电力电子仿真软件综合概述

摘要

随着电力电子的飞速发展，电力电子技术的应用也变得越来越广

泛。它不仅用于一样工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系

统、运算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领

域中也有着广泛的应用，可以说时无处不见。

正是由于电力电子的重要性，我们必须把握好该理论。而且要把

理论与实践沟通起来，而沟通这两者的桥梁就是电力电子仿真软件。

本书主要分四章对仿真软件从由浅到深、化零为整系统地进行了

分析。在第一章中主要介绍了比较常见的仿真软件，并对其各自的优

缺点与主要的应用领域做了重点介绍。在第二章中为了熟悉simlink

仿真软件应用环境，介绍了三种典型电力电子器件的特性，即不可控

器件一电力二极管、半控器件一晶闸管、全控器件一IGBT。在第三

章设计分析了三种常见的典型电路并对仿真软件有了进一步的熟悉

与应用，即整流电路分析、交流调压电路分析、降压斩波电路分析。

在第四章中对直流电机运动控制系统一可逆PWM变换器应用作了

较为详细的设计与分析。

关键词：仿真软件simulink仿真波形整流调压斩波PWM

目录

引言........................................4

第1章电力电子仿真软件概述................5

1.1PSpice仿真软件..................................5

1.2Saber仿真软件..................................6

L3PLECS仿真软件.................................7

1.4PSIM仿真软件...................................9

1.5CASPOC仿真软件..............................9

1.6基于Matlab的Simulink仿真软件................10

1.7本章小结........................................11

第2章基本元器件特性的测试仿真...........12

2.1不可控器件——电力二极管.......................12

2.2半控器件一晶闸管..............................19

2.3全控器件—IGBT............................................................29

2.4本章小结.........................................32

第3章基本典型电路的设计与分析.............33

3.1整流电路的设计分析............................33

3.2交流调压电路的设计分析..........................38

3.3降压斩波电路的设计分析..........................43

3.4本章小结.........................................46

第4章直流电机控制系统仿真

一桥式可逆PWM变换器应用..............47

本章小结................................63

总结体会...................................64

参考文献...................................65

引言

运算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已

经广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。运算机仿

真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分

析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可

以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统

研制周期。可以说，电路的运算机仿真技术大大加速了电路的设计和

试验过程。

电气工程电路及其组成的系统主要功能是能源变换、传递过程的

控制。要变换的是自力形状，控制方法靠电子线路。电力与电子结合

形成了电力电子学科，它是一个较为年轻的学科。也是多学科交叉的

边缘学科。电力本质是能源，有相当惯性，控制它的是电子线路，有

相当快速性，两者构成系统，特别形成闭环系统时，用自动控制术语

来说属病态系统，意即有不易解决的稳固性方面的问题。这样的系

统品质在20世纪80年代中后期有了飞速的提高。究其原因则是借

助于运算机仿真技术。

电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学

科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、治理等

方面的问题，才能解次好能源转换问题。由此可见，如此复杂的系统

工程，只有充分利用运算机处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的

必要性、有效性可见一斑。

第1章电力电子仿真软件概述

1.1PSpice仿真软件

PSpice是由美国Microsim公司在spice2G版本的基础上升

级并用于PC机上的Spice版本，其中采用自由格式语言的5.0版

本自20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开

始引入图形界面。1998年著名的EDA席业软件开发商0RCAD公

司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品

正式并入0RCAD公司的商业EDA系统中。

现在使用较多的是PSpice8.0,工作于Windows环境，占用硬盘

空间60M左右，整个软件由原理图编辑、电路仿真、鼓励编辑、元

器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。

但各个部分都各有各的窗口。与传统的spice软件相比，PSpice

在三大方面实现了重大变革：第一，在对模拟电路进行直流、交流和

瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析。最坏情形

分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模

拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；第

三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且

可以随时分析观察仿真结果。

PSpice的应用范畴很广，电力电子电路的动态仿真仅仅是其应

用之一。PSpice的电路元件模型反映实际型号元件的特性，通过对

电路方程运算求解，能够仿真电路的细节，特别适合于对电力电子电

路中开关暂态过程的描述。它的仿真波形与试验电路的测试结果相

近，在模拟实际电路的波形方面比较准确，对电路设计有着重要指导

意义。

虽然PSpice应用越来越广泛，但是乜存在着明显的缺点。由于

Spice软件原先主要是针对信息电子电路设计而开发的，因此器件的

模型都是针对小功率电子器件的，对于电力电子电路中所用的大功率

器件存在的高电压、大注入现象不尽适用，有时甚至可能导致错误的

结果。PSpice采用变步长算法，对于周期性开关状态变化的电力电

子电路而言，将造成把大量的时间耗费在寻求合适的步长上面，从而

导致运算时间的延长，输出数据结构的格式兼容性也不甚理想。

PSpice的另一问题是仿真的收敛性问题。对复杂电路进行仿真时，

有时数据的准确性较低。另外，在磁性元件的模型方面PSpice也有

待加强。

1.2saber仿真软件

Saber是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信

号仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯独的多技术、

多领域的系统仿真产品。Analogy公司在机电一体化和电力电子设计、

分析方面居世界领先地位，其产品广泛应用于电力、电子、航空、运

输、家用电器及军事等领域。与传统仿真软件不同，Saber在结构上

采用硬件描述语言（MAST）和单内核混合仿真方案，并对仿真算法

进行了改进，使Saber仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。

应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型

是至关重要的。

Saber可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模

数混合信号设备进行仿真。利用Analogy公司开发的Calaversas算法，

Saber可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且可

以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现

了无缝联接。Saber适用领域广泛，包括电子学、电力电子学、电机

工程、机械工程、电光学、光学、水利、控制系统以及数据采样系统

等等。只要仿真对象能够用数学表达式进行描述，Saber就能对其进

行系统级仿真。在Saber中，仿真模型可以直接用数学公式和控制关

系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。因此，Saber可以

对复杂的混合系统进行精确的仿真，仿真对象不同系统的仿真结果可

以同时获得。为了解决仿真过程中的收敛问题，Saber内部采用5种

不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber

将自动采用下一种算法。通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间

也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平

稳、。Saber采用其特殊的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的

仿真精度。Saber工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的

实现与CadenceDesignSystem>MentorGraphics和Viewlogic的集成。

通过上述软件可以直接调用Saber进行仿真。

1.3PLECS仿真软件

PLECS仿真软件能为系统级电路仿真提供一个与Simulink模型

完全无缝的整合。在动力电子系统和电力驱动器的模拟上可以进行简

化。另外PLECS工具箱的另外两大特色是：（1）仿真速度比同类

仿真软件都要快得多；（2）功率半导体元器件理想化。这样，在根

本上加快了专业人员的设计时间，降低了成本。PLECS提供了涵盖

了电路、电力电子、电气传动等电气系统中常见的基本元件和仿真模

型，主要由两大部分组成:内建元件和库元件。内建元件包括:电阻、

电感、电容、电流源、电压源、变压器、安培表、伏特表，开关等元

件；而库元件则主要有:IGBT、GTO、晶闸管、二极管、双路开关、

三路开关、异步电机等的仿真模型。用户也可以根据自己的需求用内

建元件来构建所需的电路元件。

实际上，PLECS的库元件正是采用内建元件来构成的。PLECS

区别于以往传统的模拟仿真应用软件，主要有以下一些显著特点：（1）

兼容性好：与Simulink达到无缝结合；（2）高效的编辑原理；（3）开

关转换的理想化:A便于操作：一个理想的开关转化，不会让我们担

忧诸如导通电阻或吸取电容这样的参数问题.通常，我们可能不知道这

些数值，特别是系统模拟所可能产生的寄生效应，也是很少被关注的，

这样,PLECS元件理想化优势就体现在这里.B稳固性好：在模拟电

路的搭建时，使用吸取电路往往使模拟系统复杂性增加，弹性系数也

会上升.有些模块通常会要求固定时步模拟或使用弹性系数解算器.而

PLECS在没有缓冲器的条件下,就可以让您在Simulink的所有固定

时步和可变时步解算器中进行自由挑选.C速度快：传统的一些电路

模拟程序，转化瞬时的运算十分繁琐.有限斜率强制缩短了程序运行步

骤的时间.在PLECS中,这个问题就容易解决.只需要通过理想开关的

即时运行就可以实现,每个转化过程只需要两步.在某种程度上大大加

快了模拟速度.（4）特别的程序库除了标准的参数如电流电压，有源

器件外,PLECS还提供了一些特别的元件.在程序库里，你可以找到很

多半导体元器件,如开关，断路器.变流器和三相变压器等等.为了模拟

电子驱动,我们在PLECS里还可以找到交流或直流发电机，如感应发

电机或永磁同步发电机

1.4PSIM仿真软件

PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软

件。

PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力

电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的

仿真环境。

PSIM仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司

的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱

动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及

其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现,

由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。

1.5CASPOC仿真软件

CASPOC仿真软件是一个面向电力电子和电气驱动的功能强大

的系统级模拟软件。使用CASPOC可以简单快速地建立电力电子、

CASPOC工作窗口

电机、负载和控制量的多级模型。这个多级模型包括交互式电力供应

的电路级模型、电机/负载的部件级模型以及控制算法的系统级模型,

最后使用CASPOC稳固的求解器快速和精确地仿真，将该模型的时

域波形、向量和谐波直观动态地显示出来，从而让用户进行电力电子

领域内系统级的设计和分析工

CASPOC仿真软件拥有无可争议的仿真速度和稳固性。

1.6基于Matlab的Simulink仿真软件

Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态

系统进行建模、分析和仿真，它的建模范畴广泛，可以针对任何能用

数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制

导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执

行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用

鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富

的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不

书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink

还支持Stateflow,用来仿真事件驱动过程Simulink是从底层开发的

一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把

Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能

模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。也可以根据自己的

需要设计自己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好，是一种

很不错的仿真工具。

Simulink仿真具有以下的特点:

