MATLAB在電力電子技術教學中的應用論文
本文介紹了MATLAB在電力電子技術教學中的應用，並給出了三相電壓型SPWM逆變電路模擬例項。引入MATLAB模擬技術作為課堂教學的輔助手段，對電力電子電路進行互動式動態波形分析、諧波分析及電量計算，結果直觀、形象，有助於學生理解抽象的理論知識，提高學生學習的興趣和主動性，改善教學效果，提高教學質量。
電力電子技術課程主要研究各種電力半導體器件及其組成的各種變流裝置的工作原理及應用，主要涉及整流、逆變、直流斬波、交-交變換等電能變換及PWM控制和軟開關技術等內容。在該課程的教學中，需要對相關電路進行波形分析及電量計算，不僅需要畫出大量的電壓、電流訊號波形圖，而且需要作相關電量的數學公式推導及諧波分析。在傳統教學中主要採用PPT動畫及課堂板書等教學方式，存在著波形繪製工作量大、所畫波形不規範、電路的工作過程及波形的動態變化表現不足、互動性差、理論分析及公式推導繁瑣抽象等問題，使得授課課時緊張，課堂教學資訊量不夠大，授課方式單調枯燥，學生容易產生疲倦感，難於達到理想的教學效果。在課堂教學中引入MATLAB計算機模擬技術作為傳統課堂教學手段的補充，有助於克服傳統課堂教學的缺點，提高學生的學習興趣，提高教學質量。本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了MATLAB/SIMULINK在電力電子技術教學中的應用，建立了相應的模擬電路模型並給出了相關的模擬波形。
一、MATLAB/SIMULINK介紹
MATLAB是由美國mathworks公司釋出的商業數學軟體，它將數值分析、矩陣計算、科學資料視覺化以及非線性動態系統的建模和模擬等功能整合在一個視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的.解決方案。利用其中的SIMULINK軟體包提供的圖形化互動環境，可快速建立電力電子電路的模擬模型，利用MATLAB提供的各種數學計算及功能分析工具，可方便地對電路進行波形分析及數值計算，並可呼叫豐富的測量儀器工具對相應電壓、電流進行波形觀測及數值讀取。
在建立電力電子電路模擬模型時主要用到了SIMULINK軟體包中的以下模組庫：電力系統模型庫(SimPower Systems)中的電源模組庫(Electrical Sources)、電器元件模組庫(Elements)、電力電子元件模組庫(Power Electronics)、測量儀器模組庫(Measurements)、其他電器模組庫(Extra library)等子模組庫，以及Simulink模型庫中的儀器儀表庫(Sinks)、連線模組庫(Connectors)等子模組庫。建立電路模擬模型時，不用書寫任何程式碼，只要使用滑鼠調出相應的元器件功能模型並將它們連線起來，設定好各元器件的模型引數，即可對電路進行動態模擬。
二、基於MATLAB的三相電壓型SPWM逆變電路模擬
三相電壓型SPWM逆變電路結構廣泛用於通用變頻器中，其作用是透過控制開關功率器件的通斷將直流電逆變為SPWM交流電。該部分教學內容是電力電子技術課程的重要知識點。在教學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值計算。尤其在作輸出電壓的諧波分析時，需要推導繁雜的公式，教學內容複雜、抽象、枯燥且不易理解。利用MATLAB/SIMULINK建立三相電壓型SPWM逆變電路模擬模型，可藉助MATLAB強大的波形分析及數值計算功能對SPWM逆變電路進行動態分析，作為傳統課堂教學的輔助手段，提高教學效率和教學質量。
(一)建立模擬模型
