三相逆變電路SPWM控制理論和仿真相結(jié)合的教學(xué)實(shí)例探究

摘要：針對“電力電子技術(shù)”課程教學(xué)過程中學(xué)生難以理解的內(nèi)容，以教學(xué)實(shí)例的形式介紹了將課堂理論教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，推出一種基于Simulink仿真驗(yàn)證“電力電子技術(shù)”教學(xué)模式。以三相逆變電路SPWM控制為實(shí)例，詳細(xì)介紹了利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)三相逆變電路SPWM控制的仿真教學(xué)過程，學(xué)生通過形象直觀地觀測電路的動(dòng)態(tài)過程加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，取得了良好的教學(xué)效果，并培養(yǎng)了學(xué)生分析研究的能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；仿真；逆變電路；實(shí)例

中圖分類號：G642.1#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）17-0064-02

“電力電子技術(shù)”是電氣工程專業(yè)一門專業(yè)必修課，課程內(nèi)容既有較多的理論分析，也有很強(qiáng)的實(shí)踐性教學(xué)。在課堂教學(xué)方面，像三相全橋整流電路、三相PWM逆變電路的工作過程的分析，由于輸出波形比較復(fù)雜，學(xué)生初次接觸理解起來比較困難，往往一知半解；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，學(xué)生由于對電路原理解不透徹，只能機(jī)械地按實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，在不了解實(shí)驗(yàn)原理的情況下操作不容易損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使實(shí)驗(yàn)無法往下進(jìn)行。因此，為了提高電力電子技術(shù)的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)興趣，有必要研究和探索新的教學(xué)方法和模式。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)的快速發(fā)展，將仿真實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)是一種較好的教學(xué)模式。教師可以通過課程內(nèi)容精心設(shè)計(jì)好仿真模型，可以從多角度、多層次展示電力電子電路模型，演示電路的動(dòng)態(tài)工作過程，讓學(xué)生很直觀地看到電路的輸出結(jié)果，促使學(xué)生更形象地消化吸收所學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。Simulink是內(nèi)嵌于MATLAB軟件之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，Simulink可以用框圖形式對電力電子控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，它提供了一些按功能分類的基本模塊，用戶可以調(diào)用所需的功能模塊，用“搭積木”的方式，將它們連接起來就可以建立控制系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行電路的仿真與分析。電路運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過示波器和虛擬儀表曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，這和實(shí)驗(yàn)室中用示波器觀察的效果幾乎一致。教師在課堂上對電路模型進(jìn)行講解和演示后，學(xué)生還可以在課后不斷修改和拓展系統(tǒng)的控制功能，不斷加深對所學(xué)知識的驗(yàn)證和延伸。

一、基于Simulink仿真模型的設(shè)計(jì)

筆者在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中，利用Simulink軟件建立了與相關(guān)知識配套的多個(gè)仿真模型，在課堂教學(xué)中邊講解邊仿真驗(yàn)證。學(xué)生可以通過仿真模型的運(yùn)行，直觀地了解和熟悉電路原理、工作過程、結(jié)果波形、參數(shù)改變對結(jié)果影響等，教師通過形象的仿真實(shí)驗(yàn)既激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、驗(yàn)證了電路的電壓/電流暫態(tài)過程和變化規(guī)律，又培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)研究的方法。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)做實(shí)驗(yàn)將變得更加得心應(yīng)手，提高了實(shí)驗(yàn)效率，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的效果。下面以應(yīng)用最廣泛的三相全橋逆變電路的PWM控制為例介紹仿真模型的設(shè)計(jì)。

三相全橋電壓型逆變電路，以6只開關(guān)器件IGBT構(gòu)成三相逆變橋，接電阻/電感性負(fù)載。課程內(nèi)容首先要讓學(xué)生掌握逆變電路的DC/AC變換過程，分析輸出三相相電壓、線電壓的波形等。IGBT采用180°導(dǎo)電方式，即每個(gè)器件每周期導(dǎo)通180°，交流輸出電壓各相電角度互差120°，導(dǎo)電方式，即每個(gè)器件每周期導(dǎo)通180°，交流輸出電壓各相電角度互差VT1-2-3，VT2-3-4，VT3-4-5，VT4-5-6，VT5-6-1，VT6-1-2（VTx為IGBT的編號），每個(gè)工作狀態(tài)持續(xù)60°。

根據(jù)三相電壓型逆變電路，采用正弦波脈寬調(diào)制控制（SPWM），用Simulink搭建的仿真模型如圖1所示。

模型的搭建過程及各種參數(shù)設(shè)置如下：在Electrical Sources模塊庫中選擇直流電源模塊（DC Voltage Source），電壓幅值設(shè)置為250V；在Power Electronies模塊庫中選擇通用多功能橋式電路（Universal Bridge）作為三相逆變橋，開關(guān)器件選擇IGBT，并聯(lián)二極管反；在Elements模塊庫中選擇Series RLC Branch，設(shè)置RLC支路為電阻/電感負(fù)載，R=2Ω和L=1mH，將RL負(fù)載的測量項(xiàng)選擇測量電壓和電流，以便用萬用表模塊（Multimeter）來測量負(fù)載的電壓和電流；在Measurements模塊庫中選擇萬用表模塊（Multimeter），萬用表模塊中選擇測量輸出分別為三相負(fù)載的A相相電壓/電流，線電壓uab由電壓表測量得到；在Simulink/Sinks模型庫中選擇示波器模塊（Scope）用來顯示逆變電路輸出的電壓/電流波形。

