本文關(guān)鍵詞：計算機仿真技術(shù)在電力電子電路與系統(tǒng)分析中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　 20 卷 　 5 期 第 第
文章編號 :1006 - 9348 (2003) 05 - 0097 - 03

計　 　 　 　 算 機 仿 真

2003 年 5 月 　　

計算機仿真技術(shù)在電力電子電路與系統(tǒng)分析中的應(yīng)用
張開如 ,陳榮 ,孫鴻昌 ,王玉彬
( 山東科技大學濟南校區(qū)

信電學院 ,山東 濟南 250031)

摘要 : 該文介紹了一種基于 Matlab 可用于電力電子電路與系統(tǒng)分析的仿真軟件 — Power System Blocksets ,并將其與其它常用的
Pspice 、 Saber 等軟件進行了比較 。說明該軟件是電力電子電路與系統(tǒng)在計算機仿真領(lǐng)域中不可多得的軟件 。

關(guān)鍵詞 : 系統(tǒng)分析 ; 電力電子 ; 計算機仿真 中圖分類號 : TP391. 9 　　 文獻標識碼 :A

1　 引言
近年來計算機仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)得到了廣 泛的應(yīng)用 ,促進了電力電子產(chǎn)品研究 、 開發(fā)水平的提高 ,改善 了電力電子產(chǎn)品的性能 ,縮短了產(chǎn)品的創(chuàng)新周期 。 電路與系統(tǒng)的計算機仿真在電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究 和產(chǎn)品開發(fā)中占有重要的地位 ,它可以加深工程師對電路與 系統(tǒng)工作原理的理解 , 加速電路的設(shè)計和理論的完善 , 它能 幫助生產(chǎn)企業(yè)提高自身開發(fā)的水平 ,改善產(chǎn)品性能并能有效 地縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期 。本文介紹了一種用于電力電 子和電力傳動的計算機仿真工具 — Power System Blockset ,并 將其與其它電力電子仿真軟件作了比較 ,著重強調(diào)了該軟件 十分適合于電力電子電路與系統(tǒng)的設(shè)計 ,有利于產(chǎn)品性能的 提高和理論的完善 ,相信在電力電子領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越大的 作用 。

( Power System Blockset) , 這使得 MAT LAB 可以用于電力電子

仿真 。Power System Blocksets 的仿真是基于 Matlab 的 Simulink 圖形環(huán)境 ,使用起來十分方便 。Matlab 的強大數(shù)字計算功能 , 使得 Power System 的控制功能非常強大 , 尤其是利用其它相 關(guān)的工具包 ,電路可以實現(xiàn)極為細致的控制而不需要花費很 大的精力 。Matlab 的另一個優(yōu)點是數(shù)據(jù)處理十分有效 、 精確 、 運行速度較快 ; 數(shù)據(jù)的兼容性非常好 , 便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理 與分析 ,尤其是在控制特性的研究分析中 ,應(yīng)用十分方便 。

3 　Power System Blocksets 的功能 、 特點及應(yīng)用
Power System Blocksets 是為電力電子電路與系統(tǒng)以及電

力傳動而設(shè)計的 。它的基礎(chǔ)是 Matlab 中的 Simulink 。Simulink 全稱是 Dynamic System Simulation Software ,即系統(tǒng)仿真工具箱 , 是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模 、 仿真和分析的一個軟件包 , 它支持 線性和非線性系統(tǒng) 、 連續(xù)時間系統(tǒng) 、 離散時間系統(tǒng)和連續(xù)與 離散混合系統(tǒng) , 可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模 型 ,十分直觀 ,仿真精度高 , 結(jié)果準確 。正是由于 Simulink 具 有上述優(yōu)點和電力電子電路和系統(tǒng)分析的需要 ,人們又在它 的基礎(chǔ)上開發(fā)了 Power System Blocksets。
Power System Blocksets 的基本模塊有下面六部分 :

