基于MATLAB的“电力电子技术”课程仿真教学研究

陈杰金++郭稳涛

摘要：针对电力电子技术课程教学中的理论性比较强的内容，学生学习理解起来难度大的问题，本文以单相SPWM逆变电源为例进行仿真研究，采用MATLAB/SIMULINK强大的仿真功能进行建模仿真，使教学过程更直观形象，仿真结果和理论分析结果的一致，验证了基于MATLAB的电力电子系统建模和仿真的实用性。

关键词：仿真教学 SPWM 逆变电源

【中图分类号】TM1-4；G434

一、引言

电源设备广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及人民生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础， 在国民经济各个部门中都是相关的，应用最为广泛的是在工农业生产中。可以说，一切领域都要用到电源设备，凡是涉及电子和电工技术的。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DC/AC的功能变换，即在逆变电路的控制下把直流电源转换成SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。采用IGBT作为开关器件，IGBT是自关断器件，用它做开关元件构成的SPWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频率高，控制灵活、调节性能好、成本低。SPWM逆变器，简单的说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间规律，在逆变器输出等幅、宽度可调的矩形波。

二、逆变电源概述

和逆变电源的发展联系在一起的是电力电子器件的发展，逆变电源的发展是电力电子器件的发展带动的。目前逆变器的核心部分就是逆变器和其控制部分，虽然在控制方法上已经趋于成熟，但是其控制方法实现起来还是有一定的困难。因此，对逆变电源的控制和逆变器进行深入研究具有很大的现实意义。早期的逆变电源，只需要保证其输出不断电，稳压、稳频即可。然而，现在的逆变电源除了这些要求以外，还必须是绿色环保的、高性能的逆变电源。必须满足：输入功率因数高，输出阻抗低；暂态响应快速，稳态精度高；高稳定性，高效率，高可靠性；网络功能完善；智能化；电磁干扰低。在传统的逆变电源中采用模拟电路控制，但模拟控制存在许多固有的缺点：

（1）采用大量分散元件和电路板，硬件成本偏高，系统可靠性下降；

（2）人工调试器件，导致生产效率降低及控制系统一致性差；

（3）器件老化及热漂移问题，导致逆变电源输出性能下降，甚至导致输出失败；

三、 SPWM调制技术

SPWM是实现逆变器输出交流电压调节、减小输出电压谐波的一种控制方法。利用SPWM

控制构成的逆变器调节性能好，速度快，可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能，输出电压波形接近正弦波。SPWM逆变器具有以下主要特点：

（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受直流环节滤波器参数的影响。

（2）可获得正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。

（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。

四、IGBT介绍

选用IGBT作为逆变器的功率开关器件， IGBT是一种复合型功率开关器件，它既有单极型电压驱动的MOSOFT的优点，又结合了双极型开关器件BJT耐高压，电流大的优点。其开关速度显然比功率MOSFET低，但远高于BJT，又因为它是电压控制器件，故控制电路简单、稳定性好。IGBT的最高电压为1200V，最大电流为1000A，工作频率高达1000kHz。它具有电压控制和开关时间（约为300ns）极短的优点。

五、逆变器控制电路

逆变器采用单相桥式电压型逆变电路，负载为感性负载，给定为正弦波ur为调制波，载波uc为三角波，正弦波ur与三角波uc的交点时刻控制各开关器件的通断。工作时，通过对T1～T4管的合理通断切换，使逆变电路输出电压为交变电压，其中T1、T2的通断状态互补，T3、T4的通断状态互补。采用双极性控制方式时，在正弦波ur的正、负半周期内，ur与三角波uc的交点时刻控制各开关器件的通断。即当ur>uc时，给T1、T4以通信号，给T2、T3以关断信号，引时如果负载电流io>0，则T1、T4导通。如io<0，则VD1、VD4导通，但不管哪种情况，都是输出电压Uo=Ud。当Ur0，则VD2和VD3导通，但不管哪种情况都是uo=-Ud。其具体控制电路如图1所示：

逆变器的输出电压为SPWM波形时，其低次谐波将得到很好的抑制和消除，高次谐波又

能很容易滤去，从而可获得比较理想的正弦波输出电压。

六、逆变电路仿真建模

利用MATLAB软件的SIMULINK工具对电路进行建模，电路模型图如下图2所示：

交流电压参数设置：交流电压峰值为100V，频率为60Hz。

电阻R1的参数设置：电阻R1=1000Ω，L=0H，C=inf。

电阻R2的参数设置：R2=20Ω，L=0H，C=inf。

IGBT的参数设置：Rn=0.001Ω，Lon=0H，Uf=0.8，Rs=10Ω，Cs=250e-6F。

电容C的参数设置：R=0Ω，L=0H，C=100?F。

电容C1 的参数设置：R=0Ω，L=0H，C=10?F。

电感L的参数设置：R=0Ω，L=1H，C=inf。

普通桥的参数设置：Number of bridge arms为2，Power Electronic device为Diodes。

1、SPWM控制器子系统创建：双击上图中的SPWM模块，在子系统窗口内编辑SPWM发生电路控制器的SIMULINK模型，如下图3所示：

选用了一个关系运算模块以实现与门输出

三角波的参数设置：时间值为【-0.3 0.3】，输出值为【-2 2】

正弦波的参数设置：振幅为0.5

2、仿真结果

设置好各模块参数后，单击工具栏“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真，双击示波器模块，得到仿真结果如下图4所示：

七、结束语

在电力电子技术课程的逆变电源教学研究中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来进行验证，学生对理论的理解就会更深刻，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生学习的积极性。而仿真教学不受时间、空间和实训条件的限制，学生可以在课外自行仿真练习。仿真在促进教学改革、加强学生软件操作能力方面起到了积极的推动作用。

【基金】 湖南省教育厅职业院校教育教学改革研究项目（编号：ZJB2012023）

八、参考文献

[1]. 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].电子工业出版社，北京，2006年2月

[2]. 王云亮.電力电子技术[M].电子工业出版社，北京，2004年8月

[3]. 李雅轩.电力电子技术[M].中国电力出版社，北京，2007年3月

[4].王兆安，黄俊.电力电子技术（第4版）[M].机械工业出版社，2000

[5].陈杰.MATLAB宝典[M].电子工业出版社，北京，2007