【正文】 摘 要隨著電力電子的飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)的應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)時(shí)無(wú)處不見(jiàn)。正是由于電力電子的重要性，我們必須掌握好該理論。而且要把理論與實(shí)踐溝通起來(lái)，而溝通這兩者的橋梁就是電力電子仿真軟件。本書(shū)主要分四章對(duì)仿真軟件從由淺到深、化零為整系統(tǒng)地進(jìn)行了分析。在第一章中主要介紹了比較常見(jiàn)的仿真軟件，并對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)與主要的應(yīng)用領(lǐng)域做了重點(diǎn)介紹。在第二章中為了熟悉simlink仿真軟件應(yīng)用環(huán)境，介紹了三種典型電力電子器件的特性，即不可控器件—電力二極管、半控器件—晶閘管、全控器件—IGBT。在第三章設(shè)計(jì)分析了三種常見(jiàn)的典型電路并對(duì)仿真軟件有了進(jìn)一步的熟悉與應(yīng)用，即整流電路分析、交流調(diào)壓電路分析、降壓斬波電路分析。在第四章中對(duì)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)—可逆PWM變換器應(yīng)用作了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析。關(guān)鍵詞： 仿真軟件 simulink 仿真波形 整流 調(diào)壓 斬波 PWM目 錄引言……………………………………………………4第1章 電力電子仿真軟件概述……………………5 PSpice仿真軟件…………………………………………5 Saber 仿真軟件…………………………………………6 PLECS仿真軟件……………………………………… 7 PSIM仿真軟件…………………………………………9 CASPOC仿真軟件…………………………………9……………………10…………………………………………………11第 2 章 基本元器件特性的測(cè)試仿真…………………12 不可控器件——電力二極管……………………………12 半控器件——晶閘管……………………………………19 全控器件——IGBT………………………………………29 本章小結(jié)…………………………………………………32第3章 基本典型電路的設(shè)計(jì)與分析……………………33 整流電路的設(shè)計(jì)分析…………………………………33 交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)分析………………………………38 降壓斬波電路的設(shè)計(jì)分析………………………………43 本章小結(jié)…………………………………………………46第4章 直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真—橋式可逆PWM變換器應(yīng)用………………………47 本章小結(jié)…………………………………………………63總結(jié)體會(huì)……………………………………………………64參考文獻(xiàn)………………………………………………………65引言計(jì)算機(jī)仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子電路 ( 或系統(tǒng) ) 的分析和設(shè)計(jì)中。計(jì)算機(jī)仿真不僅可以取代系統(tǒng)的許多繁瑣的人工分析，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高分析和設(shè)計(jì)能力，避免因?yàn)榻馕龇ㄔ诮铺幚碇袔?lái)的較大誤差，還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度地降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期?？梢哉f(shuō)，電路的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大大加速了電路的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程。電氣工程電路及其組成的系統(tǒng)主要功能是能源變換、傳遞過(guò)程的控制。要變換的是電力形態(tài)，控制方法靠電子線路。電力與電子結(jié)合形成了電力電子學(xué)科，它是一個(gè)較為年輕的學(xué)科。也是多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。電力本質(zhì)是能源，有相當(dāng)慣性，控制它的是電子線路，有相當(dāng)快速性，兩者構(gòu)成系統(tǒng)，尤其形成閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，用自動(dòng)控制術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)屬病態(tài)系統(tǒng)，意即有不易解決的穩(wěn)定性方面的問(wèn)題 。這樣的系統(tǒng)品質(zhì)在 20 世紀(jì) 80 年代中后期有了飛速的提高。究其原因則是借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。電力電子學(xué)科近年發(fā)展形成了能源電子學(xué)科。所謂能源電子學(xué)科，除電力電子學(xué)科內(nèi)容外，還應(yīng)考慮材料、環(huán)境、可靠性、管理等方面的問(wèn)題，才能解決好能源轉(zhuǎn)換問(wèn)題。