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MATLAB在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用論文
本文介紹了MATLAB在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，并給出了三相電壓型SPWM逆變電路仿真實(shí)例。引入MATLAB仿真技術(shù)作為課堂教學(xué)的輔助手段，對(duì)電力電子電路進(jìn)行交互式動(dòng)態(tài)波形分析、諧波分析及電量計(jì)算，結(jié)果直觀、形象，有助于學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。
電力電子技術(shù)課程主要研究各種電力半導(dǎo)體器件及其組成的各種變流裝置的工作原理及應(yīng)用，主要涉及整流、逆變、直流斬波、交-交變換等電能變換及PWM控制和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等內(nèi)容。在該課程的教學(xué)中，需要對(duì)相關(guān)電路進(jìn)行波形分析及電量計(jì)算，不僅需要畫(huà)出大量的電壓、電流信號(hào)波形圖，而且需要作相關(guān)電量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)及諧波分析。在傳統(tǒng)教學(xué)中主要采用PPT動(dòng)畫(huà)及課堂板書(shū)等教學(xué)方式，存在著波形繪制工作量大、所畫(huà)波形不規(guī)范、電路的工作過(guò)程及波形的動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)不足、交互性差、理論分析及公式推導(dǎo)繁瑣抽象等問(wèn)題，使得授課課時(shí)緊張，課堂教學(xué)信息量不夠大，授課方式單調(diào)枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生疲倦感，難于達(dá)到理想的教學(xué)效果。在課堂教學(xué)中引入MATLAB計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)手段的補(bǔ)充，有助于克服傳統(tǒng)課堂教學(xué)的缺點(diǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了MATLAB/SIMULINK在電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，建立了相應(yīng)的仿真電路模型并給出了相關(guān)的仿真波形。
一、MATLAB/SIMULINK介紹
MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等功能集成在一個(gè)視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。利用其中的SIMULINK軟件包提供的圖形化交互環(huán)境，可快速建立電力電子電路的仿真模型，利用MATLAB提供的各種數(shù)學(xué)計(jì)算及功能分析工具，可方便地對(duì)電路進(jìn)行波形分析及數(shù)值計(jì)算，并可調(diào)用豐富的測(cè)量?jī)x器工具對(duì)相應(yīng)電壓、電流進(jìn)行波形觀測(cè)及數(shù)值讀取。
在建立電力電子電路仿真模型時(shí)主要用到了SIMULINK軟件包中的以下模塊庫(kù)：電力系統(tǒng)模型庫(kù)(SimPower Systems)中的電源模塊庫(kù)(Electrical Sources)、電器元件模塊庫(kù)(Elements)、電力電子元件模塊庫(kù)(Power Electronics)、測(cè)量?jī)x器模塊庫(kù)(Measurements)、其他電器模塊庫(kù)(Extra library)等子模塊庫(kù)，以及Simulink模型庫(kù)中的儀器儀表庫(kù)(Sinks)、連接模塊庫(kù)(Connectors)等子模塊庫(kù)。建立電路仿真模型時(shí)，不用書(shū)寫(xiě)任何代碼，只要使用鼠標(biāo)調(diào)出相應(yīng)的元器件功能模型并將它們連接起來(lái)，設(shè)置好各元器件的模型參數(shù)，即可對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。
二、基于MATLAB的三相電壓型SPWM逆變電路仿真
三相電壓型SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)廣泛用于通用變頻器中，其作用是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)功率器件的通斷將直流電逆變?yōu)镾PWM交流電。該部分教學(xué)內(nèi)容是電力電子技術(shù)課程的重要知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)中不僅要分析電路的工作原理，而且還涉及電壓和電流的波形分析和數(shù)值計(jì)算。尤其在作輸出電壓的諧波分析時(shí)，需要推導(dǎo)繁雜的公式，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜、抽象、枯燥且不易理解。利用MATLAB/SIMULINK建立三相電壓型SPWM逆變電路仿真模型，可借助MATLAB強(qiáng)大的波形分析及數(shù)值計(jì)算功能對(duì)SPWM逆變電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的輔助手段，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。
(一)建立仿真模型
