Matlab電氣仿真技術在電力電子教學改革中的應用

陳蘭嵐

摘要：電氣仿真技術是電力電子教學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仿真平臺上進行實驗，通過在SIMULINK中建立仿真模型，讓學生可以分析和比較不同參數設置情況下電路的輸入輸出特性。分析結果證明了Matlab仿真技術可以作為傳統課堂教學手段的有利補充和有效支撐。

關鍵詞：電力電子技術；MATLAB；SIMULINK；逆變電路；諧波分析

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

電力電子技術是電氣工程及其自動化專業的必修基礎課程，是一門實用性、工程性和綜合性很強的課程。它與電子技術、控制技術和電力技術緊密關聯，簡而言之就是使用電力電子器件對電能進行處理、變換和控制的技術。隨著新型電力電子器件、電路拓撲結構和控制理論的發展，電力電子技術得到了飛速發展，并廣泛應用于一般工業、軌道交通、電力系統、電子通訊、家電等各個領域[1]。

電力電子的教學不僅涉及相關理論的分析和計算，更注重對電路和波形的分析，在傳統教學中主要采用手工繪制電路和波形的教學方式，存在繪制工作量大、波形圖不夠精確、波形動態性不強、電路結構不易調整等問題，使得課堂的教學節奏受到一定限制，學生不容易理解電路的完整工作過程，難以達到理想的教學效果。近年來仿真技術是現代電子電路研究分析和設計的重要手段之一，雖然該課程配備了相應的實驗和實踐環節，但是如何在課堂有限的時間內形象地演示電路的工作過程，仿真環節起到了不可或缺的重要作用。其中MATLAB/SIMULINK作為一種計算機仿真技術，為電力電子課堂教學提供了很好的元件和模型庫，以及豐富的仿真例程，在課堂教學中有助于克服傳統授課方式的局限性，提升教學的效果[2][3]。

二、MATLAB與SIMULINK簡介

MATLAB名字來源于Matrix Laboratory，它是一種科學計算軟件，常用來解決科學與工程的實際問題。SIMULINK是在MATLAB所有產品的基礎之上形成的，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模型本身的結構和算法研究上。

此外還可以運用電力系統模型庫（SimPower Systems），其在電力控制系統的仿真中得到了廣泛的應用。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、電阻及變壓器等電氣元件；電機庫（Machine）為用戶提供了各種電機的模型；測量庫（Measurements）包括對電壓、電流、阻抗及其他一些參數的虛擬測量儀器；電力系統器件元件庫（Power Electronics）提供了晶閘管、二極管、開關等電子器件；應用庫（Application）為使用者提供了一些常用的應用系統；附加庫（Extra）包括了由其他電力系統器件搭建的模型以及一些常用模塊如信號發生器、頻譜分析、有功測量模塊等。

如果老師在課前應用MATLAB做好演示demo就可以在有限的教學時間中高效地演示和分析教學實例，相比于傳統板書的教學方式，應用MATLAB/SIMULINK可以更加自如地修改電路模型，調節參數，更加清晰地顯示波形，讓學生對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。

三、仿真實例

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

1.SPWM觸發模塊。采用三角載波調制法，為了生成每一相觸發信號，應用了兩個邏輯比較器Relational Operator來比較正弦調制波Ur與三角載波Uc的大小，當調制波信號Ur大于三角載波Uc時，輸出高電平；否則，輸出低電平。參數設置為：正弦調制波頻率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），選擇三個橋臂，器件選擇為IGBT/Diodes，加載直流電壓源。SPWM觸發信號輸入通用橋的g端口，通用橋會自動分配每一列信號給每一個開關器件，控制該器件的開閉。采用三相對稱阻感性負載，作星形連接，R=2Ω，L=0.01mH。為了減小負載相電壓波形的諧波失真，應用LC濾波電路，三相電容做星形連接并聯接入電路，電感則串聯接入電路，濾波電容設為0.3mF，濾波電感設為0.5mH。利用測量模塊和虛擬示波器來觀測電壓電流。

3.仿真結果。通過圖2的仿真可得到濾波前后三相阻感負載的相電壓波形，如圖3所示。通過powergui進一步分析，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，應用MATLAB/SIMULINK可以方便搭建電路的仿真模型，仿真結果與教材完全吻合。

四、結論

本文分析了傳統授課方式在電力電子技術教學中所存在的局限性，提出了在課堂上應用MATLAB/SIMULINK仿真技術，有助于教師調整好授課的節奏，減輕教師的工作量，在課堂有限時間內為學生更好地演示電路的工作過程，幫助學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建和使用。仿真結果驗證了該方法的有效性和優越性。由于MATLAB提供的豐富例程幾乎涵蓋了電氣工程的所有專業課程，所以電氣仿真技術在電氣專業的教學中具有普適性。筆者在近年來的教學過程中運用該方法已經取得了良好的教學反饋。

參考文獻：

[1]王兆安.電力電子技術[M].第5版.北京：機械工業出版社，2009.

[2]洪乃剛.電力電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2008.

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