開啟MATLAB/SIMULINK模擬平臺，從電力系統SimPower Systems模型庫中選取直流電源模組、多功能橋(Universal Bridge)模組、PWM脈衝發生器(PWM Generator)模組及三相RLC串聯負載模組，將以上電路元器件模組按三相電壓型SPWM逆變的原理連線起來組成模擬電路。從測量儀器(Measurements)模組庫中呼叫多路測量儀(Multimeter),配合儀器儀表(Sinks)庫中的Scope示波器，可同時觀察多個節點及支路的電壓電流波形。從其他電氣模組庫(Extra Library)中呼叫傅立葉分析(Fourier)模組以便對輸出電壓訊號ua進行諧波分析，呼叫有效值測量(RMS)模組對輸出電壓ua進行有效值計算，並用數字顯示器Display將分析計算結果顯示出來。最終建立的三相電壓型SPWM逆變電路模擬模型示於圖1中。
(二)設定模組引數
雙擊模擬電路中的相應模組，對逆變電路元器件進行引數設定。
1.直流電壓源Us:電壓為100V，測量項Measurements選擇Voltage，以便電壓資料可透過多路測量儀Multimeter觀察。
2.逆變橋(Universal Bridge)模組：橋臂數選3，吸收電阻Rs=1e5(Ohms)，吸收電容Cs=inf(F)，功率器件選擇：IGBT/Diodes，導通電阻Ron=1e-3(Ohms)。
3.三相RLC串聯負載模組：電阻R=1(Ohms)，電感L=0.001(H)，測量項Measurements選擇Branch voltages and currents，以便資料可透過多路測量儀Multimeter觀察。
4.PWM脈衝發生器(PWM Generator)模組：採用內部產生正弦調製波方式，發生器模式選擇6 pulses，載波頻率為3000Hz，調製度為0.7，輸出電壓頻率為50Hz，輸出電壓相角為0o。
5.傅立葉分析(Fourier)模組：基波頻率設定為50Hz，利用Fourier模組分析基波的幅值magnitude-1及基波的相位angle-1。利用Fourier1模組分析3次諧波的幅值magnitude-3及相位angle-3。分析結果用數字顯示器顯示。
6.有效值測量(RMS)模組：基波頻率設定為50Hz，分析結果用數字顯示器顯示。
三、電路模擬及結果分析
第一，選擇選單simulation/parameters對模擬引數進行設定：模擬開始時間設為0，終止時間設為0.045，選用變步長ode23t演算法，計算精度為0.001。
第二，選擇選單simulation/start開始模擬。透過示波器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。模擬結果示於圖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，模擬結果與理論分析結果基本一致。在程式的執行過程中，學生可觀察到模擬波形的動態產生過程，透過觀察波形，加深學生對三相對稱電壓及電流的幅值及其相位關係的理解。利用MATLAB提供的工具，可定向放大區域性波形，加強學生對SPWM波的多電平波形的感性認識，三相輸出SPWM電壓、電流區域性放大波形示於圖3中。
三相輸出SPWM電壓、電流區域性放大波形
利用傅立葉分析(Fourier)模組對SPWM電壓ua作基波和3次諧波的幅值及相角計算，結果示於圖4，圖4中還示出了ua的RMS有效值計算結果，模擬結果與理論計算結果基本一致。改變設定引數，可觀察到其他任意次諧波的幅值和相位的計算結果。
透過該例可以看出，在課堂教學中，利用MATLAB/SIMULINK對電路進行動態互動式分析，分析結果直觀、形象，透過改變模組引數可輕易實現對不同電量的分析和波形觀察，有助於理解教學中抽象的理論知識，可作為教學的輔助手段，引起學生的學習興趣，提高課程教學質量。
四、結論
本文以三相電壓型SPWM逆變電路為例，介紹了將MATLAB/SIMULINK計算機模擬技術應用到電力電子技術教學中，作為課堂教學的輔助手段，對電力電子電路進行互動式動態波形分析、諧波分析及電量計算，分析結果直觀、形象，並可透過改變模組引數輕易實現對不同電量的分析和波形觀察，有助於學生理解抽象的理論分析，提高學生學習的興趣和主動性，改善教學效果，提高教學質量。
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