《電力電子技術(shù)》課程中SPWM逆變電路的仿真教學(xué)研究

陳杰金　霍覽宇

摘要：電力電子技術(shù)課程是實(shí)用性很強(qiáng)的一門課程，但是在教學(xué)中對(duì)于理論性比較強(qiáng)的內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)理解起來就有一定的難道，本文以SPWM單相逆變電路為例，采用MATLAB/SIMULINK強(qiáng)大的仿真功能進(jìn)行建模仿真，使教學(xué)過程更直觀，仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果的一致，驗(yàn)證了基于MATLAB的電力電子系統(tǒng)建模和仿真的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：仿真教學(xué)電力電子技術(shù) SPWM 逆變電路

【分類號(hào)】TM464

一、 引言

電力電子技術(shù)綜合了電子電路、電機(jī)拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科知識(shí)，是實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的一門課程。自身的開關(guān)非線性是電力電子器件的特點(diǎn)，也給在分析電力電子電路的過程中帶來了一定的復(fù)雜性和困難，一般都是采用波形分析的方法來研究。仿真技術(shù)為電力電子電路的分析提供了嶄新的方法，以SPWM單相逆變電路為例，研究采用MATLAB/SIMULINK仿真教學(xué)。

二、逆變技術(shù)概述

逆變技術(shù)（DC/AC）是電力電子技術(shù)的重要組成部分，是在電力電子技術(shù)中最主要、最核心的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于不間斷電源（UPS）、各種逆變電源、變頻電源、開關(guān)電源、交流穩(wěn)壓電源、光伏逆變、交流電機(jī)調(diào)速、電動(dòng)汽車、電氣火車等場(chǎng)合。逆變器的主電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，大容量正弦波輸出的逆變電源因其電壓電流一般都比較大，因此多采用IGBT作為它的開關(guān)器件，IGBT是自關(guān)斷器件，用它做開關(guān)元件構(gòu)成的SPWM逆變器，可使裝置的體積小，斬波頻率高，控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、成本低。

三、 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)

SPWM逆變器，簡(jiǎn)單的說，是控制逆變器開關(guān)器件的通斷順序和時(shí)間規(guī)律，使變換器輸出獲得等幅、寬度可調(diào)的矩形波。在實(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波和三角波相交點(diǎn)得到一組等幅矩形脈沖，其寬度按正弦規(guī)律變化，再用這組矩形脈沖作為逆變器各開關(guān)器件的控制信號(hào)，則在變換器輸出端可以獲得一組矩形脈沖，其幅值為逆變器直流側(cè)電壓，而脈沖寬度按正弦規(guī)律變化和正弦波等效。SPWM主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.由逆變器統(tǒng)一完成調(diào)頻、調(diào)壓，可以簡(jiǎn)化主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置體積小、重量輕、造價(jià)低、可靠性高。

2.直流電壓可由二極管整流得到，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)與逆變器輸出電壓大小和頻率無關(guān)，接近于1。

3.輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。

4.輸出電壓接近正弦波，可以減少諧波分量。

四、 逆變器電路設(shè)計(jì)

逆變器采用單相橋式電壓型逆變電路，負(fù)載為感性負(fù)載，給定為正弦波ur為調(diào)制波，載波uc為三角波，在正弦波的正半周期，三角波為正極性，在正弦波的負(fù)半周期，三角波為負(fù)極性，三角波ur與三角波uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。G1～G4為T1～T4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，工作時(shí)，通過對(duì)T1～T4管的合理通斷切換，使逆變電路輸出電壓為交變電壓，其中T1、T2的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，T3、T4的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，采用單極性SPWM的調(diào)制方式，其具體控制電路如圖1所示：

在ur的正半周，T1保持導(dǎo)通，即當(dāng)ur>uc時(shí)，使T4導(dǎo)通，輸出電壓Uo=Ud，當(dāng)uruc時(shí)，使T3關(guān)斷，如果負(fù)載電流較大，那么直到T3再一次導(dǎo)通前，VD4導(dǎo)通續(xù)流，Uo=0。像這種在ur的半個(gè)周期內(nèi)三角波只在一個(gè)方向上變化，所得到的輸出電壓PWM波形也只在一個(gè)方向上變化的控制方式為單極性PWM控制方式。

五、 SIMULINK工具介紹

SIMULINK是Mathworks公司開發(fā)的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模﹑仿真與分析，SIMULINK提供了大量的功能模塊以方便用戶快速地建立系統(tǒng)模型。建模時(shí)只需要使用鼠標(biāo)拖動(dòng)庫中的功能模塊并將它們連接起來，使用者可以通過將模塊組成字子系統(tǒng)來建立多級(jí)模型，仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時(shí)通過示波器或圖形窗口顯示。

六、 電路建模仿真

1.電路搭建

利用MATLAB的SIMULINK對(duì)電路進(jìn)行建模，電路模型圖2所示：

2.參數(shù)設(shè)置

直流電壓參數(shù)設(shè)置：直流電壓為100V；

電阻的參數(shù)設(shè)置：電阻R1=1000Ω，R2=20Ω。

IGBT的參數(shù)設(shè)置：電阻為0.001，電感為le-6，正向電壓為1。

3.子系統(tǒng)的創(chuàng)建：子系統(tǒng)是完成一定功能或運(yùn)算的若干個(gè)模塊的組合，創(chuàng)建一個(gè)子系統(tǒng)必須首先明確子系統(tǒng)的功能、輸入和輸出參數(shù)。

（1）IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)子系統(tǒng)創(chuàng)建：雙擊上圖中SubSystem模塊，彈出一個(gè)子系統(tǒng)窗口，在該窗口內(nèi)編輯IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的SIMULINK模型，如下圖3所示：

Pulse的參數(shù)設(shè)置：周期0.1S，振幅1V，脈沖寬度50%。

（2）SPWM控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建：雙擊上圖中的SPWM模塊，在子系統(tǒng)窗口內(nèi)編輯SPWM發(fā)生電路控制器的SIMULINK模型，為了實(shí)現(xiàn)單極性控制方式選用了一個(gè)關(guān)系運(yùn)算模塊以實(shí)現(xiàn)與門輸出，如下圖4所示：

三角波的參數(shù)設(shè)置：時(shí)間值為【-0.3 0.3】，輸出值為【-2 2】

正弦波的參數(shù)設(shè)置：振幅為0.5，其他參數(shù)選擇默認(rèn)。

4.仿真結(jié)果

設(shè)置好各模塊參數(shù)后，單擊工具欄“Simulation”菜單下的“Start”命令進(jìn)行仿真，雙擊示波器模塊，得到仿真結(jié)果如下圖5所示：

七、 結(jié)束語

我們?cè)陔娏﹄娮蛹夹g(shù)課程的教學(xué)中引入了仿真，對(duì)于加深學(xué)生對(duì)這門課程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，學(xué)生的想法可以通過仿真來驗(yàn)證，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力很有意義，并且可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是本課程的重要組成部分，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件畢竟是有限的，也受到學(xué)時(shí)的限制。而仿真實(shí)訓(xùn)不受時(shí)間、空間和物質(zhì)條件的限制，學(xué)生可以在課外自行上機(jī)。仿真在促進(jìn)教學(xué)改革、加強(qiáng)學(xué)生能力培養(yǎng)方面起到了積極的推動(dòng)作用。

八、 參考文獻(xiàn)

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