论文部分内容阅读
摘要：分析了SPWM的基本原理，建立了SPWM的SIMPLORER模型，将这一模型应用于电力电子技术教学，取得了较好的教学效果，同时利用这一模型成功地进行了恒压变频电源设计，提高了装置性能，缩短了产品研制周期，推广和使用美国Ansoft公司的Simplorer软件，对于提高电力电子与运动控制系统的教学水平，提升科研能力有着十分重要的意义。
关键词：正弦脉宽调制；协同仿真；Simplorer
作者简介：林立（1972-），男，湖南武冈人，邵阳学院电气工系，副教授；唐杰（1975-），男，湖南武冈人，邵阳学院电气工系，副教授。（湖南
邵阳 422004）
基金项目：本文系湖南省教改课题“电力电子技术课程教学内容与教学方法改革的研究与实践”（项目编号：湘教通[2010]243号）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）18-0169-02
随着高校课程教学改革的深入，电气工程及其自动化专业中的电力电子技术和运动控制系统这两门主干课程存在教学课时少、课程难度大的矛盾。学生普遍认为学好这两门课程有较大的难度，特别是随着新技术的发展，目前高校实验室条件跟不上新技术发展的步伐，如高校实验经费短缺、学生动手做实验的机会少、许多理论很难通过实验验证等，这就严重影响了教学质量和学生学习积极性的提高。为了解决这些矛盾，各种仿真软件应运而生，如MATLAB/SIMULINK、PSIM等电力电子与运动控制仿真软件。
美国Ansoft公司研制的SIMPLORER多领域协同仿真软件传入我国以后，受到该领域学者和学生的普遍欢迎，但如何利用这一软件进行教学，加深对基本理论的理解，在科研中缩短研制周期的详细分析在国内出版的文献杂志中却很少被提及，本文利用SIMPLORER強大的协同仿真功能，选择电力电子技术和运动控制系统中最具代表性的双极性异步调制SPWM控制技术的基本原理建立了仿真模型，利用这一模型应用于电力电子技术与运动控制系统核心章节的教学当中，经过教学实践表明：第一，该软件比目前广泛采用的MATLAB/SIMULINK、PSIM等电力电子与运动控制软件建模更容易，学生学习难度低、兴趣大；第二，该软件建立的模型和实际电路模型极为相似，易为学生所接受；第三，该仿真软件仿真结果精度高，非常接近实际情况。同时利用这一模型，指导学生毕业设计，进行恒压变频电源课题设计取得了较好的效果。虽然，美国Ansoft公司目前只在我国北京、上海和成都设立了负责这一软件的销售和技术支持工作的办事处，但由于这一软件具有优越的仿真功能，必将对我国的教学与科研产生深远的影响。
一、SIMPLORER仿真软件及建模方法
Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域高性能系统级仿真软件，适合于进行从发电到输变电，从传统能源到新型能源综合利用的电力系统的仿真，具有同时高效处理电机电器、电子线路、机电、液压和控制等多工程领域问题的能力，为用户更加专注于技术进步、激发创新提供了强大动力，完全消除了其他仿真工具中复杂数学转换的繁琐过程，不同工程领域问题可以直接选择最适宜的建模语言进行建模和仿真。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，并兼容SPICE模型，同时提供了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，能够灵活地对现有其他软件进行集成。针对电力系统的特殊应用，Simplorer具有丰富的模型库，包括完整的电机与控制模型库，包括集中参数、非线性参数以及基于有限元的精确模型、变压器、继电器模型库、可再生能源模型，包括风力发电、太阳能发电和燃料电池等；电力电子器件和线路模型库、电子元件模型库。[1]
该软件建模方法和MATLAB/SIMULINK建模方法相似，提供电子线路、框图、状态机和VHDL-AMS四种建模方法，并可以发挥各自的优点混合建模。[2]
二、SPWM的SIMPOLRER模型建立
1.SPWM 控制的基本原理
