基于MATLAB的“電力電子技術(shù)”課程仿真教學(xué)研究

陳杰金++郭穩(wěn)濤

摘要：針對電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的理論性比較強(qiáng)的內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)理解起來難度大的問題，本文以單相SPWM逆變電源為例進(jìn)行仿真研究，采用MATLAB/SIMULINK強(qiáng)大的仿真功能進(jìn)行建模仿真，使教學(xué)過程更直觀形象，仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果的一致，驗證了基于MATLAB的電力電子系統(tǒng)建模和仿真的實用性。

關(guān)鍵詞：仿真教學(xué) SPWM 逆變電源

【中圖分類號】TM1-4；G434

一、引言

電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防設(shè)施及人民生活等各個方面，是電子設(shè)備和機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)， 在國民經(jīng)濟(jì)各個部門中都是相關(guān)的，應(yīng)用最為廣泛的是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。可以說，一切領(lǐng)域都要用到電源設(shè)備，凡是涉及電子和電工技術(shù)的。逆變電路是該電源的關(guān)鍵電路，其功能是實現(xiàn)DC/AC的功能變換，即在逆變電路的控制下把直流電源轉(zhuǎn)換成SPWM波形供給后級濾波電路，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。采用IGBT作為開關(guān)器件，IGBT是自關(guān)斷器件，用它做開關(guān)元件構(gòu)成的SPWM逆變器，可使裝置的體積小，斬波頻率高，控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、成本低。SPWM逆變器，簡單的說，是控制逆變器開關(guān)器件的通斷順序和時間規(guī)律，在逆變器輸出等幅、寬度可調(diào)的矩形波。

二、逆變電源概述

和逆變電源的發(fā)展聯(lián)系在一起的是電力電子器件的發(fā)展，逆變電源的發(fā)展是電力電子器件的發(fā)展帶動的。目前逆變器的核心部分就是逆變器和其控制部分，雖然在控制方法上已經(jīng)趨于成熟，但是其控制方法實現(xiàn)起來還是有一定的困難。因此，對逆變電源的控制和逆變器進(jìn)行深入研究具有很大的現(xiàn)實意義。早期的逆變電源，只需要保證其輸出不斷電，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻即可。然而，現(xiàn)在的逆變電源除了這些要求以外，還必須是綠色環(huán)保的、高性能的逆變電源。必須滿足：輸入功率因數(shù)高，輸出阻抗低；暫態(tài)響應(yīng)快速，穩(wěn)態(tài)精度高；高穩(wěn)定性，高效率，高可靠性；網(wǎng)絡(luò)功能完善；智能化；電磁干擾低。在傳統(tǒng)的逆變電源中采用模擬電路控制，但模擬控制存在許多固有的缺點(diǎn)：

（1）采用大量分散元件和電路板，硬件成本偏高，系統(tǒng)可靠性下降；

（2）人工調(diào)試器件，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系統(tǒng)一致性差；

（3）器件老化及熱漂移問題，導(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致輸出失??；

三、 SPWM調(diào)制技術(shù)

SPWM是實現(xiàn)逆變器輸出交流電壓調(diào)節(jié)、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM

控制構(gòu)成的逆變器調(diào)節(jié)性能好，速度快，可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態(tài)性能，輸出電壓波形接近正弦波。SPWM逆變器具有以下主要特點(diǎn)：

（1）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)不受直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。

（2）可獲得正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動中，可使傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。

（3）組成變頻器時，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無關(guān)。

四、IGBT介紹

選用IGBT作為逆變器的功率開關(guān)器件， IGBT是一種復(fù)合型功率開關(guān)器件，它既有單極型電壓驅(qū)動的MOSOFT的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了雙極型開關(guān)器件BJT耐高壓，電流大的優(yōu)點(diǎn)。其開關(guān)速度顯然比功率MOSFET低，但遠(yuǎn)高于BJT，又因為它是電壓控制器件，故控制電路簡單、穩(wěn)定性好。IGBT的最高電壓為1200V，最大電流為1000A，工作頻率高達(dá)1000kHz。它具有電壓控制和開關(guān)時間（約為300ns）極短的優(yōu)點(diǎn)。

