Matlab電氣仿真技術(shù)在電力電子教學(xué)改革中的應(yīng)用

陳蘭嵐

摘要：電氣仿真技術(shù)是電力電子教學(xué)過程中重要的演示分析手段之一，本文以三相SPWM電壓型逆變器為例，在MATLAB仿真平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過在SIMULINK中建立仿真模型，讓學(xué)生可以分析和比較不同參數(shù)設(shè)置情況下電路的輸入輸出特性。分析結(jié)果證明了Matlab仿真技術(shù)可以作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段的有利補(bǔ)充和有效支撐。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；MATLAB；SIMULINK；逆變電路；諧波分析

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）38-0082-02 一、引言

電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，是一門實(shí)用性、工程性和綜合性很強(qiáng)的課程。它與電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)而言之就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行處理、變換和控制的技術(shù)。隨著新型電力電子器件、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制理論的發(fā)展，電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、軌道交通、電力系統(tǒng)、電子通訊、家電等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

電力電子的教學(xué)不僅涉及相關(guān)理論的分析和計(jì)算，更注重對(duì)電路和波形的分析，在傳統(tǒng)教學(xué)中主要采用手工繪制電路和波形的教學(xué)方式，存在繪制工作量大、波形圖不夠精確、波形動(dòng)態(tài)性不強(qiáng)、電路結(jié)構(gòu)不易調(diào)整等問題，使得課堂的教學(xué)節(jié)奏受到一定限制，學(xué)生不容易理解電路的完整工作過程，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。近年來仿真技術(shù)是現(xiàn)代電子電路研究分析和設(shè)計(jì)的重要手段之一，雖然該課程配備了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，但是如何在課堂有限的時(shí)間內(nèi)形象地演示電路的工作過程，仿真環(huán)節(jié)起到了不可或缺的重要作用。其中MATLAB/SIMULINK作為一種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，為電力電子課堂教學(xué)提供了很好的元件和模型庫，以及豐富的仿真例程，在課堂教學(xué)中有助于克服傳統(tǒng)授課方式的局限性，提升教學(xué)的效果[2][3]。

二、MATLAB與SIMULINK簡(jiǎn)介

MATLAB名字來源于Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，常用來解決科學(xué)與工程的實(shí)際問題。SIMULINK是在MATLAB所有產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上形成的，是MATLAB的重要組件之一，SIMULINK的模塊庫提供了很多的基本模塊，目的是讓用戶能夠把更多的精力投入到系統(tǒng)模型本身的結(jié)構(gòu)和算法研究上。

此外還可以運(yùn)用電力系統(tǒng)模型庫（SimPower Systems），其在電力控制系統(tǒng)的仿真中得到了廣泛的應(yīng)用。SimPower Systems的元件庫主要由Electrical Sources、Elements、Machine、Measurements、Power Electronics、Application、Extra七部分組成，如圖1所示。其中電源庫（Electrical Sources）提供交/直流電壓/電流源、受控電流及電壓源等電氣元件；元件庫（Elements）為使用者提供了電源、電機(jī)、電阻及變壓器等電氣元件；電機(jī)庫（Machine）為用戶提供了各種電機(jī)的模型；測(cè)量庫（Measurements）包括對(duì)電壓、電流、阻抗及其他一些參數(shù)的虛擬測(cè)量?jī)x器；電力系統(tǒng)器件元件庫（Power Electronics）提供了晶閘管、二極管、開關(guān)等電子器件；應(yīng)用庫（Application）為使用者提供了一些常用的應(yīng)用系統(tǒng)；附加庫（Extra）包括了由其他電力系統(tǒng)器件搭建的模型以及一些常用模塊如信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析、有功測(cè)量模塊等。

如果老師在課前應(yīng)用MATLAB做好演示demo就可以在有限的教學(xué)時(shí)間中高效地演示和分析教學(xué)實(shí)例，相比于傳統(tǒng)板書的教學(xué)方式，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK可以更加自如地修改電路模型，調(diào)節(jié)參數(shù)，更加清晰地顯示波形，讓學(xué)生對(duì)于電路的工作過程了解得更加直觀，也讓教師的授課更加高效和生動(dòng)。

三、仿真實(shí)例

本文以三相SPWM電壓型逆變器為例來介紹仿真模型的構(gòu)建和使用，如圖2所示，主要應(yīng)用SIMULINK和SimPowerSystems進(jìn)行逆變器的建模仿真與波形分析，并使用powergui中的FFT對(duì)電路的輸出波形進(jìn)行諧波分析。

1.SPWM觸發(fā)模塊。采用三角載波調(diào)制法，為了生成每一相觸發(fā)信號(hào)，應(yīng)用了兩個(gè)邏輯比較器Relational Operator來比較正弦調(diào)制波Ur與三角載波Uc的大小，當(dāng)調(diào)制波信號(hào)Ur大于三角載波Uc時(shí)，輸出高電平；否則，輸出低電平。參數(shù)設(shè)置為：正弦調(diào)制波頻率50Hz，幅值0.8V；三角載波頻率3000Hz，幅值1V。

2.主電路模塊。采用通用橋模塊（Universal Bridge），選擇三個(gè)橋臂，器件選擇為IGBT/Diodes，加載直流電壓源。SPWM觸發(fā)信號(hào)輸入通用橋的g端口，通用橋會(huì)自動(dòng)分配每一列信號(hào)給每一個(gè)開關(guān)器件，控制該器件的開閉。采用三相對(duì)稱阻感性負(fù)載，作星形連接，R=2Ω，L=0.01mH。為了減小負(fù)載相電壓波形的諧波失真，應(yīng)用LC濾波電路，三相電容做星形連接并聯(lián)接入電路，電感則串聯(lián)接入電路，濾波電容設(shè)為0.3mF，濾波電感設(shè)為0.5mH。利用測(cè)量模塊和虛擬示波器來觀測(cè)電壓電流。

3.仿真結(jié)果。通過圖2的仿真可得到濾波前后三相阻感負(fù)載的相電壓波形，如圖3所示。通過powergui進(jìn)一步分析，濾波后的總諧波失真（THD）由90.95%降到了11.00%，諧波得到了很好的抑制，而基波電壓變化很小。

通過以上分析可見，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK可以方便搭建電路的仿真模型，仿真結(jié)果與教材完全吻合。

四、結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)授課方式在電力電子技術(shù)教學(xué)中所存在的局限性，提出了在課堂上應(yīng)用MATLAB/SIMULINK仿真技術(shù)，有助于教師調(diào)整好授課的節(jié)奏，減輕教師的工作量，在課堂有限時(shí)間內(nèi)為學(xué)生更好地演示電路的工作過程，幫助學(xué)生理解不同條件下電路的工作狀況。文中介紹了MATLAB/SIMULINK以及SimPower Systems所能提供的豐富資源，并以三相SPWM電壓型逆變器為例來介紹仿真模型的構(gòu)建和使用。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和優(yōu)越性。由于MATLAB提供的豐富例程幾乎涵蓋了電氣工程的所有專業(yè)課程，所以電氣仿真技術(shù)在電氣專業(yè)的教學(xué)中具有普適性。筆者在近年來的教學(xué)過程中運(yùn)用該方法已經(jīng)取得了良好的教學(xué)反饋。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]洪乃剛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]陸朱衛(wèi)，吳馥云.MATLAB在電力電子課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2016，（4）：194-195.