三相无源逆变SPWM控制技术既是电力电子技术课程的重点和难点，也是运动控制系统变频调速部分的重点和难点，利用SPWM控制逆变桥六个功率开关管的通断，基本原理是：以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望高得多的等腰三角波作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，获得正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，按照面积相等的原则（每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等），因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称为正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，简写为SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。调制原理如图1所示。
图1中U、V和W三相的正弦波脉宽调制的控制公用一个三角载波Uc，三相调制信号Uru、Urv和Urw的相位依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当Uru>Uc时，使上桥臂晶体管导通，下桥臂晶体管关断，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压UUN=Ud/2；当Uru 2.SPWM的SIMPLORER模型
依据SPWM 控制的基本原理，利用SIMPLORER框图建模方法建立的模型如图2所示。
图2仿真模型中，三角载波调用TRIANG模块，该三角波模块的频率和幅值可以设置，调制波选用三相正弦波模块SIN1、SIN2、SIN3这三个模块的频率和幅值可以按需设置相同，但相位互差120°，分别与三角载波做差比较，若正弦波与三角载波之差大于0则输出一个用COMP模块设置输出大小的控制信号（此处分别用COPM1、COMP2和COMP3）控制逆变桥的一个开关管，经NEG模块反相控制同一桥的另外一个开关管。
在该模型中，采用异步调制时，载波频率和幅值一般设置后固定不变，改变调制波的频率实现变频，改变调制波的幅值实现变压；采用同步调制时载波频率与调制波频率一起按比例进行设置。
三、仿真模型的应用
利用上面建立的模型和Simplorer强大的协同仿真功能，除了指导教学，提高教学效果外，还可利用这一工具指导学生毕业设计，进行科研，下面举个例子加以说明。
随着电力工业的发展，越来越多的用电设备对电源性能提出了更高的要求。迫切需要输出电压稳定但频率可以连续调节的电源，因此设计一种高输出品质的恒压变频电源有着十分重要的意义。恒压变频电压一般采用交-直-交结构，即经过整流滤波后实现逆变。控制电路采用双极性SPWM控制方式，结合恒压变频电源设计的基本原理，利用3.2节SIMPLORER建立的SPWM 模型，建立系统仿真模型如图3所示。
在该仿真模型中，E1、E2、E3是三相对称电源，设置相电压220V，频率50Hz，经三相不可控整流滤波后得到比较平直的直流电，逆变桥采用六个IGBT，负载采用Y 接法纯电阻负载。控制电路采用异步双极性SPWM控制，载波频率设置为800Hz，调制波幅值设置为311，调制波频率设置为50Hz，仿真时间设置为40ms。运行图3仿真模型后的载波和调制波波形、U相对于电源中性点N的波形与线电压波形UUV以及U相电压波形如图4所示。
调整控制电路参数，采用异步双极性SPWM控制，载波频率设置为800Hz，调制波幅值设置为311，调制波频率设置为100Hz，仿真时间设置为40ms。运行图3仿真模型后的载波和调制波波形、U相对于电源中性点N的波形与线电压波形UUV以及U相电压波形如图5所示。
从图4和图5仿真波形可以看出，仿真结果与理论分析的结果完全一致，一方面说明了仿真模型的正确性，另一方面，仿真波形直观明了，从实验的角度说明了理论的正确性，容易使学生理解掌握，同时从图4和图5还可以看出，在其他条件不变的情况下，改变调制波的频率，输出波的频率也发生了变化，但输出电压的幅值不变，实现了恒压变频。结合仿真，指导学生以2005年全国大学生电子设计竞赛三相正弦波变频设计为课题，进行毕业设计，确定了参数，对硬件选择及该装置的研制起到了较好的效果。
四、结论
本文分析了SPWM双极性控制的基本原理，创新点在于：利用SIMPLORER软件建立仿真模型，比其他软件更加接近实际，效率高，简单明了，并将该模型应用于教学和科研当中，起到了较好的效果，该软件简单易学，可以建立与实际模型相似的仿真模型，理解方便，在实验条件不足，以及新技术日益发展的今天，推广使用Ansoft公司研制的SIMPLORER多领域协同仿真软件，对我国的教学和科研必将产生深远的影响。
参考文献：
[1]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.
