基于MWORKS平台的逆变路月仿真实验

作者信息

所属院校：武汉纺织大学
作者：张国琴、韩谷静、胡梦月

案例概述

逆变电路是电力电子技术课程的核心教学内容，其 SPWM 调制、谐波分析等知识点理论性强、波形抽象，传统教学难以建立 “调制参数 - 输出波形 - 频谱分布” 的直观关联。本案例基于国产科学计算与系统建模仿真平台 MWORKS，构建 “原理讲解 - 仿真建模 - 分析验证 - 拓展提升” 的一体化教学体系，围绕方波控制、单相 SPWM、三相 SPWM 三类核心场景设计递进式实验任务，搭配傅里叶频谱分析工具实现定量验证。已荣获第三届全国计算机教学案例大赛三等奖，兼顾基础教学与能力拓展，既帮助学生深化电力电子变换理论认知，也培养基于国产工具的工程仿真能力，已支撑多项省级与校级教研成果落地，在《电力电子技术》课程中完成多轮教学实践。

教学目标

知识目标

掌握单相 / 三相逆变电路的拓扑结构与工作原理，理解开关管驱动逻辑与能量传递过程
理解面积等效原理的核心内涵，掌握 SPWM 调制的实现机制与波形特征
掌握逆变输出波形的谐波分布规律，理解调制度、载波比对输出电能质量的影响

能力目标

能够独立在 MWORKS 平台搭建单相全桥、三相桥式逆变电路仿真模型
能够完成驱动信号配置、参数调试，观测输出电压、电流时域波形
能够运用傅里叶分析工具完成输出波形的频谱定量分析，对比不同调制方式的谐波差异
能够完成高阶拓展任务，实现 SVPWM 调制或电机调速系统搭建

价值目标

通过国产工业软件实践，增强科技自立自强的信心与自主可控意识
通过仿真参数反复调试与优化，培育精益求精的工匠精神
理解电力电子技术在新能源发电、电动汽车等领域的应用价值，树立服务双碳战略的专业理念

核心内容

本案例按照难度递进设计三个基础实验模块与一个高阶拓展模块，完整覆盖逆变电路核心知识点：

1. 方波逆变电路仿真

单相电压型全桥逆变电路建模：搭建直流电源、全桥开关管、RL 负载的完整主电路
驱动信号配置：设置互补驱动脉冲，验证开关管导通逻辑与输出电压波形
工作过程分析：分阶段观测输出电压、电流变化，理解能量传递与续流过程
谐波定量分析：通过傅里叶分解输出基波与各次谐波幅值，计算总谐波畸变率
拓展：三相方波逆变电路建模，对比相电压、线电压的波形与频谱特征

2. 单相 SPWM 逆变电路仿真

面积等效原理验证：对比窄脉冲与正弦波的惯性环节响应效果，夯实理论基础
控制电路搭建：生成正弦调制波与三角载波，通过比较器生成双极性 SPWM 驱动信号
参数调试实验：调整调制波频率、幅值、载波频率，观测输出波形的变化规律
频谱对比分析：对比方波逆变与 SPWM 逆变的谐波分布差异，理解高频谐波的滤除特性

3. 三相 SPWM 逆变电路仿真

三相主电路建模：搭建三相桥式逆变主电路与三相对称负载
三相调制波生成：配置相位互差 120° 的三路正弦调制波，共用三角载波
波形观测分析：观测相电压、线电压的时域波形，验证电平数量与相位关系
谐波特性验证：分析三相 SPWM 输出的谐波分布规律，验证 3 倍频谐波抵消特性

4. 高阶拓展任务

SVPWM 空间矢量调制电路实现，对比 SPWM 的直流电压利用率差异
异步电动机开环 / 闭环调速系统搭建，延伸逆变电路的工程应用场景

目录结构

plaintext
InverterCircuitSimulationMworks/
├── models/ # MWORKS仿真模型文件
│ ├── 01_single_phase_squarewave.mo # 单相方波逆变模型
│ ├── 02_single_phase_spwm.mo # 单相SPWM逆变模型
│ ├── 03_three_phase_spwm.mo # 三相SPWM逆变模型
│ └── 04_advanced_svpwm_motor.mo # 高阶拓展：SVPWM与电机调速
├── docs/ # 配套教学资源
│ ├── 课堂讲授PPT.pptx
│ ├── 实验指导书.pdf
│ └── 实验报告模板.docx
├── results/ # 结果样例
│ ├── 时域波形图
│ └── 频谱分析结果
└── README.md

快速运行

将本案例文件导入 MWORKS 工作空间
打开models/01_single_phase_squarewave.mo，运行仿真即可观测单相方波逆变的输出电压、电流波形
切换对应模型文件，依次完成单相 SPWM、三相 SPWM 的仿真实验
调用内置 FFT 分析工具，对输出电压波形进行傅里叶分解，查看频谱分布
进阶学习可参考高阶拓展模型，完成 SVPWM 调制与电机调速仿真

版本说明

V0.0.1，2026-08-07 16:27

• 初始版本

使用许可

本案例版权归属武汉纺织大学张国琴、韩谷静、胡梦月老师，仅供非商业教学学习，请勿直接用于各类赛事及项目等内容的申报。