电力电子仿真技术及应用.docx

1、电力电子仿真技术及应用摘 要随着电力电子的飞速发展，电力电子技术的应用也变得越来越广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、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，可以说时无处不见。正是由于电力电子的重要性，我们必须掌握好该理论。而且要把理论与实践沟通起来，而沟通这两者的桥梁就是电力电子仿真软件。本书主要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。在第一章中主要介绍了比较常见的仿真软件，并对其各自的优缺点与主要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

2、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控制系统可逆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目 录引言4第1章 电力电子仿真软件概述51.1 PSpice仿真软件51.2 Saber 仿真软件6 1.3 PLECS仿真软件 71.4 PSIM仿真软件9 1.5 CASPOC仿真软件91.6基于Matlab的Simulink仿真软件101.7本章小结11第 2 章

3、基本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IGBT29 2.4 本章小结32第3章 基本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 直流电机控制系统仿真桥式可逆PWM变换器应用47 本章小结63总结体会64参考文献65引言计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路 ( 或系统 ) 的分析和设计中。计算机仿真不仅可以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，避

4、免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以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。可以说，电路的计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主要功能是能源变换、传递过程的控制。要变换的是电力形态，控制方法靠电子线路。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，控制它的是电子线路，有相当快速性，两者构成系统，尤其形成闭环系统时，用自动控制术语来说属病态系统，意即有不易解决的稳定性方面的问题 。这样的系统品质在 20 世纪 80 年代中后期有了飞速的提高。究其原因则是借助

5、于计算机仿真技术。电力电子学科近年发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、管理等方面的问题，才能解决好能源转换问题。由此可见，如此复杂的系统工程，只有充分利用计算机处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可见一斑。第1章 电力电子仿真软件概述1.1 PSpice 仿真软件PSpice 是由美国 Microsim 公司在 spice 2G 版本的基础上升级并用于 PC 机上的 Spice 版本，其中采用自由格式语言的 5 .0 版本自 20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，并且从 6 .0 版本开始引入图形界面。1998 年著名的

6、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 PSpice 8 .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、激励编辑、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：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析。最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析

7、；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接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。 PSpice 的应用范围很广，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，特别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。 虽然 PSpice 应用越来越广泛，但是也存在着明显的缺点。由于 Spice 软件原先主要是针对信息电子电路设计而开

8、发的，因此器件的模型都是针对小功率电子器件的，对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 采用变步长算法，对于周期性开关状态变化的电力电子电路而言，将造成把大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而导致计算时间的延长，输出数据结构的格式兼容性也不甚理想。 PSpice 的另一问题是仿真的收敛性问题。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。1.2 saber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

9、软件，也是唯一的多技术、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在结构上采用硬件描述语言（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可以确保同时进行的两个仿真进程都

10、能获得最大效率，而且可以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、控制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，仿真模型可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。因此，Saber可以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可以同时获得。为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采用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将自动采用下一

11、种算法。通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平衡。Saber采用其独特的设计，能够保证在最少的时间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Cadence Design System、Mentor Graphics和Viewlogic的集成。通过上述软件可以直接调用Saber进行仿真。1.3 PLECS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可以进行简化。另外PLECS工具箱的另外两大特色是：（1）仿

12、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。这样，在根本上加快了专业人员的设计时间，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基本元件和仿真模型，主要由两大部分组成: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; 而库元件则主要有: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。用户也可以根据自己的需求用内建元件来构建所需的电路元件。实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。 PLECS区别于以往传统的模拟仿真应用软件,主要有以下一些显著特点: (

13、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，不会让我们担心诸如导通电阻或吸收电容这样的参数问题.通常,我们可能不知道这些数值,特别是系统模拟所可能产生的寄生效应,也是很少被关注的,这样,PLECS元件理想化优势就体现在这里. B 稳定性好: 在模拟电路的搭建时，使用吸收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,就可以让您在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

14、电路模拟程序,转化瞬间的计算十分繁琐.有限斜率强制缩短了程序运行步骤的时间.在PLECS中,这个问题就容易解决.只需要通过理想开关的 即时运行就可以实现.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) 特殊的程序库 除了标准的参数如电流电压,有源器件外,PLECS还提供了一些特别的元件.在程序库里,你可以找到很多半导体元器件,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里还可以找到交流或直流发电机,如感应发电机或永磁同步发电机1.4 PSIM仿真软件PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。PSIM具有仿真高速、用户界面友好