由此可見(jiàn)，如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有充分利用計(jì)算機(jī)處理綜合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可見(jiàn)一斑。第1章 電力電子仿真軟件概述 PSpice 仿真軟件PSpice 是由美國(guó) Microsim 公司在 spice 2G 版本的基礎(chǔ)上升級(jí)并用于 PC 機(jī)上的 Spice 版本，其中采用自由格式語(yǔ)言的 5 .0 版本自 20世紀(jì)80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從 6 .0 版本開(kāi)始引入圖形界面。1998 年著名的 EDA 商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商 0RCAD 公司與 Microsim 公司正式合并，自此 Microsim 公司的 PSpice 產(chǎn)品正式并入 0RCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。 現(xiàn)在使用較多的是 PSpice 8 .0 ,工作于 Windows 環(huán)境,占用硬盤(pán)空間60M左右，整個(gè)軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵(lì)編輯、元器件庫(kù)編輯、波形圖等幾個(gè)部分組成，使用時(shí)是一個(gè)整體。 但各個(gè)部分都各有各的窗口。與傳統(tǒng)的 spice 軟件相比，PSpice 在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析。最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行仿真，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)模混合電路進(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。 PSpice 的應(yīng)用范圍很廣，電力電子電路的動(dòng)態(tài)仿真僅僅是其應(yīng)用之一。 PSpice 的電路元件模型反映實(shí)際型號(hào)元件的特性，通過(guò)對(duì)電路方程運(yùn)算求解，能夠仿真電路的細(xì)節(jié)，特別適合于對(duì)電力電子電路中開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程的描述。它的仿真波形與試驗(yàn)電路的測(cè)試結(jié)果相近，在模擬實(shí)際電路的波形方面比較準(zhǔn)確，對(duì)電路設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)意義。 雖然 PSpice 應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是也存在著明顯的缺點(diǎn)。由于 Spice 軟件原先主要是針對(duì)信息電子電路設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的，因此器件的模型都是針對(duì)小功率電子器件的，對(duì)于電力電子電路中所用的大功率器件存在的高電壓、大注入現(xiàn)象不盡適用，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。 PSpice 采用變步長(zhǎng)算法，對(duì)于周期性開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的電力電子電路而言，將造成把大量的時(shí)間耗費(fèi)在尋求合適的步長(zhǎng)上面，從而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)，輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式兼容性也不甚理想。 PSpice 的另一問(wèn)題是仿真的收斂性問(wèn)題。對(duì)復(fù)雜電路進(jìn)行仿真時(shí)，有時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較低。另外，在磁性元件的模型方面 PSpice 也有待加強(qiáng)。 saber仿真軟件 Saber是美國(guó)Analogy公司開(kāi)發(fā)并于1987年推出的模擬及混合信號(hào)仿真軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，也是唯一的多技術(shù)、多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真產(chǎn)品。Analogy公司在機(jī)電一體化和電力電子設(shè)計(jì)、分析方面居世界領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力、電子、航空、運(yùn)輸、家用電器及軍事等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)仿真軟件不同，Saber在結(jié)構(gòu)上采用硬件描述語(yǔ)言（MAST）和單內(nèi)核混合仿真方案，并對(duì)仿真算法進(jìn)行了改進(jìn)，使Saber仿真速度更快、更加有效、應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。應(yīng)用工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，建立最精確、最完善的系統(tǒng)仿真模型是至關(guān)重要的。 