Simplorer在電力電子電路仿真實驗中的應(yīng)用

李文娟，程靜思，黃懷翀，焦建磊

（哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉發(fā)展起來的一門現(xiàn)代技術(shù)，它主要研究各種電力半導(dǎo)體器件及裝置，以實現(xiàn)對電能的變換和控制［1］。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)中［2］。電力電子技術(shù)課程是電氣工程及其自動化、工業(yè)自動化、信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程的主要內(nèi)容是關(guān)于電力電子器件的導(dǎo)通、關(guān)斷和整流、逆變、斬波等典型變換電路的工作原理及實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，該課程的內(nèi)容越來越豐富，教學(xué)要求也越來越高［3］。

然而，在實際教學(xué)中，由于電路類型多、波形變化多，學(xué)生往往感到波形分析比較復(fù)雜，學(xué)習(xí)效果不理想［4］。又由于電力電子技術(shù)所涉及的都是功率器件，硬件實驗費(fèi)時、費(fèi)用高且危險性大，因此，有必要利用仿真技術(shù)進(jìn)行形象、直觀的教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高課程教學(xué)質(zhì)量［5］。

Simplorer是一款功能強(qiáng)大的仿真軟件，它比目前廣泛應(yīng)用的 Matlab／Simulink、Psim等建模更容易、電路結(jié)構(gòu)更清晰，控制比Pspice和Saber要簡單，而且它的仿真結(jié)果精度高，非常接近實際情況［6］。更由于它具有豐富的功率器件庫，使建模更加方便、仿真快速穩(wěn)定。因此，本文將討論Simplorer在電力電子技術(shù)仿真實驗中的應(yīng)用。

1 Simplorer軟件

Simplorer是由Ansoft公司研發(fā)的一款可廣泛用于多領(lǐng)域系統(tǒng)的高性能仿真軟件［7］。Simplorer不像其他仿真軟件那樣只局限于某一技術(shù)領(lǐng)域問題（例如電路或控制器），而是提供了一個多工程領(lǐng)域的一體化仿真解決方案。該解決方案將多個精密設(shè)計、不同技術(shù)領(lǐng)域的仿真器集成于一體，包括電子線路、框圖、高性能電機(jī)模型、數(shù)字及離散系統(tǒng)等，完全消除了不同物理領(lǐng)域之間進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的過程，使不同工程領(lǐng)域的問題可以直接選擇最適宜的建模語言進(jìn)行建模和仿真［8］。Simplorer的數(shù)值積分采用歐拉法（Euler）和梯形法（Trapezoid）；電路方程的求解采用狀態(tài)變量法，計算步長可變，仿真穩(wěn)定快速。另外，Simplorer還有大量的元器件庫和豐富的附加模型庫可供選擇［9］。

在Simplorer中可以非常方便地利用Ansoft Maxwell軟件、C／C＋＋等編程語言建立模型，兼容SPICE模型，并提供了IEEE VHDL－AMS建模與仿真功能。Simplorer也提供了聯(lián)合仿真接口，包括Matlab／Simulink、MathCAD。這些聯(lián)合仿真接口基于Simplorer的開放程序接口，能夠靈活地對其他軟件進(jìn)行集成［10］。

電力電子電路仿真主要使用Basic Elements庫中的Circuit、Tools、Blocks和 Measurement子元件庫（見圖1），其中電力電子的主要器件如IGBT、MOSFET、二極管等在 Simplorer Elements＼Basic Elements＼Circuit＼Semiconductors System Level中選取。本文以電力電子變換電路中應(yīng)用比較廣泛的三相橋式逆變電路為例來闡述Simplorer的應(yīng)用。

圖1 Simplorer元件庫

2 三相橋式逆變電路的Simplorer仿真

逆變電路是電力電子技術(shù)的四大主要電路之一。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時，就需要逆變電路［11］。