2　 幾種電力電子仿真軟件的特點比較
目前 ,在應(yīng)用較廣泛的電力電子仿真軟件中 ,Pspice 是應(yīng) 用較多的一種 。Pspice 最大的優(yōu)點就是能夠把仿真與電路原 理圖的設(shè)計緊密的結(jié)合在一起 。Pspice 廣泛應(yīng)用于各種電路 分析 ,可以滿足電力電子電路動態(tài)仿真的要求 。Pspice 的元 件模型的特性與實際元件的特性十分相似 ,因而它的仿真波 形與實驗電路的測試結(jié)果相近 , 對電路設(shè)計有重要指導意 義 。但 Pspice 的仿真數(shù)據(jù)處理量龐大 , 仿真和處理速度慢 , 輸出數(shù)據(jù)格式和兼容性差 ,這也限制了 Pspice 的應(yīng)用 。
Saber 是一種功能更為強大的電子和電力仿真軟件 , 它

① 連接器庫 。包括水平總線 、 垂直總線 、 輸入接地 、 輸出 接地 、 中性地等 。 ② 電源庫 。包括交流電流源 、 交流電壓源 、 可控電流源 、 可控電壓源和直流電壓源等 。 ③ 元件庫 。包括斷路器 、 線性變壓器 、 互感器 、 并聯(lián) RLC 支路模塊 、 并聯(lián) RLC 負載模塊 、 串聯(lián) RLC 負載模塊等 。 ④ 附加庫 。包括直流電機 、 同步六脈沖發(fā)生器 、 定時器 、 三相串聯(lián) RLC 負載 、 三相并聯(lián) RLC 負載 、 三相不可控全橋整 流橋與三相全控晶閘管全橋整流橋等 。 ⑤ 測量儀表庫 。包括電流表 、 電壓表等 。 ⑥ 電力電子器件庫 。包括二極管 、 、 GTO MOSFET、 BT IG 和晶閘管等 。
Power System Blocksets 通過與其它工具箱的聯(lián)合使用 ,可

可以仿真電力電子元件 、 電路和系統(tǒng) ; 不僅具有 Pspice 的功 能 ,還能結(jié)合數(shù)學控制方程模塊實現(xiàn)仿真 。Saber 的仿真結(jié) 果真實性好 , 與 Pspice 類似 。但 Saber 的數(shù)據(jù)處理量也相當 龐大 ,仿真的處理速度慢 。Saber 軟件價格高 , 使用時煩瑣復 雜 ,不利于推廣應(yīng)用 ,較適合于大企業(yè)應(yīng)用 。 針對目前電力電子仿真軟件的各自特點和電力電子研 究的需要 ,大型科學計算與仿真軟件配備了電力系統(tǒng)工具包
收稿日期 :2002 - 04 - 08

以方便地完成單元諧波分析 、 頻譜分析等 , 因而 Power System

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Blockset 具有廣泛的應(yīng)用范圍 ,使用十分方便 。

下面以 PWM 型變頻調(diào)速系統(tǒng)為例 , 講述 Power System
Blocksets 在電力電子電路 、 系統(tǒng)分析和設(shè)計中的應(yīng)用 。該系

統(tǒng)是一個基于六 MOSFET 模塊的帶電流反饋 、 采用 PWM 控 制的交流調(diào)速系統(tǒng) ,它驅(qū)動的是一個慣性力矩為 J 、 摩擦系數(shù) 為 B、 負載轉(zhuǎn)矩為 TL 的機械負載 。速度控制環(huán)采用比例 — 積 分控制 ,通過產(chǎn)生一個斜坡信號 , 可以用來控制輸出幅值和 控制三相輸出的振蕩器頻率的速度給定信號 ωr 。經(jīng)過對 ωr

圖1　 交流調(diào)速系統(tǒng)仿真原理圖

運算 ,可以得到三相電流控制信號 ia 3 、 3 和 ic 3 。最后 ,電 ib 為反饋電流波形圖 ,圖 3 為逆變器輸出電壓波形圖 。

機轉(zhuǎn)矩和速度信號可以在異步電動機的輸出端測量得到 。 通過仿真 ,可以觀測到電動機電壓 、 電流和轉(zhuǎn)矩在起動過程 中的變化情況 ; 可以觀測到電動機在穩(wěn)態(tài)工作時的各種參 數(shù) ;可以觀測到電動機負載發(fā)生變化時的電動機電壓 、 電流 和轉(zhuǎn)矩的變化情況 。圖 1 為交流調(diào)速系統(tǒng)仿真原理圖 , 圖 2

