MATLAB在單相橋式PWM逆變電路教學(xué)中的應(yīng)用

謝積錦 劉桂英 周建陽 李紅星

摘要：根據(jù)電力電子技術(shù)課程特點和教學(xué)現(xiàn)狀，將Matlab軟件引進(jìn)電力電子技術(shù)課堂進(jìn)行仿真教學(xué)，以單相橋式PWM逆變電路為例，搭建了逆變器仿真模型，詳細(xì)介紹了PWM控制信號仿真原理和特性、開關(guān)管工作情況以及負(fù)載電壓電流仿真波形分析，結(jié)果表明，應(yīng)用Matlab仿真軟件，能使分析過程直觀化、理論結(jié)果可視化，對豐富電力電子技術(shù)教學(xué)手段、提高教學(xué)質(zhì)量起到有效的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：逆變電路；PWM控制；MATLAB；仿真分析

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）09-0269-02

一、引言

電力電子技術(shù)是一門理論和實踐結(jié)合較緊密的學(xué)科，也是實踐性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)，在教學(xué)過程中常需借助大量的波形來分析各種電路的工作狀態(tài)、能量轉(zhuǎn)換過程[1-3]。波形分析法是電力電子技術(shù)教學(xué)常用的方法，在課堂教學(xué)活動組織過程中，有大量的波形分析內(nèi)容，學(xué)生常感到教學(xué)內(nèi)容抽象、枯燥，而且只靠圖形說明缺乏真實性，學(xué)習(xí)效果不理想。因此，借助MATLAB仿真軟件對電力電子技術(shù)中一些較難理解的電路和原理進(jìn)行建模，通過仿真模型向?qū)W生介紹電路的工作原理，觀察仿真波形對控制原理進(jìn)行說明，這對豐富教學(xué)手段、提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)辦學(xué)資源是一個有益的教學(xué)方法。

逆變電路是電力電子技術(shù)的四大變換器之一，單相橋式逆變電路是該課程中非常重要的內(nèi)容，而該電路的分析、理解比較困難，如果不借助仿真手段，很難得到其復(fù)雜的動態(tài)變化波形。利用MATLAB仿真軟件對單相橋式PWM逆變電路進(jìn)行仿真建模，分析由PWM控制的單相橋式逆變電路的工作狀態(tài)及相關(guān)關(guān)鍵波形，可更好地理解和掌握該電路的知識點。

二、單相橋式逆變電路仿真模型

單相橋式PWM逆變電路仿真模型由主電路、控制電路和測量電路等3部分組成，其中主電路由直流電源Ed、2對功率開關(guān)器件和與其反并聯(lián)的二極管、以及阻感負(fù)載RL等組成；控制電路是Gate Drive子模塊；測量電路是Measurements子模塊，如圖1所示。

三、控制信號仿真分析

PWM控制信號由一個正弦調(diào)制波與高頻三角載波進(jìn)行比較得到一路控制信號，再將這路信號反相產(chǎn)生另一路控制信號，這兩路信號互補，分別控制如圖1所示的上下橋臂功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷，所生成的輸出信號按序號連接到主電路相應(yīng)序號的功率開關(guān)器件上，其仿真模型和仿真輸出控制信號如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3仿真教學(xué)中，學(xué)生可以掌握如下幾點：（1）如何設(shè)置正弦波（50Hz、7V）和雙極性三角波（5kHz、10V）；（2）了解正弦波和三角波的頻率和幅值要求，理解PWM調(diào)制原理、載波比和調(diào)制比物理意義，以及PWM波形特征；（3）通過示波器局部放大功能認(rèn)識互補信號的特征，掌握上下橋臂的功率開關(guān)管控制信號的要求。

四、工作原理仿真分析

為了理解單相橋式PWM逆變電路的工作原理，可以通過分析Measurements子模塊測量電路的示波器波形來掌握，如圖4所示。

1.功率開關(guān)管的工作情況。圖1所示的4個功率開關(guān)管VT1～VT4采用SimPowerSystems庫中的Mosfet全控型開關(guān)管，參數(shù)按系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。由于VT1與VT3、VT2與VT4工作情況相同，故只要測量VT1和VT2開關(guān)管電流和電壓波形，如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6中，學(xué)生可以了解器件在各階段的工作情況：（1）VT1與VT2工作在互補狀態(tài)；（2）開關(guān)管在控制信號為1時開通，為0時關(guān)斷，是全控型器件；（3）開關(guān)管是一理想開關(guān)管：開通時管子電壓很小近似為零，管子電流由外電路決定；關(guān)斷時電流為零，電壓為電源電壓；（4）補充了教材上沒有的器件電流電壓波形圖，豐富了分析內(nèi)容。

2.輸出電壓和電流波形分析。在圖1中，阻感負(fù)載參數(shù)為R=10Ω、L=0.01mH，輸出電壓和電流仿真波形如圖7所示。

從圖7可以看出：（1）輸出電壓是雙極性PWM波形，幅值為電源電壓（100V）；（2）由于是阻感負(fù)載，所以輸出電流是連續(xù)平滑的且更接近正弦波，有利于理解電感濾波作用；（3）彌補了教材上沒有輸出電流波形圖的不足。

綜上所述，利用Matlab仿真軟件從設(shè)計電路到運行及數(shù)據(jù)分析等大部分教學(xué)內(nèi)容都可以在課堂上解決[4]，無需附加額外條件，與實際電路運行相同，學(xué)生可以全方位地理解教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果好。運用仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對運動的版面將會興趣十足，對教師講解的課程內(nèi)容非常直觀地理解，并且可以提出更換電路參數(shù)，由學(xué)生進(jìn)行仿真分析，增加教學(xué)的互動性和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[5]。

五、結(jié)論

由于電力電子技術(shù)所涉及的都是功率器件，硬件實驗費時、費用高且危險性大，非常有必要在電力電子技術(shù)課程的教學(xué)中引用計算機(jī)仿真技術(shù)，不僅大大節(jié)省課時，而且使分析過程直觀化，理論結(jié)果可視化，既能使學(xué)生更好地掌握電力電子技術(shù)的理論知識，又可懂得如何搭建與調(diào)試電路，使理論與實踐緊密結(jié)合，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析、理解問題的能力，是一種有益的探索。

參考文獻(xiàn)：

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