多，而且針對(duì)變流電路都是波形分析，雖然教師上課借助多媒體，不用現(xiàn)場(chǎng)繪制波形，而且課前教師已經(jīng)將相關(guān)內(nèi)容和要分析的波形制成PPT，但是學(xué)生看到的還是靜態(tài)的波形，就算教師可以將波形做成動(dòng)畫(huà)，學(xué)生還是不是很了解電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不強(qiáng)，感覺(jué)教學(xué)內(nèi)容還是比較繁重、抽象。

同時(shí)“電力電子技術(shù)”還是一門(mén)具有很強(qiáng)實(shí)踐性的學(xué)科，只有加強(qiáng)實(shí)踐操作環(huán)節(jié)才能使得學(xué)生真正掌握其內(nèi)容以及應(yīng)用于其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程。但是，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在一定的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)電路均是封閉的，往往都是采用試驗(yàn)箱或者是掛件結(jié)構(gòu)，學(xué)生僅僅是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)或者是在老師的講解下連線，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程對(duì)于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)不是很了解，而且參數(shù)更改不方便，達(dá)不到教學(xué)的預(yù)期目的。另外，采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備隨著時(shí)間的變遷，出現(xiàn)老化現(xiàn)象，盡管設(shè)備有保護(hù)環(huán)節(jié)，但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還是會(huì)由于接線錯(cuò)誤而造成設(shè)備損壞，尤其是三相變流電路實(shí)驗(yàn)更是容易出現(xiàn)問(wèn)題，如果其中一相接錯(cuò)線或者是接觸不良，就會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值不相符的現(xiàn)象。總之，實(shí)驗(yàn)設(shè)備易壞，維修耗費(fèi)大。如果采用仿真軟件就不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題，同時(shí)還方便更改其中參數(shù)，可以記錄不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)，便于學(xué)生理解電路的工作原理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

計(jì)算機(jī)仿真已成為“電力電子技術(shù)”的熱點(diǎn)輔助教學(xué)軟件，MATLAB中的Simulink仿真環(huán)境擁有豐富的建模資源、設(shè)計(jì)界面直觀、輸出結(jié)果形式多樣化以及模型參數(shù)更改方便等優(yōu)點(diǎn)，目前，國(guó)內(nèi)外很多高校利用MATLAB仿真軟件輔助“電力電子技術(shù)”的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究。[2-4]本文選擇以電力電子變流技術(shù)中的典型電路逆變電路為例，進(jìn)行討論分析。

1 仿真實(shí)例

本文選擇以電力電子變流技術(shù)中的典型電路單相電壓型逆變電路為例，介紹仿真系統(tǒng)的搭建、模型參數(shù)的設(shè)置以及仿真過(guò)程。逆變電路應(yīng)用非常廣泛。一方面，各種電源中的蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等等均為直流電源，當(dāng)向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要采用直流變交流環(huán)節(jié)，即逆變電路。另一方面，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速?gòu)V泛使用變頻器等電力電子裝置。

本文以單相全橋電壓型逆變電路為例進(jìn)行分析，它的原理如圖1所示，它有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成，在直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)足夠大的電容。把橋臂1和橋臂4作為一對(duì)，器件同時(shí)導(dǎo)通，橋臂2和橋臂3作為另一對(duì)，這一對(duì)器件同時(shí)導(dǎo)通，搭建的仿真電路圖如圖2所示。

1.1 仿真系統(tǒng)的組成部分

單相全橋逆變電路由直流電源Ud、全控型器件IGBT、續(xù)流二極管Diode、電感L和負(fù)載電阻R構(gòu)成。在MATLAB的Simulink環(huán)境中，通過(guò)Simulink Library Browser找到對(duì)應(yīng)器件模塊，將其直接拖至建立的模型窗口內(nèi)，按照單相全橋逆變電路的原理圖進(jìn)行連續(xù)，建立的整個(gè)系統(tǒng)如圖2所示。其中V1～V4分別是四個(gè)橋臂中的可控器件IGBT，與其對(duì)應(yīng)反并聯(lián)的二極管分別是VD1～ VD4，另外Pluse 14是可控器件V1、V4的驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，其脈寬為0.001s，占空比為50%的方波，同樣，Pluse 23是可控器件V2、V3的驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，其脈寬為0.001s，占空比為50%的方波，這兩對(duì)信號(hào)導(dǎo)通角度不同，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)載波形是不同的。

1.2 仿真模型參數(shù)的設(shè)置

圖2中直流電源電壓是Ud=314V，負(fù)載電阻R=10Ω，電感為L(zhǎng)=10H。示波器是Scope，可以檢測(cè)電壓和電流波形，在此處，其檢測(cè)輸出負(fù)載電壓波形以及可控器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。

1.3 仿真結(jié)果

下面針對(duì)兩種情況進(jìn)行討論。

第一種情況是兩對(duì)橋臂可控器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替導(dǎo)通180度，V1和V2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4的信號(hào)也是互補(bǔ)，并且V3的信號(hào)比V1的信號(hào)落后180度，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出波形如圖3所示。當(dāng)V1和V4為通態(tài)的時(shí)候，輸出的負(fù)載電壓為正；當(dāng)V2和V3為通態(tài)的時(shí)候，輸出的負(fù)載電壓為負(fù)。輸出的波形為矩形波，其幅值為Uo=Ud。

第二種情況是兩對(duì)橋臂可控器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形不變，只是改變V3和V1之間的相位差，V1和V2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4的信號(hào)也是互補(bǔ)，并且V3的信號(hào)比V1的信號(hào)落后90度，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出波形如圖4所示。前四個(gè)波形分別是V1-V4驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形，第五個(gè)是輸出信號(hào)波形。

從圖4中可以看出，此時(shí)輸出的負(fù)載電壓波形不是正負(fù)分別為180度的脈沖，而是正負(fù)脈沖寬度各為90度。

比較圖3和圖4的輸出波形，就可以向?qū)W生提出疑問(wèn)，如何調(diào)節(jié)輸出電壓？顯而易見(jiàn)，得出結(jié)論，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的偏移角，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)模型的不同參數(shù)就能夠很好地得到仿真結(jié)果，如此便于學(xué)生掌握四種變流電路的工作原理，而且加深學(xué)生對(duì)電路難點(diǎn)部分的理解。

2 結(jié) 論

本文將MATLAB仿真軟件中的Simulink引入課程“電力電子技術(shù)”的教學(xué)和實(shí)踐過(guò)程中，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課程的興趣，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。針對(duì)電力電子技術(shù)中逆變電路建立了仿真模型，進(jìn)而對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了研究。結(jié)果證明，采用MATLAB仿真軟件，能夠極大提高學(xué)生的積極性。

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作者簡(jiǎn)介：楊延菊（1985-），女，河北邢臺(tái)人，教師，講師，博士。研究方向：電力系統(tǒng)智能故障診斷。