《电力电子技术》课程中SPWM逆变电路的仿真教学研究
2017-09-27陈杰金霍览宇
陈杰金 霍览宇
摘要：电力电子技术课程是实用性很强的一门课程，但是在教学中对于理论性比较强的内容，学生学习理解起来就有一定的难道，本文以SPWM单相逆变电路为例，采用MATLAB/SIMULINK强大的仿真功能进行建模仿真，使教学过程更直观，仿真结果和理论分析结果的一致，验证了基于MATLAB的电力电子系统建模和仿真的有效性和实用性。
关键词：仿真教学电力电子技术 SPWM 逆变电路
【分类号】TM464
一、 引言
电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是实践性和应用性很强的一门课程。自身的开关非线性是电力电子器件的特点，也给在分析电力电子电路的过程中带来了一定的复杂性和困难，一般都是采用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法，以SPWM单相逆变电路为例，研究采用MATLAB/SIMULINK仿真教学。
二、逆变技术概述
逆变技术（DC/AC）是电力电子技术的重要组成部分，是在电力电子技术中最主要、最核心的技术，广泛应用于不间断电源（UPS）、各种逆变电源、变频电源、开关电源、交流稳压电源、光伏逆变、交流电机调速、电动汽车、电气火车等场合。逆变器的主电路结构形式多种多样，大容量正弦波输出的逆变电源因其电压电流一般都比较大，因此多采用IGBT作为它的开关器件，IGBT是自关断器件，用它做开关元件构成的SPWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频率高，控制灵活、调节性能好、成本低。
三、 正弦脉宽调制（SPWM）技术
SPWM逆變器，简单的说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间规律，使变换器输出获得等幅、宽度可调的矩形波。在实际应用中，人们常采用正弦波和三角波相交点得到一组等幅矩形脉冲，其宽度按正弦规律变化，再用这组矩形脉冲作为逆变器各开关器件的控制信号，则在变换器输出端可以获得一组矩形脉冲，其幅值为逆变器直流侧电压，而脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效。SPWM主要有以下优点：
1.由逆变器统一完成调频、调压，可以简化主电路和控制电路的结构，使装置体积小、重量轻、造价低、可靠性高。
2.直流电压可由二极管整流得到，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压大小和频率无关，接近于1。
3.输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。
4.输出电压接近正弦波，可以减少谐波分量。
四、 逆变器电路设计
逆变器采用单相桥式电压型逆变电路，负载为感性负载，给定为正弦波ur为调制波，载波uc为三角波，在正弦波的正半周期，三角波为正极性，在正弦波的负半周期，三角波为负极性，三角波ur与三角波uc的交点时刻控制各开关器件的通断。G1～G4为T1～T4的驱动信号，工作时，通过对T1～T4管的合理通断切换，使逆变电路输出电压为交变电压，其中T1、T2的通断状态互补，T3、T4的通断状态互补，采用单极性SPWM的调制方式，其具体控制电路如图1所示：
在ur的正半周，T1保持导通，即当ur>uc时，使T4导通，输出电压Uo=Ud，当ur
五、 SIMULINK工具介绍
SIMULINK是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是实现动态系统建模﹑仿真与分析，SIMULINK提供了大量的功能模块以方便用户快速地建立系统模型。建模时只需要使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来，使用者可以通过将模块组成字子系统来建立多级模型，仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示。
六、 电路建模仿真
1.电路搭建
利用MATLAB的SIMULINK对电路进行建模，电路模型图2所示：
2.参数设置
直流电压参数设置：直流电压为100V；
电阻的参数设置：电阻R1=1000Ω，R2=20Ω。
IGBT的参数设置：电阻为0.001，电感为le-6，正向电压为1。
3.子系统的创建：子系统是完成一定功能或运算的若干个模块的组合，创建一个子系统必须首先明确子系统的功能、输入和输出参数。
（1）IGBT驱动信号子系统创建：双击上图中SubSystem模块，弹出一个子系统窗口，在该窗口内编辑IGBT驱动信号的SIMULINK模型，如下图3所示：
Pulse的参数设置：周期0.1S，振幅1V，脉冲宽度50%。
（2）SPWM控制器子系统创建：双击上图中的SPWM模块，在子系统窗口内编辑SPWM发生电路控制器的SIMULINK模型，为了实现单极性控制方式选用了一个关系运算模块以实现与门输出，如下图4所示：
三角波的参数设置：时间值为【-0.3 0.3】，输出值为【-2 2】
正弦波的参数设置：振幅为0.5，其他参数选择默认。
4.仿真结果
设置好各模块参数后，单击工具栏“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真，双击示波器模块，得到仿真结果如下图5所示：
七、 结束语
我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。
八、 参考文献
[1]. 李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].电子工业出版社，北京，2006年2月
[2]. 王云亮.电力电子技术[M].电子工业出版社，北京，2004年8月
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[5].石玉，栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导[M].机械工业出版社，1998
