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电力电子仿真正文
电力电子仿真—正文
随着电力电子的飞速进展，电力电子技术的应用也变得越来越广泛。
它不仅用于一样工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、运算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用，能够说时无处不见。
正是由于电力电子的重要性，我们必须把握好该理论。
而且要把理论与实践沟通起来，而沟通这两者的桥梁确实是电力电子仿真软件。
本书要紧分四章对仿真软件从由浅到深、化零为整系统地进行了分析。
在第一章中要紧介绍了比较常见的仿真软件，并对其各自的优缺点与要紧的应用领域做了重点介绍。
在第二章中为了熟悉simlink仿真软件应用环境，介绍了三种典型电力电子器件的特性，即不可控器件—电力二极管、半控器件—晶闸管、全控器件—IGBT。
在第三章设计分析了三种常见的典型电路并对仿真软件有了进一步的熟悉与应用，即整流电路分析、交流调压电路分析、降压斩波电路分析。
在第四章中对直流电机运动操纵系统—可逆PWM变换器应用作了较为详细的设计与分析。
关键词：
仿真软件simulink仿真波形整流调压斩波PWM
引言……………………………………………………4
第1章电力电子仿真软件概述……………………5
1.1PSpice仿真软件…………………………………………5
1.2Saber仿真软件…………………………………………6
1.3PLECS仿真软件………………………………………7
1.4PSIM仿真软件…………………………………………9
1.5CASPOC仿真软件…………………………………9
1.6基于Matlab的Simulink仿真软件……………………10
1.7本章小结…………………………………………………11
第2章差不多元器件特性的测试仿真…………………12
2.1不可控器件——电力二极管……………………………12
2.2半控器件——晶闸管……………………………………19
2.3全控器件——IGBT………………………………………29
2.4本章小结…………………………………………………32
第3章差不多典型电路的设计与分析……………………33
3.1整流电路的设计分析…………………………………33
3.2交流调压电路的设计分析………………………………38
3.3降压斩波电路的设计分析………………………………43
3.4本章小结…………………………………………………46
第4章直流电机操纵系统仿真
—桥式可逆PWM变换器应用………………………47
本章小结…………………………………………………63
总结体会……………………………………………………64
参考文献………………………………………………………65
引言
运算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，差不多广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。
运算机仿真不仅能够取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，幸免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还能够与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。
能够说，电路的运算机仿真技术大大加速了电路的设计和试验过程。
电气工程电路及其组成的系统要紧功能是能源变换、传递过程的操纵。
要变换的是电力形状，操纵方法靠电子线路。
电力与电子结合形成了电力电子学科，它是一个较为年轻的学科。
也是多学科交叉的边缘学科。
电力本质是能源，有相当惯性，操纵它的是电子线路，有相当快速性，两者构成系统，专门形成闭环系统时，用自动操纵术语来说属病态系统，意即有不易解决的稳固性方面的问题。
如此的系统品质在20世纪80年代中后期有了飞速的提高。
究其缘故则是借助于运算机仿真技术。
电力电子学科近年进展形成了能源电子学科。
所谓能源电子学科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、治理等方面的问题，才能解决好能源转换问题。
由此可见，如此复杂的系统工程，只有充分利用运算机处理综合信息才能迅速得到成效。
仿确实必要性、有效性可见一斑。
第1章电力电子仿真软件概述
1.1PSpice仿真软件
PSpice是由美国Microsim公司在spice2G版本的基础上升级并用于PC机上的Spice版本，其中采纳自由格式语言的5.0版本自20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，同时从6.0版本开始引入图形界面。
1998年闻名的EDA商业软件开发商0RCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入0RCAD公司的商业EDA系统中。
