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］。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。

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］。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AnsoftMaxwell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、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BasicElements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、MOS－FET、二极管等在SimplorerElements＼BasicEle－ments＼Circuit＼SemiconductorsSystemLevel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［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。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／AddSolutionOption中，将TR选项卡中的Integra－tionMethod下的Integration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。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。

作者：李文娟 程静思 黄怀翀 焦建磊 单位：哈尔滨理工大学