三相橋式PWM逆變電路是電力電子技術(shù)課程中非常重要的內(nèi)容［12］，理解和掌握該電路的原理有助于正確設(shè)計實際的三相PWM逆變電路。但由于對該電路的分析、理解比較困難，在學(xué)習(xí)的過程中，如果不借助仿真手段，很難得到其復(fù)雜的動態(tài)變化的波形。筆者利用Simplorer仿真軟件對三相橋式逆變電路進(jìn)行了仿真建模，分析了由PWM控制的三相橋式逆變電路的工作狀態(tài)及波形的情況，并與方波控制的三相橋式逆變電路進(jìn)行了對比。

2.1 三相橋式逆變電路的仿真模型建立

由PWM控制的三相橋式逆變電路的設(shè)計分為主電路和控制電路2部分。主電路是由1個直流電壓源、3對功率開關(guān)器件和與其反并聯(lián)的二極管組成（見圖2），其中各相器件開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。每一時刻都會有3個橋臂同時導(dǎo)通。

圖2 三相橋式逆變電路主電路的仿真模型

該電路的控制方式有方波控制和PWM控制兩種。其中PWM控制的控制信號是由3個互差120°的正弦波與高頻三角載波進(jìn)行比較得到的，其仿真模型如圖3所示。將每路比較后所得到的結(jié)果再經(jīng)過反相器，產(chǎn)生與原信號相反的控制信號，用生成的這6路PWM波分別控制圖2上下橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，所生成的輸出信號按序號連接到主電路相應(yīng)序號的功率開關(guān)器件上。圖2中V1的控制信號波形如圖4所示。從圖中可以看出，這種調(diào)制方法產(chǎn)生的PWM波已經(jīng)包含了調(diào)制波的信息。

在仿真中，選擇歐拉算法，具體設(shè)置在Analysis／Add Solution Option中，將 TR選項卡中的Integration Method下的Integration設(shè)為Euler。3個正弦波發(fā)生器的延遲時間依次為0s、0.006 6s和0.013 3s。各參數(shù)設(shè)定如表1所示。

圖3 PWM控制的仿真模型

圖4 PWM控制信號波形

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果及分析

利用仿真模型所生成的負(fù)載相電壓波形如圖5（a）所示。可以看出，由PWM控制的三相逆變電路所得的相電壓uUN的幅值約為148V，是直流電源Ud的2／3，幅值和變化規(guī)律與理論推導(dǎo)相符，實現(xiàn)了逆變的要求。由方波控制的U相輸出相電壓波形如圖5（b）所示。對比可以看出，由PWM控制的電路所得的相電壓要比方波控制的電路所得的電壓更接近正弦波，且低次諧波含量少。這說明由PWM控制的逆變電路的逆變效果要更優(yōu)越一些。

利用仿真模型所生成的相電流i波形如圖6所示，可以看出，由PWM控制的三相逆變電路所得到的是為較平滑的正弦波曲線（見圖6（a）），而由方波控制的三相逆變電路得到如圖6（b）所示的結(jié)果只有正弦波的趨勢，但并不平滑。通過比較可以明顯地看出，由三角波為載波、正弦波為調(diào)制波所得出的控制信號控制下的三相逆變電路，要比由方波控制得到的結(jié)果更接近所需要得到的波形。

圖5 不同控制方法下的U相相電壓波形圖

圖6 三相相電流波形圖

從仿真結(jié)果可以看出，對于較難分析的由PWM控制的三相逆變電路，利用Simplorer仿真軟件可以較方便、快捷地得到較理想的波形，所得到的波形更符合實際，更便于對電力電子技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究。

3 結(jié)束語

本文在Simplorer仿真軟件中對電力電子技術(shù)中最常用的由PWM控制的三相全橋逆變電路進(jìn)行了仿真建模，得到了相電壓和相電流的波形，并對PWM和方波兩種不同控制下的輸出波形進(jìn)行了比較，得到的結(jié)果與原理分析的結(jié)果一致?？梢钥闯?，利用Simplorer仿真工具輔助三相橋式PWM逆變電路教學(xué)，仿真波形豐富、生動、直觀，便于學(xué)生更好地理解和掌握該逆變電路的基本原理，解決了對三相橋式PWM逆變電路教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，對于三相橋式PWM逆變電路的工程設(shè)計也有很大的幫助。

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