（1）交互建模Simulink提供了大量的功能块，方便用户快速

地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能块，并

将它们连接起来。用户可以通过将块组成子系统建立多级模型。对块

和连接的数目没有限制。

（2）交互仿真Simulink框图提供了交互性很强的非线性仿真

环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。

仿真结果可以在运行的同时通过示波器或者图形窗口显示。

（3）能够扩充和定制Simulink的开放式结构答应用户扩充仿

真环境的功能。

（4）与Matlab和工具箱集成由于Simulink可以直接利用

Matlab的数学、图形和编程功能，用户可以直接在Simulink下完

成诸如数据分析，过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级

设计和分析能力可以通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。

（5）专用模型库Simulink的模型库可以通过专用元件集进一

步扩展。

由于在自动控制原理课程仿真中已经对simulink有了一定的熟

悉，故在本次的电力电子仿真中仍旧采用的是基于Matlab的Simulink

仿真软件。

1.7本章小结

在本章中简单地介绍了目前比较常用的电力电子仿真的常用仿

真软件，并简要地介绍了各个电力电子仿真软件的优缺点以及其各自

应用的领域。

仿真软件能够帮助我们更好地把握电力电子的基本理论知识，它

是我们在没有世间体会的情形下与实际沟通的桥梁，它是一种强有力

的工具。

第2章基本元器件特性的测试仿真

2.1不可控器件一一电力二极管

电力二极管的仿真模型位于Simulink的SimPowerSystems

工具箱的PowerElectronic库中，为Diode,其模块如图2-1所示：

电力二极管的工作特性类似于模

0—I-------------o

拟电路中的二极管，当加在其两端的正匕/

------1I------

向电压大于其门槛电压时，二极管导通Diode

工作，否则二极管处于反向截止状态。图2-1电力二极管模型身

由于电力二极管无控制极，故属于不控型器件。

分两种情形分别讨论电力二极管的工作特性：①带纯阻性负

载；②带阻感性负载；

说明：为了分析的方便，在以下所有的分析中除了给出其仿

真的连接电路图外，也加入了电路的原理图，绘制原理图的软件

有很多种，在此我采用的是比较熟悉的Protel99SE软件，此处

图2-2电力二极管带纯阻负载电路原理图

其所对应的仿真模型如图2-3所示:

DiodeCurrentMeasurement

SeriesRLCBranch

A------trQ——io

(yACVoltageSovEA^geMeasurement1Scope

VoltageMeasurement

图2-3电力二极管带电阻负载时仿真模块图

仿真连接图说明:

该仿真图为在原理图的基础上加了电流测量模块与电压测量模

块，并通过示波器进行观察。

仿真波形图如图2-4所示：

图2-4带纯阻负载时的仿真波形图

该仿真中所用示波器为三踪示波器，第一踪波形为电路中的电流，第

二踪波形为负载端电压，第三踪波形为二极管端电压。

参数说明：

所用电源为交流220V其频率为50HZ；所用电阻R为1Q；在仿

真过程中所用算法为ode23tb(stiff7TR-BDF2)o

仿真结果分析：

从仿真的波形图可以很明显的看出，在纯阻性负载的情形下，其

电流的波形与负载端电压的波形基本相同，而且二极管两端加上正向

电压时，二极管导通，并随着交流电源电压幅值的上升，负载端电压

与电路电流也相应的上升，二极管端电压为0值。而在交流电源电压

的极性变反时，即加在二极管两端的电压变为负值时，二极管立刻关

断，并没有显现续流的情形。此时，负载端电压与电路电流均为0值,

而二极管两端承担反向电压，并随着交流电源电压幅值的变大，其反

向电压也变大。

带阻感性负载：

电路原理图如图2-5所示：

图2・5带阻感负载时的电路原理图

其所对应的仿真模块图如图2-6所示:

图2・6带阻感负载时仿真模型图

仿真模块图说明：

该仿真模块图基本与带纯阻性负载时的相同，唯独区别在于其负

载的变化。

参数说明：

由于在带阻感性负载的电路中，其电路的波形将会随着电感值的

不同而不同，故为了说明电感所起的作用，在此设四组电感值并对其

相应的波形进行对比分析。

电路中的交流电源电压仍旧为220V,频率为50HZo

其电阻R任为1Q；

电感值的分类如下：

①L=le-3H;

②L=10e-3H;

③L=50e-3H;

（4）L=150e-3H;

当L=le-3H时的仿真波形图如图2・7所示:

当L=10e-3H时的仿真波形图如图2-8所示:

图2-8当L=10e-3时的仿真波形图

当L=50e-3H时的仿真波形图如图2・9所示:

当L=150e-3H时的仿真波形图如图2・10所示:

