MATLAB在电力电子技术教学中的应用

刘丽萱 张萍 钱步仁 魏学良

［摘要］本文介绍了MATLAB在电力电子技术教学中的应用，并给出了三相电压型SPWM逆变电路仿真实例。引入MATLAB仿真技术作为课堂教学的辅助手段，对电力电子电路进行交互式动态波形分析、谐波分析及电量计算，结果直观、形象，有助于学生理解抽象的理论知识，提高学生学习的兴趣和主动性，改善教学效果，提高教学质量。

［关键词］电力电子技术教学 MATLAB/SIMULINK SPWM逆变电路仿真

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）12-0109-03

电力电子技术课程主要研究各种电力半导体器件及其组成的各种变流装置的工作原理及应用，主要涉及整流、逆变、直流斩波、交-交变换等电能变换及PWM控制和软开关技术等内容。在该课程的教学中，需要对相关电路进行波形分析及电量计算，不仅需要画出大量的电压、电流信号波形图，而且需要作相关电量的数学公式推导及谐波分析。在传统教学中主要采用PPT动画及课堂板书等教学方式，存在着波形绘制工作量大、所画波形不规范、电路的工作过程及波形的动态变化表现不足、交互性差、理论分析及公式推导繁琐抽象等问题，使得授课课时紧张，课堂教学信息量不够大，授课方式单调枯燥，学生容易产生疲倦感，难于达到理想的教学效果。在课堂教学中引入MATLAB计算机仿真技术作为传统课堂教学手段的补充，有助于克服传统课堂教学的缺点，提高学生的学习兴趣，提高教学质量。本文以三相电压型SPWM逆变电路为例，介绍了MATLAB/SIMULINK在电力电子技术教学中的应用，建立了相应的仿真电路模型并给出了相关的仿真波形。

一、MATLAB/SIMULINK介绍

MATLAB是由美国mathworks公司发布的商业数学软件，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等功能集成在一个视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。利用其中的SIMULINK软件包提供的图形化交互环境，可快速建立电力电子电路的仿真模型，利用MATLAB提供的各种数学计算及功能分析工具，可方便地对电路进行波形分析及数值计算，并可调用丰富的测量仪器工具对相应电压、电流进行波形观测及数值读取。

在建立电力电子电路仿真模型时主要用到了SIMULINK软件包中的以下模块库：电力系统模型库（SimPower Systems）中的电源模块库（Electrical Sources）、电器元件模块库（Elements）、电力电子元件模块库（Power Electronics）、测量仪器模块库（Measurements）、其他电器模块库（Extra library）等子模块库，以及Simulink模型库中的仪器仪表库（Sinks）、连接模块库（Connectors）等子模块库。建立电路仿真模型时，不用书写任何代码，只要使用鼠标调出相应的元器件功能模型并将它们连接起来，设置好各元器件的模型参数，即可对电路进行动态仿真。

二、基于MATLAB的三相电压型SPWM逆变电路仿真

三相电压型SPWM逆变电路结构广泛用于通用变频器中，其作用是通过控制开关功率器件的通断将直流电逆变为SPWM交流电。该部分教学内容是电力电子技术课程的重要知识点。在教学中不仅要分析电路的工作原理，而且还涉及电压和电流的波形分析和数值计算。尤其在作输出电压的谐波分析时，需要推导繁杂的公式，教学内容复杂、抽象、枯燥且不易理解。利用MATLAB/SIMULINK建立三相电压型SPWM逆变电路仿真模型，可借助MATLAB强大的波形分析及数值计算功能对SPWM逆变电路进行动态分析，作为传统课堂教学的辅助手段，提高教学效率和教学质量。

（一）建立仿真模型

打开MATLAB/SIMULINK仿真平台，从电力系统SimPower Systems模型库中选取直流电源模块、多功能桥（Universal Bridge）模块、PWM脉冲发生器（PWM Generator）模块及三相RLC串联负载模块，将以上电路元器件模块按三相电压型SPWM逆变的原理连接起来组成仿真电路。从测量仪器（Measurements）模块库中调用多路测量仪（Multimeter）,配合仪器仪表（Sinks）库中的Scope示波器，可同时观察多个节点及支路的电压电流波形。从其他电气模块库（Extra Library）中调用傅里叶分析（Fourier）模块以便对输出电压信号ua进行谐波分析，调用有效值测量（RMS）模块对输出电压ua进行有效值计算，并用数字显示器Display将分析计算结果显示出来。最终建立的三相电压型SPWM逆变电路仿真模型示于图1中。

