MATLAB在電力電子技術教學中的應用

劉麗萱 張萍 錢步仁 魏學良

［摘要］本文介紹了MATLAB在電力電子技術教學中的應用，并給出了三相電壓型SPWM逆變電路仿真實例。引入MATLAB仿真技術作為課堂教學的輔助手段，對電力電子電路進行交互式動態波形分析、諧波分析及電量計算，結果直觀、形象，有助于學生理解抽象的理論知識，提高學生學習的興趣和主動性，改善教學效果，提高教學質量。

［關鍵詞］電力電子技術教學 MATLAB/SIMULINK SPWM逆變電路仿真

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

電力電子技術課程主要研究各種電力半導體器件及其組成的各種變流裝置的工作原理及應用，主要涉及整流、逆變、直流斬波、交-交變換等電能變換及PWM控制和軟開關技術等內容。在該課程的教學中，需要對相關電路進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，而且需要作相關電量的數學公式推導及諧波分析。在傳統教學中主要采用PPT動畫及課堂板書等教學方式，存在著波形繪制工作量大、所畫波形不規范、電路的工作過程及波形的動態變化表現不足、交互性差、理論分析及公式推導繁瑣抽象等問題，使得授課課時緊張，課堂教學信息量不夠大，授課方式單調枯燥，學生容易產生疲倦感，難于達到理想的教學效果。在課堂教學中引入MATLAB計算機仿真技術作為傳統課堂教學手段的補充，有助于克服傳統課堂教學的缺點，提高學生的學習興趣，提高教學質量。本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了MATLAB/SIMULINK在電力電子技術教學中的應用，建立了相應的仿真電路模型并給出了相關的仿真波形。

一、MATLAB/SIMULINK介紹

MATLAB是由美國mathworks公司發布的商業數學軟件，它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等功能集成在一個視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領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提供的各種數學計算及功能分析工具，可方便地對電路進行波形分析及數值計算，并可調用豐富的測量儀器工具對相應電壓、電流進行波形觀測及數值讀取。

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，只要使用鼠標調出相應的元器件功能模型并將它們連接起來，設置好各元器件的模型參數，即可對電路進行動態仿真。

二、基于MATLAB的三相電壓型SPWM逆變電路仿真

三相電壓型SPWM逆變電路結構廣泛用于通用變頻器中，其作用是通過控制開關功率器件的通斷將直流電逆變為SPWM交流電。該部分教學內容是電力電子技術課程的重要知識點。在教學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值計算。尤其在作輸出電壓的諧波分析時，需要推導繁雜的公式，教學內容復雜、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強大的波形分析及數值計算功能對SPWM逆變電路進行動態分析，作為傳統課堂教學的輔助手段，提高教學效率和教學質量。

（一）建立仿真模型

打開MATLAB/SIMULINK仿真平臺，從電力系統SimPower Systems模型庫中選取直流電源模塊、多功能橋（Universal Bridge）模塊、PWM脈沖發生器（PWM Generator）模塊及三相RLC串聯負載模塊，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，可同時觀察多個節點及支路的電壓電流波形。從其他電氣模塊庫（Extra Library）中調用傅里葉分析（Fourier）模塊以便對輸出電壓信號ua進行諧波分析，調用有效值測量（RMS）模塊對輸出電壓ua進行有效值計算，并用數字顯示器Display將分析計算結果顯示出來。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）設置模塊參數

雙擊仿真電路中的相應模塊，對逆變電路元器件進行參數設置。

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

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

3.三相RLC串聯負載模塊：電阻R=1（Ohms），電感L=0.001（H），測量項Measurements選擇Branch voltages and currents，以便數據可通過多路測量儀Multimeter觀察。

4.PWM脈沖發生器（PWM Generator）模塊：采用內部產生正弦調制波方式，發生器模式選擇6 pulses，載波頻率為3000Hz，調制度為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。分析結果用數字顯示器顯示。

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

三、電路仿真及結果分析

第一，選擇菜單simulation/parameters對仿真參數進行設置：仿真開始時間設為0，終止時間設為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，仿真結果與理論分析結果基本一致。在程序的運行過程中，學生可觀察到仿真波形的動態產生過程，通過觀察波形，加深學生對三相對稱電壓及電流的幅值及其相位關系的理解。利用MATLAB提供的工具，可定向放大局部波形，加強學生對SPWM波的多電平波形的感性認識，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，結果示于圖4，圖4中還示出了ua的RMS有效值計算結果，仿真結果與理論計算結果基本一致。改變設置參數，可觀察到其他任意次諧波的幅值和相位的計算結果。

通過該例可以看出，在課堂教學中，利用MATLAB/SIMULINK對電路進行動態交互式分析，分析結果直觀、形象，通過改變模塊參數可輕易實現對不同電量的分析和波形觀察，有助于理解教學中抽象的理論知識，可作為教學的輔助手段，引起學生的學習興趣，提高課程教學質量。

四、結論

本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了將MATLAB/SIMULINK計算機仿真技術應用到電力電子技術教學中，作為課堂教學的輔助手段，對電力電子電路進行交互式動態波形分析、諧波分析及電量計算，分析結果直觀、形象，并可通過改變模塊參數輕易實現對不同電量的分析和波形觀察，有助于學生理解抽象的理論分析，提高學生學習的興趣和主動性，改善教學效果，提高教學質量。

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［責任編輯：左蕓］