图2-10L=150e-3H时的仿真波形图

仿真结果分析：

由四个波形图对比可以看出，当负载中的电感值发生变化时，其

所对应的波形也将相应的发生变化。

当L有值时，可以与带纯阻性负载时的波形进行比较，在纯阻性

负载电源电压的极性为正时，电力二极管导通工作，而当电源电压的

极性变反时，二极管立刻处于反向截止状态。当负载有电感值时，

虽然电源电压在极性为正时电力二极管导通工作，情形与纯阻性负载

时的类似，但是在电源电压的极性变为负值时，电力二极管并不立刻

关断，而是有一定的延时续流，其延时续流的时间与其负载中电感的

值有关，当电感值越大时，其延时续流的时间也越长。

从四份仿真波形图的对比中可以分析得到，当电感的值越来越大

时，电流波形的幅值也越来越小，而且也变得越来越平滑，其负载端

的电压波形在负轴也变得越来越越多，二极管的反向端电压也随着电

感值趋向于无穷大，其值也会趋向于0值。

波形不同于带纯阻性负载时的原因是由于电感是储能原件，在电

源电压的极性变反时，由于电感相当于电动势，所以它与电源电压综

合加在二极管两端的电压并没有变为负值，而任保持其导通。当电感

的值越大时，其作用也将越加的明显。

2.2半控器件——晶闸管

晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅，简称SCR。晶闸管在六七

十年代获得迅速的发展，除器件的性能与电压、电流容量不断提高外,

还派生出快速晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双

向晶闸管，形成晶闸管系列。

晶闸管在Simul汰中的模型图如图2-11所示：

晶闸管的工作特性可简单总结如下：

1门极断开时，晶闸管的

正向漏电流比一样硅二

极管的反向电流稍大，

且随着管子正向阳极电

压的升高而增大。当阳图2-n晶闸管模型

极电压升到足够大时，

会使晶闸管导通，称为正向转折或硬开通。

2晶闸管加上正向阳极电压后，还必须加上触发触发电压产

生足够的触发电流，才能使晶闸管从阻断状态转为导通状

态，称为触发导通。

③晶闸管一旦被触发导通后，门极完全失去控制作用。要关

断已经导通的晶闸管，必须使阳极电流小于坚持电流，对

于电阻负载，只要使管子阳极电压将为零即可。为了保证

晶闸管可靠与迅速地关断，通常在管子阳极电压将为零之

后，加一段时间的反向电压。

为了说明晶闸管的特性用简单的单向半波整流电路的仿真波形

作为简要的分析。

同样，晶闸管特性的讨论也将分为带纯阻性负载与带阻感性负载

的两种情形。

带纯阻性负载：

电路原理图如图2・12所示：

其所对应的仿真模块如图2-13所示:

A/W-8-

ThyristorCurrentMeasurement

皿!SeriesRLCBranch

PulseI

Generator□.

认

§ACVoltageSource

VoltageMeasurement

图2-13带纯阻负载仿真模块图

仿真图说明：

在该仿真图中，加入了电流测量单元与电压测量单元来观察负载

端电压与电路中的电流的波形，还测量了晶闸管的端电压及其电流的

波形。

在纯阻性负载的情形下分四种情形观察波形：

1触发角为0度的情形；

2触发角为30度的情形；

3触发角为60度的情形；

4触发角为90度的情形。

第一在触发角为0度时仿真的波形图如图2-14所示：

图2-14当触发角为0度时的仿真波形图

当触发角为30度时的仿真波形图如图2-15所示:

图2.15当触发角为30度时的彷真波形图

当触发角为60度时的仿真波形图如图2-16所示：

图2-16当触发角为60度时的，方真波形图

当触发角为90度时的仿真波形图如图2-17所示:

参数说明:

在该仿真中所用交流电源为220V且其频率为50HZ;因为在此只

是简单器件特性的验证性仿真，故为了简单起见，选取其负载电阻为

1Q；脉冲发生器的的周期值设置为0.02s,脉冲宽度为5%,相应的

触发角分别设置为l，3(r,60c90c所对应的值。仿真过程中所

用算法为ode23tb(stifiyTR-BDF2)。

仿真结果分析：

从图2-14的仿真波形图可以看出，当触发角为0°时，当加在

晶闸管两端的电压为正向电压时，晶闸管立刻导通，负载端的电压及

其电路中的电流均会随着电源电压的变化而发生相应的变化。

在交流电源电压为正的半个周期中，晶闸管两端的电压始终处于

。值，这也充分的说明了晶闸管正处于导通状态。

而当交流电源电压的极性变反时，晶闸管立刻关断，其负载端的

电压及其电流值均变为0值，但是在此时晶闸管两端的电压将会随着

交流电源电压的变化而相应的升高和降低。

在对比触发角为0。仿真波形图的情形下，分析触发角分别为

30°,60°,以及90°的波形图，不难会得出以下的结论：

负载端的电压及其电流值均且只能显现在前半个周期，其幅值都

为正值。而且晶闸管的工作必须是在交流电压为正且其触发角到来

时。

由于是纯阻性负载故在电源压变反时，加在晶闸管两端的电压也

将变为负值，从而使晶闸管立刻关断，退出工作状态。从波形图中可

以清楚的观察到无论在哪个触发角的情形下，当电源电压极性变反

时，其后半个周期的波形图均完全相同，其主要原因就是纯阻性负载

是非储能元件，在电源电压变反时，而没有其他可以提供电动势的元

件从而使得晶闸管两端的电压立刻变为负有，迫使晶闸管关断，也就

使得在后半周期的波形均完全相同。

带阻感性负载：

其电路原理图如图2T8所示：

图2-18带阻隔性负载时的电路原理图

其所对应的仿真图如图2-19所示:

并对其相应的波形进行分析。

第一单相半波带阻感负载且触发角为0。时的仿真波形如图如图2・20

所示:

图2-20触发角为。度时的仿真波形图

当触发角为30。时的仿真波形图如图2・21所示:

当触发角为60。时的仿真波形图如图2・22所示:

图2-22触发角为60度时的仿真波形图

当触发角为90。时的仿真波形图如图2・23所示:

参数说明:

交流电源仍旧为220V频率为50HZ;为了分析方便任然将负载电

阻值设置为VQ,负载电感值为2mH;