15、、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、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，还可以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，控制部分用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。1.5 CASPOC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可以简单快速地建立电力电子、电机、负载和控制量的多级模型。这个多

16、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控制算法的系统级模型，最后使用CASPOC稳定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定性。1.6基于Matlab的Simulink仿真软件Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以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、卫星控制制导系统、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

17、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几乎可以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可以实现需要的仿真功能了。也可以根据自己的需要设计自己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好，是一种很不错的仿真工具。Simulin

18、k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。用户可以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框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。仿真结果可以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的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能。（4）与Matlab和工具箱集成由于Simulink可以直接利用Matlab的数学、图形和编程功能，用户可以直接在Simul

19、ink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可以通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。（5）专用模型库Simulink的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。由于在自动控制原理课程仿真中已经对simulink有了一定的熟悉，故在本次的电力电子仿真中仍然采用的是基于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真的常用仿真软件，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。仿真软件能够帮助我们更好地掌握电力电子的基本理论知识，它是我们在没有世间经验的情况下与实际沟通的桥梁，它是

20、一种强有力的工具。第2章 基本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Power Electronic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控制极，故属于不控型器件。分两种情况分别讨论电力二极管的工作特性：带纯阻性负载；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真的连接电路图外，也加入了电路的原理图，绘制原理

21、图的软件有很多种，在此我采用的是比较熟悉的Protel 99 SE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察。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1；在仿真过程中所用算法

22、为ode23tb(stiff/TR-BDF2)。仿真结果分析：从仿真的波形图可以很明显的看出，在纯阻性负载的情况下，其电流的波形与负载端电压的波形基本相同，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，二极管立即关断，并没有出现续流的情况。此时，负载端电压与电路电流均为0值，而二极管两端承受反向电压，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

23、所示： 图2-6 带阻感负载时仿真模型图仿真模块图说明：该仿真模块图基本与带纯阻性负载时的相同，唯一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然为220V,频率为50HZ。其电阻R任为1；电感值的分类如下：1 L=1e-3 H;2 L=10e-3 H;3 L=50e-3 H;4 L=150e-3 H;当 L=1e-3 H 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-3 H 时的仿真波形图如图2-8所示：

24、 图2-8 当L=10e-3 时的仿真波形图当 L=50e-3 H 时的仿真波形图如图2-9所示： 图2-9 L=50e-3H时的仿真波形图当 L=150e-3 H 时的仿真波形图如图2-10所示： 图2-10 L=150e-3 H 时的仿真波形图仿真结果分析：由四个波形图对比可以看出，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，可以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，二极管立即处于反向截止状态。当负载有电感值时，虽然电源电压在极性为正时电力二极管导通工作，情况与纯阻性负载时的类似，但是在

25、电源电压的极性变为负值时，电力二极管并不立即关断，而是有一定的延时续流，其延时续流的时间与其负载中电感的值有关，当电感值越大时，其延时续流的时间也越长。从四份仿真波形图的对比中可以分析得到，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原因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，所以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

26、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发展，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般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

27、极完全失去控制作用。要关断已经导通的晶闸管，必须使阳极电流小于维持电流，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，加一段时间的反向电压。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况。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察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

28、压及其电流的波形。在纯阻性负载的情况下分四种情况观察波形：1 触发角为0度的情况；2 触发角为30度的情况；3 触发角为60度的情况；4 触发角为90度的情况。首先在触发角为0度时仿真的波形图如图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

29、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1；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0，30，6090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的仿真波形图可以看出，当触发角为0时，当加在晶闸管两端的电压为正向电压时，晶闸管立即导通，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，晶闸管立即关断，其负载端的电压及其电流值均变为0值，但

30、是在此时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仿真波形图的情况下，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出现在前半个周期，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。由于是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，从而使晶闸管立刻关断，退出工作状态。从波形图中可以清楚的观察到无论在哪个触发角的情况下，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，其主要原因就是纯阻性负载是非储能元件，在电源电压变反时，而没有其他可以提供电动势的元件从而使得晶闸管两端的电压立即变为负值，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然将触发角分为0、30、60、以及90的情况进行仿真，并对其相应的波形进行分析。首先单相半波带阻感负载且触发角为0时的仿真波形如图如图2-20所示：