Saber可同時(shí)對(duì)模擬信號(hào)、事件驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)以及模數(shù)混合信號(hào)設(shè)備進(jìn)行仿真。利用Analogy公司開(kāi)發(fā)的Calaversas算法，Saber可以確保同時(shí)進(jìn)行的兩個(gè)仿真進(jìn)程都能獲得最大效率，而且可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程之間的信息交換，并在模擬和數(shù)字仿真分析之間實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫聯(lián)接。Saber適用領(lǐng)域廣泛，包括電子學(xué)、電力電子學(xué)、電機(jī)工程、機(jī)械工程、電光學(xué)、光學(xué)、水利、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)等等。只要仿真對(duì)象能夠用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述，Saber就能對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。在Saber中，仿真模型可以直接用數(shù)學(xué)公式和控制關(guān)系表達(dá)式來(lái)描述，而無(wú)需采用電子宏模型表達(dá)式。因此，Saber可以對(duì)復(fù)雜的混合系統(tǒng)進(jìn)行精確的仿真，仿真對(duì)象不同系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以同時(shí)獲得。為了解決仿真過(guò)程中的收斂問(wèn)題，Saber內(nèi)部采用5種不同的算法依次對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，一旦其中某一種算法失敗，Saber將自動(dòng)采用下一種算法。通常，仿真精度越高，仿真過(guò)程使用的時(shí)間也越長(zhǎng)。普通的仿真軟件都不得不在仿真精度和仿真時(shí)間上進(jìn)行平衡。Saber采用其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，能夠保證在最少的時(shí)間內(nèi)獲得最高的仿真精度。Saber工作在SaberDesigner圖形界面環(huán)境下，能夠方便的實(shí)現(xiàn)與Cadence Design System、Mentor Graphics和Viewlogic的集成。通過(guò)上述軟件可以直接調(diào)用Saber進(jìn)行仿真。 PLECS仿真軟件PLECS仿真軟件能為系統(tǒng)級(jí)電路仿真提供一個(gè)與Simulink模型完全無(wú)縫的整合。在動(dòng)力電子系統(tǒng)和電力驅(qū)動(dòng)器的模擬上可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。另外PLECS工具箱的另外兩大特色是：（1）仿真速度比同類仿真軟件都要快得多；（2）功率半導(dǎo)體元器件理想化。這樣，在根本上加快了專業(yè)人員的設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了成本。 PLECS提供了涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)等電氣系統(tǒng)中常見(jiàn)的基本元件和仿真模型，主要由兩大部分組成:內(nèi)建元件和庫(kù)元件。內(nèi)建元件包括:電阻、電感、電容、電流源、電壓源、變壓器、安培表、伏特表，開(kāi)關(guān)等元件。 而庫(kù)元件則主要有:IGBT、GTO、晶閘管、二極管、雙路開(kāi)關(guān)、三路開(kāi)關(guān)、異步電機(jī)等的仿真模型。用戶也可以根據(jù)自己的需求用內(nèi)建元件來(lái)構(gòu)建所需的電路元件。實(shí)際上，PLECS的庫(kù)元件正是采用內(nèi)建元件來(lái)構(gòu)成的。 PLECS區(qū)別于以往傳統(tǒng)的模擬仿真應(yīng)用軟件,主要有以下一些顯著特點(diǎn): (1) 兼容性好：與Simulink達(dá)到無(wú)縫結(jié)合； (2) 高效的編輯原理； (3) 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的理想化: A 便于操作: 一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化，,我們可能不知道這些數(shù)值,特別是系統(tǒng)模擬所可能產(chǎn)生的寄生效應(yīng),也是很少被關(guān)注的,這樣,PLECS元件理想化優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)在這里. B 穩(wěn)定性好: 在模擬電路的搭建時(shí)，使用吸收電路往往使模擬系統(tǒng)復(fù)雜性增加,就可以讓您在Simulink的所有固定時(shí)步和可變時(shí)步解算器中進(jìn)行自由選擇. C 速度快: 傳統(tǒng)的一些電路模擬程序, . (4) 特殊的程序庫(kù) 除了標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)如電流電壓,有源器件外,你可以找到很多半導(dǎo)體元器件,如開(kāi)關(guān),. 為了模擬電子驅(qū)動(dòng),我們?cè)赑LECS里還可以找到交流或直流發(fā)電機(jī),如感應(yīng)發(fā)電機(jī)或永磁同步發(fā)電機(jī) PSIM仿真軟件PSIM是趨向于電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。　　PSIM具有仿真高速、