脉冲发生器的周期设置为0.02s,脉冲宽度为10%。触发角设置

为0。、30。、60。、90°相对应的参数值。

仿真过程中所用算法为ode23tb(stiff7TR-BDF2)。

仿真结果分析：

对比前面带纯阻负载的波形图不难看出在带阻感负载时电流的

波形比前种情形平滑。其原因就是因为在负载中加入了电感，而电感

是储能元件具有能够平滑波形的作用。

再对比观察负载端的电压，可以分析得到在两种情形下各个相对

应触发角时负载端的开始段波形即负载端开始存在电压时的波形完

全相同，其原因已在上面分析过，此处不再赘述。

但是再观察负载端电压的负半轴，可以看出带纯阻负载时负载电

压在负半轴并没有值，即当交流电源电压的极性变反时，负载端的电

压将不再变化，一直保持为零值。而带阻感性负载时可以看到负载端

电压的波形在负半轴也有值，也就是说在交流电源电压的极性变反

时，由于电感的存在，而电感又是储能原件，在这里就相当于一个电

动势，它与交流电源相抵消后加在晶闸管两端的电压并不是复制，从

而使得此时晶闸管不立刻关断，其负载端仍存在电压。而当综合后加

在晶闸管两端的电压变为负值时，晶闸管才退出工作状态，负载端的

电压也立刻变为零值。

对于晶闸管两端的反向电压，其分析过程相似，即在晶闸管处于

工作状态时一直保持为零值，但是当晶闸管退出工作状态，晶闸管两

端的电压有相应的值。此处不再详细分析。

当然，在此处还可以进行深入的讨论分析，即变化负载中电感的

值，并观察电感值的变化对各个波形图的影响。

由于在此只是简单的单个元器件特性的测试，故不再具体地分析

讨论。现将其原理说明如下。

众所周知，电感是储能元件，但是电感储能的能力与其电感值的

大小有关，当电感值越大时，其储能的能力也越强。故当交流电源电

压极性变反时，经过多长时间使得晶闸管两端的电压变为负值决定于

电感值的大小。电感值越大，储存的电能就越多，与交流电源作用的

时间就越长，从而使得晶闸管的导通时间加长，也将导致负载电压在

负半轴的有效值变大。

2.3全控器件——IGBT

将GTO或RTO双极型电流驱动器件与MOSFET单极型电压驱

动器件两类器件相互取长补短适

当结合而成的复合器件，通常称

为Bi-MOS器件。IGBT综合了前

两者的优点，因而具有良好的特

性。

其仿真模型在Simulink中的

图形如图2・24所示。图2-24IGBT仿真模型

现将IGBT的特性总结如下：

1IGBT的开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在

电压1000V以上是,IGBT的开关损耗只有GTR的1/10,

与电力MOSFET相当。

2在相同电压和电流定额的情形下，IGBT的安全工作区

比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

3IGBT的通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的

区域。

4IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。

5与电力MOSFET和GTR相比,IGBT的耐压和通流能力

还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。

同样，为了验证IGBT的特性，选取简单的升压斩波电路进行分

析。

该电压斩波电路的原理图如图2-25所示:

图2-25升压斩波电路原理图

其所对应的仿真模块图如图2-26所示：

Diode

产口

|皿|07v-Scope

PulseVoltage

Generator

DC

图2-26升压斩波电路仿真模块图

当脉冲发生器所对应脉冲的占空比为40%时所对应的波形图如

参数说明:

挑选直流电源电压为100V,网侧的电感值为8mH;负载的电阻

值为50Q；电容值为80uF；脉冲发生器的脉冲宽度为40%,且其脉

冲的周期设置为0.002so仿真过程中所用算法为

ode23tb(stiff7TR-BDF2)o

仿真结果分析：

该电路是一个简单的IGBT应用电路，从波形图可以直观地分析

得出在负载端的电压的负值时直流电源电压的两倍，即将直流电源电

压幅值100V升到了200V,这也是该电路的宗旨。

现在来分析前几个周期中的工作过程及其原理。第一，在波形图

中可以直观看到，在第一个周期中的脉冲作用时间，IGBT导通并有

电流流过。在负载端，由于电容没有累积的电荷，且此时电阻也被

IGBT短路，故在波形图上表现为负载两端的电压为零值。

而当脉冲变为低电平时，即IGBT被关断时，可以看到此时流过

IGBT的电流立刻变为零值。但是，主关键的是负载两端的电压会随

着电容的充电而迅速上升，由于充电时间常数的关系，在第一个周期

中负载端的电压并没有上升到最终的稳态值200Vo

在以后的几个周期中，其工作过程与第一个周期的工作过程完全

相似，但是要经过几个周期的稳固过程，直到负载端的电压稳固在

200V时，进入稳固运行状态，其后每个周期的波形完全相同。

2.4本章小结

在本章中主要分析了电力电子中的常用的典型元器件，旨在了解

和验证各种器件的工作特性，并第一对Simulink有个入门的认识和

初步的应用，为后面解决习题以及设计分析复杂的电力电子仿真电路

打下坚实的基础。

由于电力电子中的基本元器件比较多，故只能选取典型的代表进

行分析。

在不可控器件中挑选了正常用的电力二极管。而在半控器件中挑

选了晶闸管进行分析。在全控器件中挑选了最具典型代表的IGBTo

这些器件都是在电力电子中必须把握的器件，故在此挑选了这些器件

以加深对它们的懂得与把握。

第3章仿真软件在实际中的应用

在上一章中主要介绍了简单的电力电子器件的基本特性。主要为

不可控器件中的电力二极管，半控器件中的晶闸管，以及全控器件中

的最为典型的IGBT。

由于上一章的宗旨是熟悉仿真软件的应用环境以及验证器件的

特性，故在上一章中所涉及的电路都是非常简单易分析的电路。

在前一章的基础上，这一章将重点放在稍微复杂的电路中，为了

分析切近实际，选取几道习题作为本章的内容加以分析。

3.1整流电路的分析

在本节中所选取的一道习题题目为：

有一单相全控整流电路，电阻性负载，请画出负载端的电压以及

电流的波形和整流二极管所承担电压的波形。

第一，做出该题目所对应的电路原理图，如图3・1所示：

图3-1单相桥式整流电路原理图

其所对应的仿真电路模块图如图3-2所示:

