电力电子技术仿真教学实验探索

杨延菊 任晓霞

摘 要：本文将MATLAB/Simulink仿真软件引入到“电力电子技术”课程的教学和实验过程中，并以单相桥式逆变电路为例，建立仿真模型并对其进行分析。实践表明，在教学和实验中利用MATLAB仿真软件，能很大程度提高学生学习的积极性，以达到良好的教学目的。

关键词：逆变电路；MATLAB；电力电子技术

中图分类号：TM1-4 文献标识码：A 文章编号：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

“电力电子技术”是以电力电子器件和四大变流技术为基础，是高等院校中电气类专业最重要的专业基础课程之一。普通高校的教学内容主要涉及48理论学时的常用电力电子器件的基本结构、原理分析和选型的应用、四大变流电路的特性分析和应用，以及16个学时常规的应用验证性实验。[1]理论课程内容较繁多，而且针对变流电路都是波形分析，虽然教师上课借助多媒体，不用现场绘制波形，而且课前教师已经将相关内容和要分析的波形制成PPT，但是学生看到的还是静态的波形，就算教师可以将波形做成动画，学生还是不是很了解电路的动态过程，因此，学生学习的积极性不强，感觉教学内容还是比较繁重、抽象。

同时“电力电子技术”还是一门具有很强实践性的学科，只有加强实践操作环节才能使得学生真正掌握其内容以及应用于其他相关专业课程。但是，传统实验教学还存在一定的问题，实验电路均是封闭的，往往都是采用试验箱或者是挂件结构，学生仅仅是按照实验指导书或者是在老师的讲解下连线，记录实验结果，这实验的整个过程对于实验的内部电路结构不是很了解，而且参数更改不方便，达不到教学的预期目的。另外，采用的实验设备随着时间的变迁，出现老化现象，尽管设备有保护环节，但是实验过程中还是会由于接线错误而造成设备损坏，尤其是三相变流电路实验更是容易出现问题，如果其中一相接错线或者是接触不良，就会出现实验结果与理论计算值不相符的现象。总之，实验设备易坏，维修耗费大。如果采用仿真软件就不会出现这些问题，同时还方便更改其中参数，可以记录不同参数对应的电路动态响应，便于学生理解电路的工作原理，激发学生学习的积极性。

计算机仿真已成为“电力电子技术”的热点辅助教学软件，MATLAB中的Simulink仿真环境拥有丰富的建模资源、设计界面直观、输出结果形式多样化以及模型参数更改方便等优点，目前，国内外很多高校利用MATLAB仿真软件辅助“电力电子技术”的教学和实验研究。[2-4]本文选择以电力电子变流技术中的典型电路逆变电路为例，进行讨论分析。

1 仿真实例

本文选择以电力电子变流技术中的典型电路单相电压型逆变电路为例，介绍仿真系统的搭建、模型参数的设置以及仿真过程。逆变电路应用非常广泛。一方面，各种电源中的蓄电池、干电池、太阳能电池等等均为直流电源，当向交流负载供电时，就需要采用直流变交流环节，即逆变电路。另一方面，交流电动机调速广泛使用变频器等电力电子装置。

本文以单相全桥电压型逆变电路为例进行分析，它的原理如图1所示，它有四个桥臂，每个桥臂由一个可控器件IGBT和一个反并联二极管组成，在直流侧并联一个足够大的电容。把桥臂1和桥臂4作为一对，器件同时导通，桥臂2和桥臂3作为另一对，这一对器件同时导通，搭建的仿真电路图如图2所示。

1.1 仿真系统的组成部分

单相全桥逆变电路由直流电源Ud、全控型器件IGBT、续流二极管Diode、电感L和负载电阻R构成。在MATLAB的Simulink环境中，通过Simulink Library Browser找到对应器件模块，将其直接拖至建立的模型窗口内，按照单相全桥逆变电路的原理图进行连续，建立的整个系统如图2所示。其中V1～V4分别是四个桥臂中的可控器件IGBT，与其对应反并联的二极管分别是VD1～ VD4，另外Pluse 14是可控器件V1、V4的驱动触发信号，其脉宽为0.001s，占空比为50%的方波，同样，Pluse 23是可控器件V2、V3的驱动触发信号，其脉宽为0.001s，占空比为50%的方波，这两对信号导通角度不同，对应产生的负载波形是不同的。

1.2 仿真模型参数的设置

图2中直流电源电压是Ud=314V，负载电阻R=10Ω，电感为L=10H。示波器是Scope，可以检测电压和电流波形，在此处，其检测输出负载电压波形以及可控器件的驱动信號波形。

1.3 仿真结果

下面针对两种情况进行讨论。

第一种情况是两对桥臂可控器件的驱动信号交替导通180度，V1和V2的驱动信号互补，V3和V4的信号也是互补，并且V3的信号比V1的信号落后180度，其驱动信号和输出波形如图3所示。当V1和V4为通态的时候，输出的负载电压为正；当V2和V3为通态的时候，输出的负载电压为负。输出的波形为矩形波，其幅值为Uo=Ud。

第二种情况是两对桥臂可控器件的驱动信号波形不变，只是改变V3和V1之间的相位差，V1和V2的驱动信号互补，V3和V4的信号也是互补，并且V3的信号比V1的信号落后90度，其驱动信号和输出波形如图4所示。前四个波形分别是V1-V4驱动信号的波形，第五个是输出信号波形。

从图4中可以看出，此时输出的负载电压波形不是正负分别为180度的脉冲，而是正负脉冲宽度各为90度。

比较图3和图4的输出波形，就可以向学生提出疑问，如何调节输出电压？显而易见，得出结论，改变驱动信号的偏移角，就可以调节输出电压。通过调节模型的不同参数就能够很好地得到仿真结果，如此便于学生掌握四种变流电路的工作原理，而且加深学生对电路难点部分的理解。

2 结 论

本文将MATLAB仿真软件中的Simulink引入课程“电力电子技术”的教学和实践过程中，有利于激发学生学习这门课程的兴趣，达到提高教学质量的目的。针对电力电子技术中逆变电路建立了仿真模型，进而对仿真结果进行了研究。结果证明，采用MATLAB仿真软件，能够极大提高学生的积极性。

参考文献：

[1] 李媛媛，王宇嘉，张颖. 现代电力电子技术 [M]. 北京：清华大学出版社，2014.

[2] 欧阳峰.MATLAB在电力电子技术课程教学中的应用研究 [J].电子世界，2017（23）：31-32.

[3] 林莹，袁雷，魏克银.基于MATLAB/SimPowerSystems工具箱的“电力电子技术”课程教学实践——以“三相桥式全控整流电路”为例 [J].工业和信息化教育，2017（8）：70-74+79.

[4] 肖淑琴.Matlab电力电子技术应用的实现探讨 [J].福建质量管理，2016（1）：126.

作者简介：杨延菊（1985-），女，河北邢台人，教师，讲师，博士。研究方向：电力系统智能故障诊断。