Simplorer在电力电子电路仿真实验中的应用

2014-12-25李文娟程静思黄怀翀焦建磊

实验技术与管理 2014年11期

李文娟，程静思，黄怀翀，焦建磊

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080）

电力电子技术是20世纪后半叶发展起来的一门现代技术，它主要研究各种电力半导体器件及装置，以实现对电能的变换和控制［1］。电力电子技术广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、新能源系统中［2］。电力电子技术课程是电气工程及其自动化、工业自动化、信息类专业的一门重要的专业基础课程，该课程的主要内容是关于电力电子器件的导通、关断和整流、逆变、斩波等典型变换电路的工作原理及实现。随着电力电子技术的快速发展，该课程的内容越来越丰富，教学要求也越来越高［3］。

然而，在实际教学中，由于电路类型多、波形变化多，学生往往感到波形分析比较复杂，学习效果不理想［4］。又由于电力电子技术所涉及的都是功率器件，硬件实验费时、费用高且危险性大，因此，有必要利用仿真技术进行形象、直观的教学，激发学生的学习兴趣、提高课程教学质量［5］。

Simplorer是一款功能强大的仿真软件，它比目前广泛应用的 Matlab／Simulink、Psim等建模更容易、电路结构更清晰，控制比Pspice和Saber要简单，而且它的仿真结果精度高，非常接近实际情况［6］。更由于它具有丰富的功率器件库，使建模更加方便、仿真快速稳定。因此，本文将讨论Simplorer在电力电子技术仿真实验中的应用。

1 Simplorer软件

Simplorer是由Ansoft公司研发的一款可广泛用于多领域系统的高性能仿真软件［7］。Simplorer不像其他仿真软件那样只局限于某一技术领域问题（例如电路或控制器），而是提供了一个多工程领域的一体化仿真解决方案。该解决方案将多个精密设计、不同技术领域的仿真器集成于一体，包括电子线路、框图、高性能电机模型、数字及离散系统等，完全消除了不同物理领域之间进行复杂数学转换的过程，使不同工程领域的问题可以直接选择最适宜的建模语言进行建模和仿真［8］。Simplorer的数值积分采用欧拉法（Euler）和梯形法（Trapezoid）；电路方程的求解采用状态变量法，计算步长可变，仿真稳定快速。另外，Simplorer还有大量的元器件库和丰富的附加模型库可供选择［9］。

在Simplorer中可以非常方便地利用Ansoft Maxwell软件、C／C＋＋等编程语言建立模型，兼容SPICE模型，并提供了IEEE VHDL－AMS建模与仿真功能。Simplorer也提供了联合仿真接口，包括Matlab／Simulink、MathCAD。这些联合仿真接口基于Simplorer的开放程序接口，能够灵活地对其他软件进行集成［10］。

电力电子电路仿真主要使用Basic Elements库中的Circuit、Tools、Blocks和 Measurement子元件库（见图1），其中电力电子的主要器件如IGBT、MOSFET、二极管等在 Simplorer Elements＼Basic Elements＼Circuit＼Semiconductors System Level中选取。本文以电力电子变换电路中应用比较广泛的三相桥式逆变电路为例来阐述Simplorer的应用。

图1 Simplorer元件库

2 三相桥式逆变电路的Simplorer仿真

逆变电路是电力电子技术的四大主要电路之一。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路［11］。

三相桥式PWM逆变电路是电力电子技术课程中非常重要的内容［12］，理解和掌握该电路的原理有助于正确设计实际的三相PWM逆变电路。但由于对该电路的分析、理解比较困难，在学习的过程中，如果不借助仿真手段，很难得到其复杂的动态变化的波形。笔者利用Simplorer仿真软件对三相桥式逆变电路进行了仿真建模，分析了由PWM控制的三相桥式逆变电路的工作状态及波形的情况，并与方波控制的三相桥式逆变电路进行了对比。

2.1 三相桥式逆变电路的仿真模型建立

由PWM控制的三相桥式逆变电路的设计分为主电路和控制电路2部分。主电路是由1个直流电压源、3对功率开关器件和与其反并联的二极管组成（见图2），其中各相器件开始导电的角度依次相差120°。每一时刻都会有3个桥臂同时导通。