五、逆變器控制電路

逆變器采用單相橋式電壓型逆變電路，負(fù)載為感性負(fù)載，給定為正弦波ur為調(diào)制波，載波uc為三角波，正弦波ur與三角波uc的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)器件的通斷。工作時，通過對T1～T4管的合理通斷切換，使逆變電路輸出電壓為交變電壓，其中T1、T2的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，T3、T4的通斷狀態(tài)互補(bǔ)。采用雙極性控制方式時，在正弦波ur的正、負(fù)半周期內(nèi)，ur與三角波uc的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)器件的通斷。即當(dāng)ur>uc時，給T1、T4以通信號，給T2、T3以關(guān)斷信號，引時如果負(fù)載電流io>0，則T1、T4導(dǎo)通。如io<0，則VD1、VD4導(dǎo)通，但不管哪種情況，都是輸出電壓Uo=Ud。當(dāng)Ur0，則VD2和VD3導(dǎo)通，但不管哪種情況都是uo=-Ud。其具體控制電路如圖1所示：

逆變器的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波將得到很好的抑制和消除，高次諧波又

能很容易濾去，從而可獲得比較理想的正弦波輸出電壓。

六、逆變電路仿真建模

利用MATLAB軟件的SIMULINK工具對電路進(jìn)行建模，電路模型圖如下圖2所示：

交流電壓參數(shù)設(shè)置：交流電壓峰值為100V，頻率為60Hz。

電阻R1的參數(shù)設(shè)置：電阻R1=1000Ω，L=0H，C=inf。

電阻R2的參數(shù)設(shè)置：R2=20Ω，L=0H，C=inf。

IGBT的參數(shù)設(shè)置：Rn=0.001Ω，Lon=0H，Uf=0.8，Rs=10Ω，Cs=250e-6F。

電容C的參數(shù)設(shè)置：R=0Ω，L=0H，C=100?F。

電容C1 的參數(shù)設(shè)置：R=0Ω，L=0H，C=10?F。

電感L的參數(shù)設(shè)置：R=0Ω，L=1H，C=inf。

普通橋的參數(shù)設(shè)置：Number of bridge arms為2，Power Electronic device為Diodes。

1、SPWM控制器子系統(tǒng)創(chuàng)建：雙擊上圖中的SPWM模塊，在子系統(tǒng)窗口內(nèi)編輯SPWM發(fā)生電路控制器的SIMULINK模型，如下圖3所示：

選用了一個關(guān)系運(yùn)算模塊以實現(xiàn)與門輸出

三角波的參數(shù)設(shè)置：時間值為【-0.3 0.3】，輸出值為【-2 2】

正弦波的參數(shù)設(shè)置：振幅為0.5

2、仿真結(jié)果

設(shè)置好各模塊參數(shù)后，單擊工具欄“Simulation”菜單下的“Start”命令進(jìn)行仿真，雙擊示波器模塊，得到仿真結(jié)果如下圖4所示：

七、結(jié)束語

在電力電子技術(shù)課程的逆變電源教學(xué)研究中引入了仿真，對于加深學(xué)生對這門課程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，學(xué)生的想法可以通過仿真來進(jìn)行驗證，學(xué)生對理論的理解就會更深刻，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力很有意義，并且可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。而仿真教學(xué)不受時間、空間和實訓(xùn)條件的限制，學(xué)生可以在課外自行仿真練習(xí)。仿真在促進(jìn)教學(xué)改革、加強(qiáng)學(xué)生軟件操作能力方面起到了積極的推動作用。

【基金】 湖南省教育廳職業(yè)院校教育教學(xué)改革研究項目（編號：ZJB2012023）

八、參考文獻(xiàn)

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