图3・2单相桥式整流仿真模块图

众所周知，在整流电路中最关键的参数就是触发角的大小，它的

值直接影响着仿真波形的形状。故在该题目中主要环绕触发角的不同

来进行仿真得出相对应的波形图。

不失一样性，将触发角分为以下四种情形进行讨论：

1当触发角为0°时的波形图；

2当触发角为3()。时的波形图；

3当触发角为60°时的波形图；

4当触发角为90°时的波形图；

第一，在触发角为0°情形下时：

调剂第一路脉冲发生器的延迟角0°,由于在电路中两个桥臂是对

称的，则两个桥臂分别对应半个周期，故而调剂第二路脉冲发生器的

延迟角为180°。

则在触发角为0°时的波形图如图3・3所示:

图3-3触发角为0°时的仿真波形图

触发较为30°时的波形图如图3-4所示：

图3-4触发角为30°时的仿真波形图

触发角为60°时的波形图如图3-5所示:

100

JOOI-------------------------------------1---------------------------------------1--------------------------------------1--------------------------------------1-----------------------------------

1三…一仙一认h-Mh,…-R-MN

100

图3-5触发角为60°时的仿真波形图

参数说明:

由于在该题目中并没有给出确切的参数，所以为了分析方便，选

取参数如下：交流电源为100V频率为50HZ；负载的电阻值为150Q；

所用晶闸管的一些参数为其默认值。仿真过程中所用算法为

ode23tb(stiff7TR-BDF2)o

仿真结果分析：

在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1与VT4组成一对桥臂,

VT2与VT3组成另一对桥臂。在交流电源电压的正半周，若4个晶

闸管均不导通，则负载电流为零，VTkVT4串联承担交流电源电压,

若两个管子的漏电阻相等，则各承担一半。若在相应的触发角处给

VT1与VT4加触发脉冲，VT1与VT4即会导通，电流会从电源a端

流经VT1、R与VT4流回电源的b端。当交流电源电压过零时，流

经晶闸管的电流也降到零，VT1与VT4将关断。

在交流电源电压的负半周，仍旧在给定相应触发角处触发VT2

与VT3,使VT2与VT3导通，电流从b端流出，流经VT2、R与

VT3流回电源的a端。到电源电压过零时，电流又降为零，VT2与

VT3关断。此后又是VT1与VT4导通，如此循环地工作下去，将会

得到所对应的波形图。

由于在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，故而该

电路为全波整流。

在负载端电压的一个周期内，整流电压脉动两次，脉动的次数多

于半波整流电路，故该电路属于双波整流电路。

3.2交流调压电路的分析

交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光的控

制）及一步电动机的软启动，也用于异步电动机的调速。

在供电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调剂。此外,

在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路

调剂变压器的一次电压。

在本节中将选取一道有关交流调压的系统进行分析，旨在把握交

流脉宽调制的理论与思想。

所选习题的题目为：

有一交流调压电路，其所带负载为纯阻性负载，试画出负载端的

的电压与流经负载电流的波形。

交流调压电路的种类非常的多，但为了分析的方便，选取最常用

的晶闸管反向并联的一种做一分析。

其电路原理图如图3・7所示：

其所对应的仿真电路模块图如图3-8所示:

Generator1

11---------------------11

Scope

图3-8交流调压仿真模块图

为了进行对比，便于分析，在交流调压电路中仍旧采取以触发角

为核心，即观察不同触发角情形下所对应的仿真波形图。

在此，为了与前面分析的思路保持一致，故仍将所要观察的波形

图分为四种情形：

1当触发角为0°时的波形图；

2当触发角为30°时的波形图；

3当触发角为60°时的波形图；

4当触发角为90°时的波形图；

对脉冲发生器的参数进行相应的设置，可以得到在不同触发角情形下

的仿真波形图。

当触发角为0。时的波形图如图3・9所示:

图3-9触发角为0度时的仿真波形图

当触发角为30°时的波形图如图3・10所示：

图3-10触发角为30度时的仿真波形图

当触发角为60。时的波形图如图3・11所示:

图3-11触发角为60度时的仿真波形图

当触发角为90°时的波形图如图3-12所示：

图3-12触发脉冲为90度时的仿真波形图

参数说明:

在该题目也没有给定确切的参数，为了简单分析起见，选取电路

中的各参数如下：交流电源为100V频率为50HZ；负载的电阻值为

50Q；所用晶闸管的一些参数为其默认值。仿真过程中所用算法为

ode23tb(stiff7TR-BDF2)o

仿真结果分析：

第一该电路时由两个晶闸管反向并联并与负载串联所组成的电

路，两个管子分别工作于前半周期与后半周期。

在交流电源电压为正向时，晶闸管VT1已经做好了导通的准备。

但是当VT1未导通之前，电路始终处于断路状态，流过电路中的电

流始终为零，且其负载端的电压值也一直保持为零；当VT1的触发

脉冲到来时，VT1立刻导通，此时负载端的电压立刻变为交流电源电

压的值，其电流也由原先的零值变为相应电压下的值。直到交流电源

电压过零时，由于该电路是纯阻性负载的电路，并没有储能元器件存

在，故而加在VT1两端的电压值也立刻变为零值，VT1退出其工作

状态，使得负载端的电压与电流重新回到零值。

在交流电源电压为反向时，晶闸管VT1始终承担反向电压而处

在关断状态，但是此时VT2两端所承担的电压为正向电压，也就是

说VT2已经为导通做好了准备。当VT2的触发脉冲到来时，VT2也

立刻导通，负载端的电压又一次与交流电源电压的值相等，电流也为

其相应的值。直到交流电源电压再一次过零时，其电流与电压又变为

零值，从而完成一个工作周期，如此重复下去。

3.3降压斩波电路的分析

直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压

的直流电，也成为直接直流一直流变换器。

根据对输出电压平均值调制的方式不同，斩波电路可有三种控制

方式：

①保持开关周期T不变，调剂开关导通时间t,成为脉冲宽度

调制或脉冲调宽型。

②保持开关的导通时间不变，改变开关周期T,成为频率调制或

调频型。

③T与t都可调，使占空比改变，成为混合型。

在大多数的直流斩波调压电路中，一样均采用第一种方法，特别

是可控器件的飞速发展，使得其开关频率变得很高，这就使得用这种

方法变得更加方便。

由于在上一章中，介绍全控器件IGBT时所用电路为直流升压斩

波电路，故在本节中将选取一道有关降压斩波的习题来更深层次地认

识直流斩波电路。

所选习题的题目为：

试设计一个直流降压斩波电路，负载为纯阻性负载，其它参数自

定，并画出负载两端的电压，流过负载的电流，及IGBT两端的电压

波形图。

第一根据题目的要求做出其电路图。

其电路原理图如图3・13所示：

Q1...................................................................

图3-13降压斩波电路原理图

根据所对应的电路原理图，在simulk中做出其仿真电路的连接

图。

其仿真电路模块图如图3-14所示:

医3/4降压斩波电路仿真模块图

为了对比观察，做出了占空比在20%与40%情形下的仿真波形

图进行分析。

占空比在20%时的仿真波形图如图3-15所示:

占空比在40%时的仿真波形图如图3-16所示:

图3-16占空比为40驯寸的仿真波形图

仿真结果分析:

该降压斩波电路为最简单的一种电路，在该电路中IGBT就像是

一个模拟的高频开关，它以一定的频率导通与关断，其导通与关断所

对应的时间与占空比的设置有关。

当IGBT导通时，该电路就将电源电压加在了负载两端，并且这

时二极管由于承担反压而处于截止状态。

当IGBT关断时，负载与电源的通路被阻断，若负载时阻感负载

的话，将会使二极管承担正向电压而导通，进行续流，但是若为纯阻

负载时，电流与电压立刻变为零值，完成一个周期，如此重复下去。

很明显，占空比的大小最终决定了输出电压值的大小。

3.4本章小结

在本章中，在熟悉了simulink仿真软件的应用环境后，选取了三

道最常见的习题加以分析。

在整流电路中，选取了一道单相桥式全控整流电路，虽然较为简

单，但是它是懂得整个整流电路的基础，为懂得三相整流电路而做的

充分准备。

由于交流调压电路在各个方面的应用越来越多，故在第二节选取

了一道有关交流调压的电路做一分析，旨在把握交流调压电路的工作

原理，并了解其在实际中的应用。

直流斩波电路在电力电子中也有着举足轻重的作用，由于在器件

介绍中选取了升压斩波电路做了分析，故在本章的第三节中选取了降

压斩波电路和前面做一对比分析。

第4章直流电机控制系统仿真

一一桥式可逆PWM变换器应用

有了前面章节的内容作为基础，在熟练了其simulink仿真环境的

基础上，在本章将分析在运动控制系统中常见的一类调速系统，即直

流脉宽调速系统中的桥式可逆PWM变换器。

自从全控电力电子器件问世以后，就显现了采用脉冲宽度调制的

高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，

简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。

PWM系统在很多方面有较大的优越性：

①主电路线路简单，需用的功率器件少。

②开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机的损耗及发热都

较小。

③低速性能好，稳速精度高，调速范畴宽，可达1:10000左右。

④若与快速响应的电动机配合，则系统的频带宽，动态响应快,

动态抗干扰能力强。

⑤功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适

当时，开关损耗也不大，因而装置的效率较高。

⑥直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在

中小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。

故而把握直流PWM调速系统在直流调速系统中至关重要，故在

本章中重点分析可逆PWM变换器。当然可逆PWM变换器的主电路

有多种形式，在这里挑选最常见的桥式可逆PWM变换器。

桥式可逆PWM变换器的主电路由四个IGBT组成一个H桥，并

且每一个IGBT上均反并联有电力二极管，电力二极管起到续流的作

用，在此不再详述。H桥上所接器件为直流电机，然后在再桥的两端

加上直流电源电压。

其原理简图如图如图4・1所示：

关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有单极式、双极式，

受限单极式多种。这里为了简单起见，挑选了单极式控制方式进行详

细分析。

有了原理图之后，便可在simulink中连接出该电路的仿真电路连

接图。其仿真电路模块图如图4-2所示:

图4-2桥式可逆PNM变换器仿真电路模块图

为了对该系统进行全面的分析，将系统的各种情形进行分类，以

便在分析中进行对比，这样便能很直观地得到一些结论，并在分析过

程中有清楚地思路。

系统讨论分类情形如下：

㈠占空比为90%时对系统的分析；

㈡占空比为50%时对系统的分析；

（三）占空比为10%时对系统的分析；

在上面所分的三大类中，每一种又分为三小类。从而对该系统的

分析尽量达到全面。三小类为：

①电动机所带负载为轻载时的情形；

②电动机所带负载为适当负载时的情形；

③电动机所带负载为重载时的情形；

分析方法说明：

在以下的分析中，采取以一个大类为一个单元进行分析，即在每

一个大类中先给出三个小类情形下的波形图，然后对这三个小类的波

形图进行对比分析，并得出相关的结论。

这样，在三个大类单独分析完以后，再对三个大类的异同进行深

入的分析，必要时，要分析三大类不同的原因。

最终，对整个电路有一个整体的分析与概括，并对所做的分析做

一总结。

采取这种方法的好处是循序渐进，由里及表，化零为整，最终对

整个电路有一个深刻的分析。

㈠占空比为90%时对系统的分析

在脉冲触发电路中调剂脉冲发生器，使VD1与VD4所对应的脉

冲占空比为90%。

脉冲发生器所产生的脉冲波形如图4-3所示:

