Matlab电气仿真技术在电力电子教学改革中的应用

摘要：电气仿真技术是电力电子教学过程中重要的演示分析手段之一，本文以三相SPWM电压型逆变器为例，在MATLAB仿真平台上进行实验，通过在SIMULINK中建立仿真模型，让学生可以分析和比较不同参数设置情况下电路的输入输出特性。分析结果证明了Matlab仿真技术可以作为传统课堂教学手段的有利补充和有效支撑。

关键词：电力电子技术；MATLAB；SIMULINK；逆变电路；谐波分析

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）38-0082-02 一、引言

电力电子技术是电气工程及其自动化专业的必修基础课程，是一门实用性、工程性和综合性很强的课程。它与电子技术、控制技术和电力技术紧密关联，简而言之就是使用电力电子器件对电能进行处理、变换和控制的技术。随着新型电力电子器件、电路拓扑结构和控制理论的发展，电力电子技术得到了飞速发展，并广泛应用于一般工业、轨道交通、电力系统、电子通讯、家电等各个领域[1]。

电力电子的教学不仅涉及相关理论的分析和计算，更注重对电路和波形的分析，在传统教学中主要采用手工绘制电路和波形的教学方式，存在绘制工作量大、波形图不够精确、波形动态性不强、电路结构不易调整等问题，使得课堂的教学节奏受到一定限制，学生不容易理解电路的完整工作过程，难以达到理想的教学效果。近年来仿真技术是现代电子电路研究分析和设计的重要手段之一，虽然该课程配备了相应的实验和实践环节，但是如何在课堂有限的时间内形象地演示电路的工作过程，仿真环节起到了不可或缺的重要作用。其中MATLAB/SIMULINK作为一种计算机仿真技术，为电力电子课堂教学提供了很好的元件和模型库，以及丰富的仿真例程，在课堂教学中有助于克服传统授课方式的局限性，提升教学的效果[2][3]。

二、MATLAB与SIMULINK简介

MATLAB名字来源于Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，常用来解决科学与工程的实际问题。SIMULINK是在MATLAB所有产品的基础之上形成的，是MATLAB的重要组件之一，SIMULINK的模块库提供了很多的基本模块，目的是让用户能够把更多的精力投入到系统模型本身的结构和算法研究上。

此外还可以运用电力系统模型库（SimPower Systems），其在电力控制系统的仿真中得到了广泛的应用。SimPower Systems的元件库主要由Electrical Sources、Elements、Machine、Measurements、Power Electronics、Application、Extra七部分组成，如图1所示。其中电源库（Electrical Sources）提供交/直流电压/电流源、受控电流及电压源等电气元件；元件库（Elements）为使用者提供了电源、电机、电阻及变压器等电气元件；电机库（Machine）为用户提供了各种电机的模型；测量库（Measurements）包括对电压、电流、阻抗及其他一些参数的虚拟测量仪器；电力系统器件元件库（Power Electronics）提供了晶闸管、二极管、开关等电子器件；应用库（Application）为使用者提供了一些常用的应用系统；附加库（Extra）包括了由其他电力系统器件搭建的模型以及一些常用模块如信号发生器、频谱分析、有功测量模块等。

如果老师在课前应用MATLAB做好演示demo就可以在有限的教学时间中高效地演示和分析教学实例，相比于传统板书的教学方式，应用MATLAB/SIMULINK可以更加自如地修改电路模型，调节参数，更加清晰地显示波形，让学生对于电路的工作过程了解得更加直观，也让教师的授课更加高效和生动。

三、仿真实例

本文以三相SPWM电压型逆变器为例来介绍仿真模型的构建和使用，如图2所示，主要应用SIMULINK和SimPowerSystems进行逆变器的建模仿真与波形分析，并使用powergui中的FFT对电路的输出波形进行谐波分析。

1.SPWM触发模块。采用三角载波调制法，为了生成每一相触发信号，应用了两个逻辑比较器Relational Operator来比较正弦调制波Ur与三角载波Uc的大小，当调制波信号Ur大于三角载波Uc时，输出高电平；否则，输出低电平。参数设置为：正弦调制波频率50Hz，幅值0.8V；三角载波频率3000Hz，幅值1V。

2.主电路模块。采用通用桥模块（Universal Bridge），选择三个桥臂，器件选择为IGBT/Diodes，加载直流电压源。SPWM触发信号输入通用桥的g端口，通用桥会自动分配每一列信号给每一个开关器件，控制该器件的开闭。采用三相对称阻感性负载，作星形连接，R=2Ω，L=0.01mH。为了减小负载相电压波形的谐波失真，应用LC滤波电路，三相电容做星形连接并联接入电路，电感则串联接入电路，滤波电容设为0.3mF，滤波电感设为0.5mH。利用测量模块和虚拟示波器来观测电压电流。

3.仿真结果。通过图2的仿真可得到滤波前后三相阻感负载的相电压波形，如图3所示。通过powergui进一步分析，滤波后的总谐波失真（THD）由90.95%降到了11.00%，谐波得到了很好的抑制，而基波电压变化很小。

通过以上分析可见，应用MATLAB/SIMULINK可以方便搭建电路的仿真模型，仿真结果与教材完全吻合。

四、结论

本文分析了传统授课方式在电力电子技术教学中所存在的局限性，提出了在课堂上应用MATLAB/SIMULINK仿真技术，有助于教师调整好授课的节奏，减轻教师的工作量，在课堂有限时间内为学生更好地演示电路的工作过程，帮助学生理解不同条件下电路的工作状况。文中介绍了MATLAB/SIMULINK以及SimPower Systems所能提供的丰富资源，并以三相SPWM电压型逆变器为例来介绍仿真模型的构建和使用。仿真结果验证了该方法的有效性和优越性。由于MATLAB提供的丰富例程几乎涵盖了电气工程的所有专业课程，所以电气仿真技术在电气专业的教学中具有普适性。笔者在近年来的教学过程中运用该方法已经取得了良好的教学反馈。

参考文献：

[1]王兆安.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

[2]洪乃刚.电力电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]陆朱卫，吴馥云.MATLAB在电力电子课堂教学中的应用[J].教育教学论坛，2016，（4）：194-195.