[2]任先进,计小军.基于Ansoft SI MPLORER7.0的单相有源功率因数校正仿真研究[J].通信电源技术,2009,(6):23-26.
（责任编辑：刘丽娜）
关键词：正弦脉宽调制；协同仿真；Simplorer
作者简介：林立（1972-），男，湖南武冈人，邵阳学院电气工系，副教授；唐杰（1975-），男，湖南武冈人，邵阳学院电气工系，副教授。（湖南
邵阳 422004）
基金项目：本文系湖南省教改课题“电力电子技术课程教学内容与教学方法改革的研究与实践”（项目编号：湘教通[2010]243号）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）18-0169-02
随着高校课程教学改革的深入，电气工程及其自动化专业中的电力电子技术和运动控制系统这两门主干课程存在教学课时少、课程难度大的矛盾。学生普遍认为学好这两门课程有较大的难度，特别是随着新技术的发展，目前高校实验室条件跟不上新技术发展的步伐，如高校实验经费短缺、学生动手做实验的机会少、许多理论很难通过实验验证等，这就严重影响了教学质量和学生学习积极性的提高。为了解决这些矛盾，各种仿真软件应运而生，如MATLAB/SIMULINK、PSIM等电力电子与运动控制仿真软件。
美国Ansoft公司研制的SIMPLORER多领域协同仿真软件传入我国以后，受到该领域学者和学生的普遍欢迎，但如何利用这一软件进行教学，加深对基本理论的理解，在科研中缩短研制周期的详细分析在国内出版的文献杂志中却很少被提及，本文利用SIMPLORER強大的协同仿真功能，选择电力电子技术和运动控制系统中最具代表性的双极性异步调制SPWM控制技术的基本原理建立了仿真模型，利用这一模型应用于电力电子技术与运动控制系统核心章节的教学当中，经过教学实践表明：第一，该软件比目前广泛采用的MATLAB/SIMULINK、PSIM等电力电子与运动控制软件建模更容易，学生学习难度低、兴趣大；第二，该软件建立的模型和实际电路模型极为相似，易为学生所接受；第三，该仿真软件仿真结果精度高，非常接近实际情况。同时利用这一模型，指导学生毕业设计，进行恒压变频电源课题设计取得了较好的效果。虽然，美国Ansoft公司目前只在我国北京、上海和成都设立了负责这一软件的销售和技术支持工作的办事处，但由于这一软件具有优越的仿真功能，必将对我国的教学与科研产生深远的影响。
一、SIMPLORER仿真软件及建模方法
Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域高性能系统级仿真软件，适合于进行从发电到输变电，从传统能源到新型能源综合利用的电力系统的仿真，具有同时高效处理电机电器、电子线路、机电、液压和控制等多工程领域问题的能力，为用户更加专注于技术进步、激发创新提供了强大动力，完全消除了其他仿真工具中复杂数学转换的繁琐过程，不同工程领域问题可以直接选择最适宜的建模语言进行建模和仿真。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，并兼容SPICE模型，同时提供了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，能够灵活地对现有其他软件进行集成。针对电力系统的特殊应用，Simplorer具有丰富的模型库，包括完整的电机与控制模型库，包括集中参数、非线性参数以及基于有限元的精确模型、变压器、继电器模型库、可再生能源模型，包括风力发电、太阳能发电和燃料电池等；电力电子器件和线路模型库、电子元件模型库。[1]
该软件建模方法和MATLAB/SIMULINK建模方法相似，提供电子线路、框图、状态机和VHDL-AMS四种建模方法，并可以发挥各自的优点混合建模。[2]
二、SPWM的SIMPOLRER模型建立
1.SPWM 控制的基本原理
三相无源逆变SPWM控制技术既是电力电子技术课程的重点和难点，也是运动控制系统变频调速部分的重点和难点，利用SPWM控制逆变桥六个功率开关管的通断，基本原理是：以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望高得多的等腰三角波作为载波，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，获得正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波，按照面积相等的原则（每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等），因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称为正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，简写为SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。调制原理如图1所示。