图2 三相桥式逆变电路主电路的仿真模型

该电路的控制方式有方波控制和PWM控制两种。其中PWM控制的控制信号是由3个互差120°的正弦波与高频三角载波进行比较得到的，其仿真模型如图3所示。将每路比较后所得到的结果再经过反相器，产生与原信号相反的控制信号，用生成的这6路PWM波分别控制图2上下桥臂IGBT的导通与关断，所生成的输出信号按序号连接到主电路相应序号的功率开关器件上。图2中V1的控制信号波形如图4所示。从图中可以看出，这种调制方法产生的PWM波已经包含了调制波的信息。

在仿真中，选择欧拉算法，具体设置在Analysis／Add Solution Option中，将 TR选项卡中的Integration Method下的Integration设为Euler。3个正弦波发生器的延迟时间依次为0s、0.006 6s和0.013 3s。各参数设定如表1所示。

图3 PWM控制的仿真模型

图4 PWM控制信号波形

表1 仿真参数设置

2.2 仿真结果及分析

利用仿真模型所生成的负载相电压波形如图5（a）所示。可以看出，由PWM控制的三相逆变电路所得的相电压uUN的幅值约为148V，是直流电源Ud的2／3，幅值和变化规律与理论推导相符，实现了逆变的要求。由方波控制的U相输出相电压波形如图5（b）所示。对比可以看出，由PWM控制的电路所得的相电压要比方波控制的电路所得的电压更接近正弦波，且低次谐波含量少。这说明由PWM控制的逆变电路的逆变效果要更优越一些。

利用仿真模型所生成的相电流i波形如图6所示，可以看出，由PWM控制的三相逆变电路所得到的是为较平滑的正弦波曲线（见图6（a）），而由方波控制的三相逆变电路得到如图6（b）所示的结果只有正弦波的趋势，但并不平滑。通过比较可以明显地看出，由三角波为载波、正弦波为调制波所得出的控制信号控制下的三相逆变电路，要比由方波控制得到的结果更接近所需要得到的波形。

图5 不同控制方法下的U相相电压波形图

图6 三相相电流波形图

从仿真结果可以看出，对于较难分析的由PWM控制的三相逆变电路，利用Simplorer仿真软件可以较方便、快捷地得到较理想的波形，所得到的波形更符合实际，更便于对电力电子技术的学习和研究。

3 结束语

本文在Simplorer仿真软件中对电力电子技术中最常用的由PWM控制的三相全桥逆变电路进行了仿真建模，得到了相电压和相电流的波形，并对PWM和方波两种不同控制下的输出波形进行了比较，得到的结果与原理分析的结果一致。可以看出，利用Simplorer仿真工具辅助三相桥式PWM逆变电路教学，仿真波形丰富、生动、直观，便于学生更好地理解和掌握该逆变电路的基本原理，解决了对三相桥式PWM逆变电路教学的重点和难点问题，对于三相桥式PWM逆变电路的工程设计也有很大的帮助。

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［1］文亚凤，刘向军.EDA仿真技术在电力电子技术实践教学中的应用［J］.实验技术与管理，2006，23（12）：73－75.

［2］张宝生，王念春.MATLAB在电力电子教学中的应用［J］.电气电子教学学报，2004，26（3）：102－104.

［3］苏良昱，王武，葛瑜.电力电子技术仿真实验教学与创新思维拓展［J］.实验技术与管理，2013，30（1）：170－173.

［4］胡燕，彭其圣，侯建华.“电子技术”课程虚拟实验的应用［J］.电气电子教学学报，2013，35（5）：113－114.

［5］王耀，吴艳萍，郑丹.基于PSIM仿真的电力电子课程设计［J］.实验技术与管理，2013，30（12）：108－110.

［6］林立，唐杰，刘家芳，等.Simplorer在电力电子技术教学改革中的应用［J］.教育教学研究，2011（18）：169－170，187.

［7］闫英敏，刘卫国.基于SimplorerPro的无刷直流电机伺服系统仿真［J］.电气传动，2005，35（11）：19－21.

［8］李傲梅，傅鹏.基于Simplorer的电源电路仿真［J］.系统仿真学报，2007，19（4）：745－748.

［9］任先进，计小军.基于 Ansoft Simplorer 7.0的单相有源功率因数校正仿真研究［J］.通信电源技术，2009，26（6）：20－23.

［10］谢利军.基于Simplorer的全桥PWM控制器ISL6752的仿真研究［J］.测控技术，2009（9）：35－39.