打開(kāi)MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)，從電力系統(tǒng)SimPower Systems模型庫(kù)中選取直流電源模塊、多功能橋(Universal Bridge)模塊、PWM脈沖發(fā)生器(PWM Generator)模塊及三相RLC串聯(lián)負(fù)載模塊，將以上電路元器件模塊按三相電壓型SPWM逆變的原理連接起來(lái)組成仿真電路。從測(cè)量?jī)x器(Measurements)模塊庫(kù)中調(diào)用多路測(cè)量?jī)x(Multimeter),配合儀器儀表(Sinks)庫(kù)中的Scope示波器，可同時(shí)觀察多個(gè)節(jié)點(diǎn)及支路的電壓電流波形。從其他電氣模塊庫(kù)(Extra Library)中調(diào)用傅里葉分析(Fourier)模塊以便對(duì)輸出電壓信號(hào)ua進(jìn)行諧波分析，調(diào)用有效值測(cè)量(RMS)模塊對(duì)輸出電壓ua進(jìn)行有效值計(jì)算，并用數(shù)字顯示器Display將分析計(jì)算結(jié)果顯示出來(lái)。最終建立的三相電壓型SPWM逆變電路仿真模型示于圖1中。
(二)設(shè)置模塊參數(shù)
雙擊仿真電路中的相應(yīng)模塊，對(duì)逆變電路元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
1.直流電壓源Us:電壓為100V，測(cè)量項(xiàng)Measurements選擇Voltage，以便電壓數(shù)據(jù)可通過(guò)多路測(cè)量?jī)xMultimeter觀察。
2.逆變橋(Universal Bridge)模塊：橋臂數(shù)選3，吸收電阻Rs=1e5(Ohms)，吸收電容Cs=inf(F)，功率器件選擇：IGBT/Diodes，導(dǎo)通電阻Ron=1e-3(Ohms)。
3.三相RLC串聯(lián)負(fù)載模塊：電阻R=1(Ohms)，電感L=0.001(H)，測(cè)量項(xiàng)Measurements選擇Branch voltages and currents，以便數(shù)據(jù)可通過(guò)多路測(cè)量?jī)xMultimeter觀察。
4.PWM脈沖發(fā)生器(PWM Generator)模塊：采用內(nèi)部產(chǎn)生正弦調(diào)制波方式，發(fā)生器模式選擇6 pulses，載波頻率為3000Hz，調(diào)制度為0.7，輸出電壓頻率為50Hz，輸出電壓相角為0o。
5.傅里葉分析(Fourier)模塊：基波頻率設(shè)置為50Hz，利用Fourier模塊分析基波的幅值magnitude-1及基波的相位angle-1。利用Fourier1模塊分析3次諧波的幅值magnitude-3及相位angle-3。分析結(jié)果用數(shù)字顯示器顯示。
6.有效值測(cè)量(RMS)模塊：基波頻率設(shè)置為50Hz，分析結(jié)果用數(shù)字顯示器顯示。
三、電路仿真及結(jié)果分析
第一，選擇菜單simulation/parameters對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：仿真開(kāi)始時(shí)間設(shè)為0，終止時(shí)間設(shè)為0.045，選用變步長(zhǎng)ode23t算法，計(jì)算精度為0.001。
第二，選擇菜單simulation/start開(kāi)始仿真。通過(guò)示波器Scope可觀察到三相輸出SPWM電壓ua、ub、uc波形及三相輸出電流ia、ib、ic的波形。仿真結(jié)果示于圖2中。
三相輸出SPWM電壓及三相輸出電流波形
在圖2中示出了三相輸出SPWM電壓ua、ub、uc的波形及三相輸出電流ia、ib及ic的波形，仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致。在程序的運(yùn)行過(guò)程中，學(xué)生可觀察到仿真波形的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生過(guò)程，通過(guò)觀察波形，加深學(xué)生對(duì)三相對(duì)稱(chēng)電壓及電流的幅值及其相位關(guān)系的理解。利用MATLAB提供的工具，可定向放大局部波形，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)SPWM波的多電平波形的感性認(rèn)識(shí)，三相輸出SPWM電壓、電流局部放大波形示于圖3中。
三相輸出SPWM電壓、電流局部放大波形
利用傅里葉分析(Fourier)模塊對(duì)SPWM電壓ua作基波和3次諧波的幅值及相角計(jì)算，結(jié)果示于圖4，圖4中還示出了ua的RMS有效值計(jì)算結(jié)果，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。改變?cè)O(shè)置參數(shù)，可觀察到其他任意次諧波的幅值和相位的計(jì)算結(jié)果。
通過(guò)該例可以看出，在課堂教學(xué)中，利用MATLAB/SIMULINK對(duì)電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互式分析，分析結(jié)果直觀、形象，通過(guò)改變模塊參數(shù)可輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電量的分析和波形觀察，有助于理解教學(xué)中抽象的理論知識(shí)，可作為教學(xué)的輔助手段，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課程教學(xué)質(zhì)量。
四、結(jié)論
本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了將MATLAB/SIMULINK計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到電力電子技術(shù)教學(xué)中，作為課堂教學(xué)的輔助手段，對(duì)電力電子電路進(jìn)行交互式動(dòng)態(tài)波形分析、諧波分析及電量計(jì)算，分析結(jié)果直觀、形象，并可通過(guò)改變模塊參數(shù)輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電量的分析和波形觀察，有助于學(xué)生理解抽象的理論分析，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，改善教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量。
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