電力電子技術仿真教學實驗探索

楊延菊 任曉霞

摘 要：本文將MATLAB/Simulink仿真軟件引入到“電力電子技術”課程的教學和實驗過程中，并以單相橋式逆變電路為例，建立仿真模型并對其進行分析。實踐表明，在教學和實驗中利用MATLAB仿真軟件，能很大程度提高學生學習的積極性，以達到良好的教學目的。

關鍵詞：逆變電路；MATLAB；電力電子技術

中圖分類號：TM1-4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）08-0042-03

Abstract：In this paper，MATLAB/Simulink simulation software is introduced into the teaching and experiment process of the Power Electronic Technology. And taking the single-phase bridge inverter circuit as an example，the simulation model is established and analyzed. The practice shows that the using of MATLAB simulation software in teaching and experiment can greatly improve the learning enthusiasm of students to achieve a good teaching purpose.

Keywords：inverter circuit；MATLAB；power electronic technology

0 引 言

“電力電子技術”是以電力電子器件和四大變流技術為基礎，是高等院校中電氣類專業最重要的專業基礎課程之一。普通高校的教學內容主要涉及48理論學時的常用電力電子器件的基本結構、原理分析和選型的應用、四大變流電路的特性分析和應用，以及16個學時常規的應用驗證性實驗。[1]理論課程內容較繁多，而且針對變流電路都是波形分析，雖然教師上課借助多媒體，不用現場繪制波形，而且課前教師已經將相關內容和要分析的波形制成PPT，但是學生看到的還是靜態的波形，就算教師可以將波形做成動畫，學生還是不是很了解電路的動態過程，因此，學生學習的積極性不強，感覺教學內容還是比較繁重、抽象。

同時“電力電子技術”還是一門具有很強實踐性的學科，只有加強實踐操作環節才能使得學生真正掌握其內容以及應用于其他相關專業課程。但是，傳統實驗教學還存在一定的問題，實驗電路均是封閉的，往往都是采用試驗箱或者是掛件結構，學生僅僅是按照實驗指導書或者是在老師的講解下連線，記錄實驗結果，這實驗的整個過程對于實驗的內部電路結構不是很了解，而且參數更改不方便，達不到教學的預期目的。另外，采用的實驗設備隨著時間的變遷，出現老化現象，盡管設備有保護環節，但是實驗過程中還是會由于接線錯誤而造成設備損壞，尤其是三相變流電路實驗更是容易出現問題，如果其中一相接錯線或者是接觸不良，就會出現實驗結果與理論計算值不相符的現象。總之，實驗設備易壞，維修耗費大。如果采用仿真軟件就不會出現這些問題，同時還方便更改其中參數，可以記錄不同參數對應的電路動態響應，便于學生理解電路的工作原理，激發學生學習的積極性。

計算機仿真已成為“電力電子技術”的熱點輔助教學軟件，MATLAB中的Simulink仿真環境擁有豐富的建模資源、設計界面直觀、輸出結果形式多樣化以及模型參數更改方便等優點，目前，國內外很多高校利用MATLAB仿真軟件輔助“電力電子技術”的教學和實驗研究。[2-4]本文選擇以電力電子變流技術中的典型電路逆變電路為例，進行討論分析。

1 仿真實例

本文選擇以電力電子變流技術中的典型電路單相電壓型逆變電路為例，介紹仿真系統的搭建、模型參數的設置以及仿真過程。逆變電路應用非常廣泛。一方面，各種電源中的蓄電池、干電池、太陽能電池等等均為直流電源，當向交流負載供電時，就需要采用直流變交流環節，即逆變電路。另一方面，交流電動機調速廣泛使用變頻器等電力電子裝置。

本文以單相全橋電壓型逆變電路為例進行分析，它的原理如圖1所示，它有四個橋臂，每個橋臂由一個可控器件IGBT和一個反并聯二極管組成，在直流側并聯一個足夠大的電容。把橋臂1和橋臂4作為一對，器件同時導通，橋臂2和橋臂3作為另一對，這一對器件同時導通，搭建的仿真電路圖如圖2所示。

1.1 仿真系統的組成部分

單相全橋逆變電路由直流電源Ud、全控型器件IGBT、續流二極管Diode、電感L和負載電阻R構成。在MATLAB的Simulink環境中，通過Simulink Library Browser找到對應器件模塊，將其直接拖至建立的模型窗口內，按照單相全橋逆變電路的原理圖進行連續，建立的整個系統如圖2所示。其中V1～V4分別是四個橋臂中的可控器件IGBT，與其對應反并聯的二極管分別是VD1～ VD4，另外Pluse 14是可控器件V1、V4的驅動觸發信號，其脈寬為0.001s，占空比為50%的方波，同樣，Pluse 23是可控器件V2、V3的驅動觸發信號，其脈寬為0.001s，占空比為50%的方波，這兩對信號導通角度不同，對應產生的負載波形是不同的。

1.2 仿真模型參數的設置

圖2中直流電源電壓是Ud=314V，負載電阻R=10Ω，電感為L=10H。示波器是Scope，可以檢測電壓和電流波形，在此處，其檢測輸出負載電壓波形以及可控器件的驅動信號波形。

1.3 仿真結果

下面針對兩種情況進行討論。

第一種情況是兩對橋臂可控器件的驅動信號交替導通180度，V1和V2的驅動信號互補，V3和V4的信號也是互補，并且V3的信號比V1的信號落后180度，其驅動信號和輸出波形如圖3所示。當V1和V4為通態的時候，輸出的負載電壓為正；當V2和V3為通態的時候，輸出的負載電壓為負。輸出的波形為矩形波，其幅值為Uo=Ud。

第二種情況是兩對橋臂可控器件的驅動信號波形不變，只是改變V3和V1之間的相位差，V1和V2的驅動信號互補，V3和V4的信號也是互補，并且V3的信號比V1的信號落后90度，其驅動信號和輸出波形如圖4所示。前四個波形分別是V1-V4驅動信號的波形，第五個是輸出信號波形。

從圖4中可以看出，此時輸出的負載電壓波形不是正負分別為180度的脈沖，而是正負脈沖寬度各為90度。

比較圖3和圖4的輸出波形，就可以向學生提出疑問，如何調節輸出電壓？顯而易見，得出結論，改變驅動信號的偏移角，就可以調節輸出電壓。通過調節模型的不同參數就能夠很好地得到仿真結果，如此便于學生掌握四種變流電路的工作原理，而且加深學生對電路難點部分的理解。

2 結 論

本文將MATLAB仿真軟件中的Simulink引入課程“電力電子技術”的教學和實踐過程中，有利于激發學生學習這門課程的興趣，達到提高教學質量的目的。針對電力電子技術中逆變電路建立了仿真模型，進而對仿真結果進行了研究。結果證明，采用MATLAB仿真軟件，能夠極大提高學生的積極性。

參考文獻：

[1] 李媛媛，王宇嘉，張穎. 現代電力電子技術 [M]. 北京：清華大學出版社，2014.

[2] 歐陽峰.MATLAB在電力電子技術課程教學中的應用研究 [J].電子世界，2017（23）：31-32.

[3] 林瑩，袁雷，魏克銀.基于MATLAB/SimPowerSystems工具箱的“電力電子技術”課程教學實踐——以“三相橋式全控整流電路”為例 [J].工業和信息化教育，2017（8）：70-74+79.

[4] 肖淑琴.Matlab電力電子技術應用的實現探討 [J].福建質量管理，2016（1）：126.

作者簡介：楊延菊（1985-），女，河北邢臺人，教師，講師，博士。研究方向：電力系統智能故障診斷。