Simplorer电力电子电路仿真教学法论文
Simplorer电力电子电路仿真教学法论文 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。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］。Ｓｉｍｐ ｌｏｒｅｒ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。
１Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ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］。Ｓｉｍ ｐｌｏｒｅｒ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，Ｓｉｍｐｌｏｒ ｅｒ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Ａｎ ｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ软件、Ｃ／Ｃ＋＋等编程语言建立 模型，兼容ＳＰＩＣＥ模型，并提供了ＩＥＥＥＶＨＤＬ－ ＡＭＳ建模与仿真功能。Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ也提供了联合 仿真接口，包括Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、Ｍａｔ ｈＣＡＤ。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ＢａｓｉｃＥｌｅｍｅｎｔｓ库 中的Ｃｉｒｃｕｉｔ、Ｔｏｏｌｓ、Ｂｌｏｃｋｓ和Ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔ子元件库（见图１），其中电力电子的主 要器件如ＩＧＢＴ、ＭＯＳ－ＦＥＴ、二极管等在Ｓｉｍｐ ｌｏｒｅｒＥｌｅｍｅｎｔｓ＼ＢａｓｉｃＥｌｅ－ｍｅ ｎｔｓ＼Ｃｉｒｃｕｉｔ＼Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓＳｙｓｔｅｍＬｅｖｅｌ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Ｓｉｍ ｐｌｏｒｅｒ的应用。图１Ｓｉｍｐｌｏｒｅｒ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［１ １］。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Ｓｉｍｐｌｏｒ ｅｒ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。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 ＳｏｌｕｔｉｏｎＯｐｔｉｏｎ中，将ＴＲ选项卡中的Ｉｎ ｔｅｇｒａ－ｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ下的Ｉｎｔｅｇｒａ ｔｉｏｎ设为Ｅｕｌｅｒ。３个正弦波发生器的延迟时间依 次为０ｓ、０．００６６ｓ和０．０１３３ｓ。各参数设定 如表１所示。
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Ｐ ＷＭ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。的可靠性，分别将２类仿真数据 进行多样本秩和检验（Ｋｒｕｓｋａｌ－ＷａｌｌｉｓＴｅｓｔ），结果如表９所示。结果表明，同一类别下的各组仿 真数据，其分布位置的差异没有统计学意义，可以认为所有 数据来自同一总体。由此可知，仿真算法具有较好的稳定性， 基于仿真数据的实验课设计选题不存在显著的难易差别。
３结束语 基于仿真技术的物流工程实验教学选题设计方法，能够 稳定地生成与原始数据同分布的仿真数据，较好地解决了原 实验课设计选题单一、实践性不强的问题。由于保留了工艺 过程等信息，且采用ＶＢＡ编程的方式辅助计算及结果呈现， 该方法并未明显增加实验教学过程控制及考核的难度。相比 其他选题设计的改进方案，该方法具有成本低、效率高、性 能稳定的优点，可为物流工程实验教学改革开辟一条新的思 路。