现在使用较多的是PSpice8.0,工作于Windows环境,占用硬盘空间60M左右，整个软件由原理图编辑、电路仿真、鼓舞编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。
但各个部分都各有各的窗口。
与传统的spice软件相比，PSpice在三大方面实现了重大变革：
第一，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等差不多电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析。
最坏情形分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直截了当进行电路仿真，同时能够随时分析观看仿真结果。
PSpice的应用范畴专门广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应用之一。
PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，专门适合于对电力电子电路中开关暂态过程的描述。
它的仿真波形与试验电路的测试结果相近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对电路设计有着重要指导意义。
尽管PSpice应用越来越广泛，然而也存在着明显的缺点。
由于Spice软件原先要紧是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的模型差不多上针对小功率电子器件的，关于电力电子电路中所用的大功率器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的结果。
PSpice采纳变步长算法，关于周期性开关状态变化的电力电子电路而言，将造成把大量的时刻耗费在寻求合适的步长上面，从而导致运算时刻的延长，输出数据结构的格式兼容性也不甚理想。
PSpice的另一问题是仿确实收敛性问题。
对复杂电路进行仿真时，有时数据的准确性较低。
另外，在磁性元件的模型方面PSpice也有待加强。
1.2saber仿真软件
Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯独的多技术、多领域的系统仿真产品。
Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电子、航空、运输、家用电器及军事等领域。
与传统仿真软件不同，Saber在结构上采纳硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。
应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。
Saber可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真。
利用Analogy公司开发的Calaversas算法，Saber能够确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且能够实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现了无缝联接。
Saber适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机工程、机械工程、电光学、光学、水利、操纵系统以及数据采样系统等等。
只要仿真对象能够用数学表达式进行描述，Saber就能对其进行系统级仿真。
在Saber中，仿真模型能够直截了当用数学公式和操纵关系表达式来描述，而无需采纳电子宏模型表达式。
因此，Saber能够对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果能够同时获得。
为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采纳5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将自动采纳下一种算法。
通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时刻也越长。
一般的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时刻上进行平稳。
Saber采纳其专门的设计，能够保证在最少的时刻内获得最高的仿真精度。
Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的实现与CadenceDesignSystem、MentorGraphics和Viewlogic的集成。
通过上述软件能够直截了当调用Saber进行仿真。
1.3PLECS仿真软件
PLECS仿真软件能为系统级电路仿真提供一个与Simulink模型完全无缝的整合。