圖2　 反饋電流波形圖

圖3　 逆變器輸出電壓波形圖

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　　 在仿真原理圖中 , 逆變器 的觸發(fā)脈沖單元 為 一 集 成 單 元 ,它的內(nèi)部構(gòu)成如圖 4 所示 。 一路觸發(fā)脈沖如圖 5 所示 。

4　 結(jié)論
通過對整個系統(tǒng)的仿真 , 可以得到如下結(jié)論 :
1) 當改變電機本身的參

數(shù) ,如轉(zhuǎn)子電阻 、 電感和負載轉(zhuǎn) 矩等 ,就能實現(xiàn)對交流調(diào)速系 統(tǒng)不同工況下工作過程的仿真 分析 ,便于對不同參數(shù)和負載情況進行比較 。
2) 將 Power System Blockset 用于電力電子
圖4　 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生單元的內(nèi)部構(gòu)成圖

電路與系統(tǒng)的仿真 , 能夠?qū)⑾到y(tǒng)的各個組成 部分細化 ,即把各功能單元模塊化 ,在不同的 仿真實驗中可以相互借用 , 具有方便 、 直觀 、 靈活等優(yōu)點 ,仿真結(jié)果精確 ,接近于實際 。
3) 由 Power System Blockset 實現(xiàn)的仿真對

系統(tǒng)的暫態(tài)過程的描述不夠準確 , 這主要是 由于 Power System Blockset 簡化了開關(guān)元件的處理 ,認為是理 想模型 ,在提高仿真速度 、 簡化電路圖設(shè)計的同時 ,失去了對 系統(tǒng)過渡過程的描述 。 綜上所述 ,Power System Blockset 是一種基于理想化功率 模塊和功能模塊的仿真工具 ,它可用于電力電子電路與電力 傳動系統(tǒng)分析 。與 Saber 、 Pspice 相比 ,Power System Blockset 仿 真過程更加迅速 、 更加貼近實際 、 便于分析 。另外 Matlab 的 界面比較友好 ,因而設(shè)計更加方便 。Power System Blockset 十 分適合于電力電子電路和系統(tǒng)的分析 、 設(shè)計 , 是與 Pspice 、
Saber 等仿真軟件相輔相成的計算機仿真工具 。

圖5　 一路觸發(fā)脈沖
[3] 　 薛定宇 . 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 — LAB 語言及應(yīng)用 [ M] . MAT [4 ] 　 劉文良等 . MAT LAB 環(huán)境下異步電動機建模與仿真 [J ] . 天津輕

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動控制系統(tǒng)的建模與仿真 。

孫鴻昌 (1978 - ) , 男 ( 漢族) , 山東東營人 , 濟南市一建銀箭設(shè)計院 ,
助工 ,主要從事建筑電氣設(shè)計 。

王玉彬 (1972 - ) ,男 ( 漢族) ,山東東營人 , 山東科技大學信息與電氣
工程學院在讀碩士 ,主要研究方向為交流電氣傳動 。

Computer Simulation Technology Apply to Analysis of Power Electronics Circuit and System

ZHANG Kai - ru ,CHEN Rong ,SUN Hong - chang ,WANG Yu - bing

(Ji’ Branch of ShanDong University of Science and Technology ,Jinan Shandong 250031 ,China ) nan

ABSTRACT :This thesis produces a simulation software — Power System Blocksets which apply to power electronics circuit and system ; and compares with other simulation tools such as Pspice and Saber. It proves that the Power System Blockset is suit for power electronics circuit and system in the field of computer simulation. KEYWORDS :System Analysis ;Power Electronics ;Computer Simulation ;Power System Blocksets

工業(yè)學院學報 ,2001 ,3 (1) 1

清華大學出版社 ,19961

作者簡介

張開如 (1957 - ) ,男 ( 漢族) , 江蘇宿遷人 , 山東科技

大學信息與電氣工程學院副教授 , 主要研究領(lǐng)域為 交流傳動系統(tǒng)的建模 、 仿真及應(yīng)用 。

陳 　 (1976 - ) , 男 ( 漢族) ,山東東營人 ,山東科技 榮

大學信息與電氣工程學院助教 。主要研究領(lǐng)域為自

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  本文關(guān)鍵詞：計算機仿真技術(shù)在電力電子電路與系統(tǒng)分析中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。