1.重载情形电机稳固后所对应的电机端电压与流过电机的电流的仿

真波形图如图4-4所不：

图4-4重载时负载电压与电流的波形图

重载情形下所对应的电机角速度W,电枢电流凡励磁电流If,以及电

磁转矩Te的仿真波形图如图4-5所示：

图4-5重载时电机w,la,If,Te的仿真波形图

2.中载情形电机稳固后所对应的电机端电压与流过电机的电流的仿

真波形图如图4・6所示：

中载情形下所对应的电机角速度W,电枢电流凡励磁电流If,以及电

磁转矩Te的仿真波形图如图4-7所示：

3.轻载情形电机稳固后所对应的电机端电压与流过电机的电流的仿

真波形图如图4・8所示:

图4-8占空比％90时轻载时电机端电压及电流波形图

轻载情形下所对应的电机角速度W,电枢电流凡励磁电流If,以及电

磁转矩Te的仿真波形图如图4-9所示：

图4-9占空比％90时轻载时电机w,la,If,Te的仿真波形图

参数说明：

在本分析电路中，所用的电源电压为直流140V,直流电机的励

磁电压为110V,所选电机的电枢电阻为0.6Q,电枢电感为0.012H,励

磁回路的电阻为240Q,电感为120H,电枢与励磁回路的互感为1.8Ho

仿真过程中所用算法为ode23tb(stiff7TR-BDF2)。

仿真结果分析：

在占空比为90%的情形下，第一最为直观地可以看出电机始终

处于正向转动状态，而且电机端电压波形正值比负值宽得多，对比不

同负载情形下的电机端电压波形图，不难发觉，三种情形下的波形图

都一样，这说明负载的大小并不影响负载端电压的波形，即负载端电

压的波形只与占空比有关。

再看流过电机的电流的波形，可以很明显地看到，电流的波形在

形状上相同，但在坐标的位置上发生了变化。当负载为重载的情形下

时，由于电流非常大，故在电压变为负值时，没有足够的时间将电流

衰减为零，从而使耳流的波形始终在正半轴。负载为中载时，可以看

到在电压为负值期间，电流几乎恰好能衰减为零，但此后电压值又变

为正值，故而电流也始终没有为负值。可是，在轻载情形下时，由于

电流较小，在电压为负值的期间，电流迅速衰减为零并变为负值，这

样，在轻载时，电流有正有负，但是由于电机是正向转动的故电流正

的有效值大于负的有效值。

再观察电机角速度的波形图，对比可以得到在重载情形时的角速

度最小，中载次之，轻载时的角速度最大。而且重载时的动荡比后两

者较大。其原因在于轻载时电机的加减速快，惯性小，也就是时间常

数小，从而波形非常平滑。

㈡占空比为50%时对系统的分析

在脉冲触发电路中调剂脉冲发生器，使VD1与VD4所对应的脉

S4-1O占空比为50%时的脉冲波形困

占空比为50%时电机端电压及电流仿真波形图如图4-11所示:

图4-11占空比为50%时电机端电压及电流仿真波形图

占空比为50%时电机w,la,Tf,Te的仿真波形图如图472所示:

图4-12占空比为50%时电机w,la,If,Te的仿真波形图

特别说明:

占空比为50%时是一种非常特别的情形，由于电机端电压在正

负半周的时间都相同，也就是说加在电机两端电压的有效值为零值，

就导致了这种情形下不管是重载、轻载、还是中载，所得到的各个情

形下的波形图形状与位置均相同，只是大小上有些区别而己，故为了

分析的简单起见，只画出一种情形仅作为代表进行在各种情形下波形

的分析。

参数说明：

为了与上面的分析统一起见，在本分析电路中，所用的参数仍旧

为：电源电压为直流140V,直流电机的励磁电压为110V,所选电机

的电枢电阻为0.6Q,电枢电感为0.012H,励磁回路的电阻为240C,电

感为120H,电枢与励磁回路的互感为L8H。仿真过程中所用算法为

ode23tb(stiff7TR-BDF2)o

仿真结果分析：

在该情形下，第一观察电动机角速度的波形图，不难发觉，电动

机在正反转交替，而且交替的频率与IGBT导通的频率相等。其主要

原因在于在脉冲占空比为50%时电压的波形是对称的，加在电机上

的电压有效值为零值，从而导致电机不能以一恒定的方向进行转动，

使得电机正反脉动。

在看流过电机的电流发觉其也是正负对称的，从而产生的转矩也

为对称的波形，这也是电机正反转交替的另一个原因。

从而我们可以得出一个结论，在脉冲占空比为50%的情形下时

电动机的转速不可能连续在一个方向上的转动。

㈢占空比为10%时对系统的分析

在脉冲触发电路中调剂脉冲发生器，使VD1与VD4所对应的脉

冲占空比为10%。

脉冲发生器所产生的脉冲波形如图4-13所示：

图4T3占空比为10%时脉冲波形图

1.重载情形电机稳固后所对应的电机端电压与流过电机的电流的仿

真波形图如图4・14所示：

图4-14占空比10%时重载时电机端电压及电流波形图

重载情