在动力电子系统和电力驱动器的模拟上能够进行简化。
另外PLECS工具箱的另外两大特色是：
（1）仿真速度比同类仿真软件都要快得多；
（2）功率半导体元器件理想化。
如此，在全然上加快了专业人员的设计时刻，降低了成本。
PLECS提供了涵盖了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的差不多元件和仿真模型，要紧由两大部分组成:
内建元件和库元件。
内建元件包括:
电阻、电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元件;而库元件则要紧有:
IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、三路开关、异步电机等的仿真模型。
用户也能够依照自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。
实际上，PLECS的库元件正是采纳内建元件来构成的。
PLECS区别于以往传统的模拟仿真应用软件,要紧有以下一些显著特点:
（1）兼容性好：
与Simulink达到无缝结合；
（2）高效的编辑原理；（3）开关转换的理想化:
A便于操作:
一个理想的开关转化，可不能让我们担忧诸如导通电阻或吸取电容如此的参数问题.通常,我们可能不明白这些数值,专门是系统模拟所可能产生的寄生效应,也是专门少被关注的,如此,PLECS元件理想化优势就表达在那个地点.B稳固性好:
在模拟电路的搭建时，使用吸取电路往往使模拟系统复杂性增加,弹性系数也会上升.有些模块通常会要求固定时步模拟或使用弹性系数解算器.而PLECS在没有缓冲器的条件下,就能够让您在Simulink的所有固定时步和可变时步解算器中进行自由选择.C速度快:
传统的一些电路模拟程序,转化瞬时的运算十分繁琐.有限斜率强制缩短了程序运行步骤的时刻.在PLECS中,那个问题就容易解决.只需要通过理想开关的即时运行就能够实现.每个转化过程只需要两步.在某种程度上大大加快了模拟速度.（4）专门的程序库除了标准的参数如电流电压,有源器件外,PLECS还提供了一些专门的元件.在程序库里,你能够找到专门多半导体元器件,如开关,断路器.变流器和三相变压器等等.为了模拟电子驱动,我们在PLECS里还能够找到交流或直流发电机,如感应发电机或永磁同步发电机
1.4PSIM仿真软件
PSIM是趋向于电力电子领域以及电机操纵领域的仿真应用包软件。
PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、操纵系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。
PSIM仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还能够和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。
例如，在电机驱动开发领域，操纵部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。
1.5CASPOC仿真软件
CASPOC工作窗口
CASPOC仿真软件是一个面向电力电子和电气驱动的功能强大的系统级模拟软件。
使用CASPOC能够简单快速地建立电力电子、电机、负载和操纵量的多级模型。
那个多级模型包括交互式电力供应的电路级模型、电机/负载的部件级模型以及操纵算法的系统级模型，最后使用CASPOC稳固的求解器快速和精确地仿真，将该模型的时域波形、向量和谐波直观动态地显示出来，从而让用户进行电力电子领域内系统级的设计和分析。
CASPOC仿真软件拥有无可争议的仿真速度和稳固性。
1.6基于Matlab的Simulink仿真软件
Simulink是基于Matlab的框图设计环境，能够用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建榜样畴广泛，能够针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星操纵制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。
Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎能够做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。
除此之外，Simulink还支持Stateflow，用来仿真事件驱动过程Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就能够实现需要的仿真功能了。
也能够依照自己的需要设计自己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好，是一种专门不错的仿真工具。
Simulink仿真具有以下的特点：