（二）设置模块参数

双击仿真电路中的相应模块，对逆变电路元器件进行参数设置。

1.直流电压源Us:电压为100V，测量项Measurements选择Voltage，以便电压数据可通过多路测量仪Multimeter观察。

2.逆变桥（Universal Bridge）模块：桥臂数选3，吸收电阻Rs=1e5（Ohms），吸收电容Cs=inf（F），功率器件选择：IGBT/Diodes，导通电阻Ron=1e-3（Ohms）。

3.三相RLC串联负载模块：电阻R=1（Ohms），电感L=0.001（H），测量项Measurements选择Branch voltages and currents，以便数据可通过多路测量仪Multimeter观察。

4.PWM脉冲发生器（PWM Generator）模块：采用内部产生正弦调制波方式，发生器模式选择6 pulses，载波频率为3000Hz，调制度为0.7，输出电压频率为50Hz，输出电压相角为0o。

5.傅里叶分析（Fourier）模块：基波频率设置为50Hz，利用Fourier模块分析基波的幅值magnitude-1及基波的相位angle-1。利用Fourier1模块分析3次谐波的幅值magnitude-3及相位angle-3。分析结果用数字显示器显示。

6.有效值测量（RMS）模块：基波频率设置为50Hz，分析结果用数字显示器显示。

三、电路仿真及结果分析

第一，选择菜单simulation/parameters对仿真参数进行设置：仿真开始时间设为0，终止时间设为0.045，选用变步长ode23t算法，计算精度为0.001。

第二，选择菜单simulation/start开始仿真。通过示波器Scope可观察到三相输出SPWM电压ua、ub、uc波形及三相输出电流ia、ib、ic的波形。仿真结果示于图2中。

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图2 三相输出SPWM电压及三相输出电流波形

在图2中示出了三相输出SPWM电压ua、ub、uc的波形及三相输出电流ia、ib及ic的波形，仿真结果与理论分析结果基本一致。在程序的运行过程中，学生可观察到仿真波形的动态产生过程，通过观察波形，加深学生对三相对称电压及电流的幅值及其相位关系的理解。利用MATLAB提供的工具，可定向放大局部波形，加强学生对SPWM波的多电平波形的感性认识，三相输出SPWM电压、电流局部放大波形示于图3中。

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图3三相输出SPWM电压、电流局部放大波形

利用傅里叶分析（Fourier）模块对SPWM电压ua作基波和3次谐波的幅值及相角计算，结果示于图4，图4中还示出了ua的RMS有效值计算结果，仿真结果与理论计算结果基本一致。改变设置参数，可观察到其他任意次谐波的幅值和相位的计算结果。

通过该例可以看出，在课堂教学中，利用MATLAB/SIMULINK对电路进行动态交互式分析，分析结果直观、形象，通过改变模块参数可轻易实现对不同电量的分析和波形观察，有助于理解教学中抽象的理论知识，可作为教学的辅助手段，引起学生的学习兴趣，提高课程教学质量。

四、结论

本文以三相电压型SPWM逆变电路为例，介绍了将MATLAB/SIMULINK计算机仿真技术应用到电力电子技术教学中，作为课堂教学的辅助手段，对电力电子电路进行交互式动态波形分析、谐波分析及电量计算，分析结果直观、形象，并可通过改变模块参数轻易实现对不同电量的分析和波形观察，有助于学生理解抽象的理论分析，提高学生学习的兴趣和主动性，改善教学效果，提高教学质量。

［参考文献］

［1］王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［2］王晓刚，王佳庆.Matlab/Simulink在电力电子交互式教学中的应用［J］.电气电子教学学报，2004，26（5）.

［3］荣军，万军华，陈曦.计算机仿真技术在电力电子技术课堂教学难点中的应用［J］.实验技术与管理，2012，29（8）.

［4］洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［5］黄忠霖，黄京.电力电子技术的MATLAB实践［M］.北京:国防工业出版，2009.

［责任编辑：左芸］