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

計(jì)　 　 　 　 算 機(jī) 仿 真

2003 年 5 月 　　

計(jì)算機(jī)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(kāi)如 ,陳榮 ,孫鴻昌 ,王玉彬
( 山東科技大學(xué)濟(jì)南校區(qū)

信電學(xué)院 ,山東 濟(jì)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(jìn)行了比較 。說(shuō)明該軟件是電力電子電路與系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)仿真 中圖分類(lèi)號(hào) : TP391. 9 　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A

1　 引言
近年來(lái)計(jì)算機(jī)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(jìn)了電力電子產(chǎn)品研究 、 開(kāi)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(jì)算機(jī)仿真在電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究 和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中占有重要的地位 ,它可以加深工程師對(duì)電路與 系統(tǒng)工作原理的理解 , 加速電路的設(shè)計(jì)和理論的完善 , 它能 幫助生產(chǎn)企業(yè)提高自身開(kāi)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(dòng)的計(jì)算機(jī)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(qiáng)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(jì) ,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(lái)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(lái)十分方便 。Matlab 的強(qiáng)大數(shù)字計(jì)算功能 , 使得 Power System 的控制功能非常強(qiáng)大 , 尤其是利用其它相 關(guān)的工具包 ,電路可以實(shí)現(xiàn)極為細(xì)致的控制而不需要花費(fèi)很 大的精力 。Matlab 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理十分有效 、 精確 、 運(yùn)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(diǎn)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(dòng)而設(shè)計(jì)的 。它的基礎(chǔ)是 Matlab 中的 Simulink 。Simulink 全稱(chēng)是 Dynamic System Simulation Software ,即系統(tǒng)仿真工具箱 , 是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模 、 仿真和分析的一個(gè)軟件包 , 它支持 線性和非線性系統(tǒng) 、 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng) 、 離散時(shí)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(zhǔn)確 。正是由于 Simulink 具 有上述優(yōu)點(diǎn)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(kāi)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(diǎn)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(diǎn)就是能夠把仿真與電路原 理圖的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)仿真的要求 。Pspice 的元 件模型的特性與實(shí)際元件的特性十分相似 ,因而它的仿真波 形與實(shí)驗(yàn)電路的測(cè)試結(jié)果相近 , 對(duì)電路設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)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(qiáng)大的電子和電力仿真軟件 , 它

① 連接器庫(kù) 。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(kù) 。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(kù) 。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(fù)載模塊 、 串聯(lián) RLC 負(fù)載模塊等 。 ④ 附加庫(kù) 。包括直流電機(jī) 、 同步六脈沖發(fā)生器 、 定時(shí)器 、 三相串聯(lián) RLC 負(fù)載 、 三相并聯(lián) RLC 負(fù)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(cè)量?jī)x表庫(kù) 。包括電流表 、 電壓表等 。 ⑥ 電力電子器件庫(kù) 。包括二極管 、 、 GTO MOSFET、 BT IG 和晶閘管等 。
Power System Blocksets 通過(guò)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(xué)控制方程模塊實(shí)現(xiàn)仿真 。Saber 的仿真結(jié) 果真實(shí)性好 , 與 Pspice 類(lèi)似 。但 Saber 的數(shù)據(jù)處理量也相當(dāng) 龐大 ,仿真的處理速度慢 。Saber 軟件價(jià)格高 , 使用時(shí)煩瑣復(fù) 雜 ,不利于推廣應(yīng)用 ,較適合于大企業(yè)應(yīng)用 。 針對(duì)目前電力電子仿真軟件的各自特點(diǎn)和電力電子研 究的需要 ,大型科學(xué)計(jì)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(jì)中的應(yīng)用 。該系

統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)的是一個(gè)慣性力矩為 J 、 摩擦系數(shù) 為 B、 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 TL 的機(jī)械負(fù)載 。速度控制環(huán)采用比例 — 積 分控制 ,通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)斜坡信號(hào) , 可以用來(lái)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(hào) ωr 。經(jīng)過(guò)對(duì) ωr

圖1　 交流調(diào)速系統(tǒng)仿真原理圖

運(yùn)算 ,可以得到三相電流控制信號(hào) 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(jī)轉(zhuǎn)矩和速度信號(hào)可以在異步電動(dòng)機(jī)的輸出端測(cè)量得到 。 通過(guò)仿真 ,可以觀測(cè)到電動(dòng)機(jī)電壓 、 電流和轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)過(guò)程 中的變化情況 ; 可以觀測(cè)到電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的各種參 數(shù) ;可以觀測(cè)到電動(dòng)機(jī)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)的電動(dòng)機(jī)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(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真 , 可以得到如下結(jié)論 :
1) 當(dāng)改變電機(jī)本身的參

數(shù) ,如轉(zhuǎn)子電阻 、 電感和負(fù)載轉(zhuǎn) 矩等 ,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流調(diào)速系 統(tǒng)不同工況下工作過(guò)程的仿真 分析 ,便于對(duì)不同參數(shù)和負(fù)載情況進(jìn)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(gè)組成 部分細(xì)化 ,即把各功能單元模塊化 ,在不同的 仿真實(shí)驗(yàn)中可以相互借用 , 具有方便 、 直觀 、 靈活等優(yōu)點(diǎn) ,仿真結(jié)果精確 ,接近于實(shí)際 。
3) 由 Power System Blockset 實(shí)現(xiàn)的仿真對(duì)

系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程的描述不夠準(zhǔn)確 , 這主要是 由于 Power System Blockset 簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)元件的處理 ,認(rèn)為是理 想模型 ,在提高仿真速度 、 簡(jiǎn)化電路圖設(shè)計(jì)的同時(shí) ,失去了對(duì) 系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)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(dòng)系統(tǒng)分析 。與 Saber 、 Pspice 相比 ,Power System Blockset 仿 真過(guò)程更加迅速 、 更加貼近實(shí)際 、 便于分析 。另外 Matlab 的 界面比較友好 ,因而設(shè)計(jì)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(jì) , 是與 Pspice 、
Saber 等仿真軟件相輔相成的計(jì)算機(jī)仿真工具 。

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

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動(dòng)控制系統(tǒng)的建模與仿真 。

孫鴻昌 (1978 - ) , 男 ( 漢族) , 山東東營(yíng)人 , 濟(jì)南市一建銀箭設(shè)計(jì)院 ,
助工 ,主要從事建筑電氣設(shè)計(jì) 。

王玉彬 (1972 - ) ,男 ( 漢族) ,山東東營(yíng)人 , 山東科技大學(xué)信息與電氣
工程學(xué)院在讀碩士 ,主要研究方向?yàn)榻涣麟姎鈧鲃?dòng) 。

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(xué)院學(xué)報(bào) ,2001 ,3 (1) 1

清華大學(xué)出版社 ,19961

作者簡(jiǎn)介

張開(kāi)如 (1957 - ) ,男 ( 漢族) , 江蘇宿遷人 , 山東科技

大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院副教授 , 主要研究領(lǐng)域?yàn)?交流傳動(dòng)系統(tǒng)的建模 、 仿真及應(yīng)用 。

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

大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院助教 。主要研究領(lǐng)域?yàn)樽?br />
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  本文關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)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。