（1）交互建模Simulink提供了大量的功能块，方便用户快速地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能块，并将它们连接起来。
用户能够通过将块组成子系统建立多级模型。
对块和连接的数目没有限制。
（2）交互仿真Simulink框图提供了交互性专门强的非线性仿真环境。
用户能够通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。
仿真结果能够在运行的同时通过示波器或者图形窗口显示。
（3）能够扩充和定制Simulink的开放式结构承诺用户扩充仿真环境的功能。
（4）与Matlab和工具箱集成由于Simulink能够直截了当利用Matlab的数学、图形和编程功能，用户能够直截了当在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。
工具箱提供的高级设计和分析能力能够通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。
（5）专用模型库Simulink的模型库能够通过专用元件集进一步扩展。
由于在自动操纵原理课程仿真中差不多对simulink有了一定的熟悉，故在本次的电力电子仿真中仍旧采纳的是基于Matlab的Simulink仿真软件。
1.7本章小结
在本章中简单地介绍了目前比较常用的电力电子仿确实常用仿真软件，并简要地介绍了各个电力电子仿真软件的优缺点以及其各自应用的领域。
仿真软件能够关心我们更好地把握电力电子的差不多理论知识，它是我们在没有世间体会的情形下与实际沟通的桥梁，它是一种强有力的工具。
第2章差不多元器件特性的测试仿真
2.1不可控器件——电力二极管
电力二极管的仿真模型位于Simulink的SimPowerSystems工具箱的PowerElectronic库中，为Diode，其模块如图2-1所示：
电力二极管的工作特性类似于模拟电路中的二极管，当加在其两端的正向电压大于其门槛电压时，二极管导通工作，否则二极管处于反向截止状态。
图2-1电力二极管模型图
由于电力二极管无操纵极，故属于不控型器件。
分两种情形分别讨论电力二极管的工作特性：
①带纯阻性负载；②带阻感性负载；
说明：
为了分析的方便，在以下所有的分析中除了给出其仿确实连接电路图外，也加入了电路的原理图，绘制原理图的软件有专门多种，在此我采纳的是比较熟悉的Protel99SE软件，此处不再赘述。
带纯阻性负载：
电路原理图如图2-2所示：
图2-2电力二极管带纯阻负载电路原理图
其所对应的仿真模型如图2-3所示：
图2-3电力二极管带电阻负载时仿真模块图
仿真连接图说明：
该仿真图为在原理图的基础上加了电流测量模块与电压测量模块，并通过示波器进行观看。
仿真波形图如图2-4所示：
图2-4带纯阻负载时的仿真波形图
该仿真中所用示波器为三踪示波器，第一踪波形为电路中的电流，第二踪波形为负载端电压，第三踪波形为二极管端电压。
参数说明：
所用电源为交流220V其频率为50HZ；所用电阻R为1Ώ；在仿真过程中所用算法为ode23tb（stiff/TR-BDF2）。
仿真结果分析：
从仿确实波形图能够专门明显的看出，在纯阻性负载的情形下，其电流的波形与负载端电压的波形差不多相同，而且二极管两端加上正向电压时，二极管导通，并随着交流电源电压幅值的上升，负载端电压与电路电流也相应的上升，二极管端电压为0值。
而在交流电源电压的极性变反时，即加在二极管两端的电压变为负值时，二极管赶忙关断，并没有显现续流的情形。
现在，负载端电压与电路电流均为0值，而二极管两端承担反向电压，并随着交流电源电压幅值的变大，其反向电压也变大。
带阻感性负载：
电路原理图如图2-5所示：
图2-5带阻感负载时的电路原理图
其所对应的仿真模块图如图2-6所示：
图2-6带阻感负载时仿真模型图
仿真模块图说明：
该仿真模块图差不多与带纯阻性负载时的相同，唯独区别在于其负载的变化。
参数说明：
由于在带阻感性负载的电路中，其电路的波形将会随着电感值的不同而不同，故为了说明电感所起的作用，在此设四组电感值并对其相应的波形进行对比分析。
电路中的交流电源电压仍旧为220V,频率为50HZ。
其电阻R任为1Ώ；
电感值的分类如下：
1L=1e-3H;
2L=10e-3H;
3L=50e-3H;
4L=150e-3H;
当L=1e-3H时的仿真波形图如图2-7所示：
图2-7当L=1e-3时的仿真波形图
当L=10e-3H时的仿真波形图如图2-8所示：
图2-8当L=10e-3时的仿真波形图
当L=50e-3H时的仿真波形图如图2-9所示：
图2-9L=50e-3H时的仿真波形图
当L=150e-3H时的仿真波形图如图2-10所示：
图2-10L=150e-3H时的仿真波形图
仿真结果分析：
由四个波形图对比能够看出，当负载中的电感值发生变化时，其所对应的波形也将相应的发生变化。
当L有值时，能够与带纯阻性负载时的波形进行比较，在纯阻性负载电源电压的极性为正时，电力二极管导通工作，而当电源电压的极性变反时，二极管赶忙处于反向截止状态。
当负载有电感值时，