二、SPWM控制子系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生對PWM控制技術(shù)有更加深入的理解，不采用Simulink模型庫里面已有的PWM控制模塊，通過對SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）調(diào)制技術(shù)的講解，帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場設(shè)計(jì)SPWM控制模型，當(dāng)然這需要教師對PWM控制和仿真模型的建立具有較高水平。建立的SPWM控制子系統(tǒng)如圖2所示。

SPWM控制脈沖采用調(diào)制法產(chǎn)生，由載波頻率fc=1650kHz的三角波與三相正弦波進(jìn)行調(diào)制得到三相PWM脈沖波，再進(jìn)行分相得到A+、A-、B+、B-、C+、C-六路PWM脈沖輸出。三相正弦波生成公式為：

，f0=50Hz

（1）

其中，M=0-1為調(diào)制比，當(dāng)改變M時(shí)，三相正弦波的幅值和頻率都將發(fā)生改變，并且保持M/f為恒定值，這就是當(dāng)逆變電路的負(fù)載為交流異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，采用的變壓變頻（VVVF）控制。圖2中的右上部分即為產(chǎn)生三相正弦波所用模塊和連接。

三角載波的產(chǎn)生如圖2中的右下部分。將時(shí)間t除以載波周期Tc=1/fc，用求余函數(shù)得到頻率為fc的鋸齒波Fsam。

（2）

鋸齒波Fsam最后經(jīng)過查表函數(shù)（look-up table）后輸出頻率為fc的三角波，查表函數(shù)輸入量參數(shù)設(shè)置為：[0，0.25，0.5，0.75，1]/1650，對應(yīng)的輸出量參數(shù)設(shè)置為[0，1，0，-1，0]。三角波與正弦波的調(diào)制由求和模塊（sum）來完成，求和模塊輸出的三相調(diào)制波，經(jīng)過滯環(huán)比較器（delay）整形和分相后輸出六相PWM脈沖波作為逆變電路中6只IGBT的控制脈沖。

三、教學(xué)內(nèi)容的仿真驗(yàn)證和仿真實(shí)驗(yàn)的拓展

三相逆變電路的控制模型建立以后，就可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行課程內(nèi)容的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，將各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程用示波器形象地展示出來，與課本的內(nèi)容進(jìn)行比較。首先，讓逆變電路帶三相對稱RL負(fù)載，設(shè)置M=0.9，用示波器觀測逆變電路的輸出線電壓uab、相電壓ua、相電流ia的波形如圖3所示。線電壓uab為經(jīng)過PWM調(diào)制的矩形波，波形寬度為120°，幅值為±Udc，相電壓ua為正負(fù)對稱階梯波，幅值為±1/3Udc、±2/3Udc，和理論分析完成一致。電流波形ia由于有負(fù)載電感的濾波作用，輸出為正弦波，但含有一定的高次諧波。當(dāng)改變M=0.5時(shí)，逆變電路輸出電流的頻率也相應(yīng)改變?yōu)?5Hz。

其次讓逆變電路帶三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置為：額定功率7.5kW，額定電壓380Vrms，額定頻率50Hz，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm設(shè)為10N.m。設(shè)置調(diào)制比M初始值為0.6，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)1.5s后階躍上升到0.9，用示波器觀測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況，用圖形顯示儀（XY Graph）觀測定子磁通運(yùn)行軌跡。

仿真結(jié)果如圖4所示，仿真波形依次為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)n，定子a相啟動(dòng)電流ia，定子磁通軌跡。當(dāng)M=0.6時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的上升，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流ia隨轉(zhuǎn)速的上升而下降。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到t=1s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，在t=1.5s時(shí)，M改變?yōu)?.9，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又開始加速上升，電流ia相應(yīng)增加。定子磁通軌跡為標(biāo)準(zhǔn)的磁通圓，電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，磁通軌跡位于圓心。隨著轉(zhuǎn)速的上升，磁通圓的半徑也越來越大，最后趨于穩(wěn)定。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析完全一致，使學(xué)生不僅非常清晰地掌握了逆變電路的工作過程和SPWM的控制方法，而且通過進(jìn)一步的拓展讓學(xué)生形象地了解感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的SPWM變頻調(diào)速控制技術(shù)。學(xué)生還可以自己設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)模型，根據(jù)自己的思路加以驗(yàn)證，進(jìn)一步拓展所學(xué)的課程學(xué)習(xí)，鍛煉分析研究能力。

四、結(jié)語

通過以上三相逆變電路的教學(xué)實(shí)例可以看出，通過Simulink

仿真平臺(tái)建立電力電子電路的仿真模型，分析電路及控制的工作原理和結(jié)果波形，不僅使課堂教學(xué)更加生動(dòng)形象，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生感覺抽象、模糊的電力電子電路理論變得清晰和容易理解。而且在建立模型的過程中，方案設(shè)計(jì)和排除錯(cuò)誤對學(xué)生也是一種創(chuàng)新思維的鍛煉。因此，將仿真技術(shù)引入課堂，將理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，為電力電子技術(shù)課程的教學(xué)提供了一種新的模式。該教學(xué)模式已應(yīng)用到安徽理工大學(xué)電氣工程學(xué)院人才培養(yǎng)模式改革中，并取得了較好的教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：王意琴）