图1中U、V和W三相的正弦波脉宽调制的控制公用一个三角载波Uc，三相调制信号Uru、Urv和Urw的相位依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当Uru>Uc时，使上桥臂晶体管导通，下桥臂晶体管关断，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压UUN=Ud/2；当Uru
依据SPWM 控制的基本原理，利用SIMPLORER框图建模方法建立的模型如图2所示。
图2仿真模型中，三角载波调用TRIANG模块，该三角波模块的频率和幅值可以设置，调制波选用三相正弦波模块SIN1、SIN2、SIN3这三个模块的频率和幅值可以按需设置相同，但相位互差120°，分别与三角载波做差比较，若正弦波与三角载波之差大于0则输出一个用COMP模块设置输出大小的控制信号（此处分别用COPM1、COMP2和COMP3）控制逆变桥的一个开关管，经NEG模块反相控制同一桥的另外一个开关管。
在该模型中，采用异步调制时，载波频率和幅值一般设置后固定不变，改变调制波的频率实现变频，改变调制波的幅值实现变压；采用同步调制时载波频率与调制波频率一起按比例进行设置。
三、仿真模型的应用
利用上面建立的模型和Simplorer强大的协同仿真功能，除了指导教学，提高教学效果外，还可利用这一工具指导学生毕业设计，进行科研，下面举个例子加以说明。
随着电力工业的发展，越来越多的用电设备对电源性能提出了更高的要求。迫切需要输出电压稳定但频率可以连续调节的电源，因此设计一种高输出品质的恒压变频电源有着十分重要的意义。恒压变频电压一般采用交-直-交结构，即经过整流滤波后实现逆变。控制电路采用双极性SPWM控制方式，结合恒压变频电源设计的基本原理，利用3.2节SIMPLORER建立的SPWM 模型，建立系统仿真模型如图3所示。
在该仿真模型中，E1、E2、E3是三相对称电源，设置相电压220V，频率50Hz，经三相不可控整流滤波后得到比较平直的直流电，逆变桥采用六个IGBT，负载采用Y 接法纯电阻负载。控制电路采用异步双极性SPWM控制，载波频率设置为800Hz，调制波幅值设置为311，调制波频率设置为50Hz，仿真时间设置为40ms。运行图3仿真模型后的载波和调制波波形、U相对于电源中性点N的波形与线电压波形UUV以及U相电压波形如图4所示。
调整控制电路参数，采用异步双极性SPWM控制，载波频率设置为800Hz，调制波幅值设置为311，调制波频率设置为100Hz，仿真时间设置为40ms。运行图3仿真模型后的载波和调制波波形、U相对于电源中性点N的波形与线电压波形UUV以及U相电压波形如图5所示。
从图4和图5仿真波形可以看出，仿真结果与理论分析的结果完全一致，一方面说明了仿真模型的正确性，另一方面，仿真波形直观明了，从实验的角度说明了理论的正确性，容易使学生理解掌握，同时从图4和图5还可以看出，在其他条件不变的情况下，改变调制波的频率，输出波的频率也发生了变化，但输出电压的幅值不变，实现了恒压变频。结合仿真，指导学生以2005年全国大学生电子设计竞赛三相正弦波变频设计为课题，进行毕业设计，确定了参数，对硬件选择及该装置的研制起到了较好的效果。
四、结论
本文分析了SPWM双极性控制的基本原理，创新点在于：利用SIMPLORER软件建立仿真模型，比其他软件更加接近实际，效率高，简单明了，并将该模型应用于教学和科研当中，起到了较好的效果，该软件简单易学，可以建立与实际模型相似的仿真模型，理解方便，在实验条件不足，以及新技术日益发展的今天，推广使用Ansoft公司研制的SIMPLORER多领域协同仿真软件，对我国的教学和科研必将产生深远的影响。
参考文献：
[1]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.
[2]任先进,计小军.基于Ansoft SI MPLORER7.0的单相有源功率因数校正仿真研究[J].通信电源技术,2009,(6):23-26.
（责任编辑：刘丽娜）