尽管电源电压在极性为正时电力二极管导通工作，情形与纯阻性负载时的类似，然而在电源电压的极性变为负值时，电力二极管并不赶忙关断，而是有一定的延时续流，其延时续流的时刻与其负载中电感的值有关，当电感值越大时，其延时续流的时刻也越长。
从四份仿真波形图的对比中能够分析得到，当电感的值越来越大时，电流波形的幅值也越来越小，而且也变得越来越平滑，其负载端的电压波形在负轴也变得越来越越多，二极管的反向端电压也随着电感值趋向于无穷大，其值也会趋向于0值。
波形不同于带纯阻性负载时的缘故是由于电感是储能原件，在电源电压的极性变反时，由于电感相当于电动势，因此它与电源电压综合加在二极管两端的电压并没有变为负值，而任保持其导通。
当电感的值越大时，其作用也将越加的明显。
2.2半控器件——晶闸管
晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅，简称SCR。
晶闸管在六七十年代获得迅速的进展，除器件的性能与电压、电流容量不断提高外，还派生出快速晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管，形成晶闸管系列。
晶闸管在Simulik中的模型图如图2-11所示：
晶闸管的工作特性可简单总结如下：
1
门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一样硅二极管的反向电流稍大，且随着管子正向阳极电压的升高而增大。
当阳极电压升到足够大时，会使晶闸管导通，称为正向转折或硬开通。
2晶闸管加上正向阳极电压后，还必须加上触发触发电压产生足够的触发电流，才能使晶闸管从阻断状态转为导通状态，称为触发导通。
3晶闸管一旦被触发导通后，门极完全失去操纵作用。
要关断差不多导通的晶闸管，必须使阳极电流小于坚持电流，对
于电阻负载，只要使管子阳极电压将为零即可。
为了保证晶闸管可靠与迅速地关断，通常在管子阳极电压将为零之后，加一段时刻的反向电压。
为了说明晶闸管的特性用简单的单向半波整流电路的仿真波形作为简要的分析。
同样，晶闸管特性的讨论也将分为带纯阻性负载与带阻感性负载的两种情形。
带纯阻性负载：
电路原理图如图2-12所示：
图2-12带纯阻负载电路原理图
其所对应的仿真模块如图2-13所示：
图2-13带纯阻负载仿真模块图
仿真图说明：
在该仿真图中，加入了电流测量单元与电压测量单元来观看负载端电压与电路中的电流的波形，还测量了晶闸管的端电压及其电流的波形。
在纯阻性负载的情形下分四种情形观看波形：
1触发角为0度的情形；
2触发角为30度的情形；
3触发角为60度的情形；
4触发角为90度的情形。
第一在触发角为0度时仿确实波形图如图2-14所示：
图2-14当触发角为0度时的仿真波形图
当触发角为30度时的仿真波形图如图2-15所示：
图2-15当触发角为30度时的仿真波形图
当触发角为60度时的仿真波形图如图2-16所示：
图2-16当触发角为60度时的仿真波形图
当触发角为90度时的仿真波形图如图2-17所示：
图2-17触发角为90度时的仿真波形图
参数说明：
在该仿真中所用交流电源为220V且其频率为50HZ;因为在此只是简单器件特性的验证性仿真，故为了简单起见，选取其负载电阻为1Ω；脉冲发生器的的周期值设置为0.02s，脉冲宽度为5％，相应的触发角分别设置为0°，30°，60°90°所对应的值。
仿真过程中所用算法为ode23tb（stiff/TR-BDF2）。
仿真结果分析：
从图2-14的仿真波形图能够看出，当触发角为0°时，当加在晶闸管两端的电压为正向电压时，晶闸管赶忙导通，负载端的电压及其电路中的电流均会随着电源电压的变化而发生相应的变化。
在交流电源电压为正的半个周期中，晶闸管两端的电压始终处于0值，这也充分的说明了晶闸管正处于导通状态。
而当交流电源电压的极性变反时，晶闸管赶忙关断，其负载端的电压及其电流值均变为0值，然而在现在晶闸管两端的电压将会随着交流电源电压的变化而相应的升高和降低。
在对比触发角为0°仿真波形图的情形下，分析触发角分别为
30°，60°，以及90°的波形图，不难会得出以下的结论：
负载端的电压及其电流值均且只能显现在前半个周期，其幅值都为正值。
而且晶闸管的工作必须是在交流电压为正且其触发角到来时。
由因此纯阻性负载故在电源压变反时，加在晶闸管两端的电压也将变为负值，从而使晶闸管赶忙关断，退出工作状态。
从波形图中能够清晰的观看到不管在哪个触发角的情形下，当电源电压极性变反时，其后半个周期的波形图均完全相同，其要紧缘故确实是纯阻性负载是非储能元件，在电源电压变反时，而没有其他能够提供电动势的元件从而使得晶闸管两端的电压赶忙变为负值，迫使晶闸管关断，也就使得在后半周期的波形均完全相同。
带阻感性负载：
其电路原理图如图2-18所示：
图2-18带阻隔性负载时的电路原理图
其所对应的仿真图如图2-19所示：
图2-19带阻感负载时的仿真模块图
仍旧将触发角分为0°、30°、60°、以及90°的情形进行仿真，并对其相应的波形进行分析。
第一单相半波带阻感负载且触发角为0°时的仿真波形
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