包邮电力电子技术PLECS仿真实践教程

第1章　PLECS仿真软件概述 1.1　典型电力电子技术仿真软件简介 电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。“电力电子技术”以“高等数学”“电路原理”“模拟电子技术”等课程为基础，同时也是“自动控制原理”“电机与拖动”等专业课程的前置基础课，具有很强的实用性和综合性，是电气工程领域理论和实践相结合的专业核心课程之一。电力电子技术教学质量的好坏，将直接影响后续课程的学习。电力电子技术实验教学在加深学生对基本概念、基本理论和基本方法的理解等方面非常有必要，而传统电力电子实验教学受场地、器材、时间等诸多因素的影响，难以让学生达到基本的实验目标。随着计算机仿真技术的发展，电力电子技术仿真软件大大简化了电力电子电路及系统的设计和分析过程，已成为学生学习“电力电子技术”课程的重要手段。 当前电力电子技术常用仿真软件有PSpice、Saber、PSIM、MATLAB/Simulink、PLECS等，每款软件各具特色。 PSpice属于元件级仿真软件，模型采用Spice通用语言编写，移植性强，非常适合信息电子电路仿真。现在使用较多的是 PSpice 16.0，工作于 Windows 环境，占用硬盘空间60MB左右，整个软件由原理图编辑、电路仿真、激励编辑、元器件库编辑、波形图等几个部分组成，使用时是一个整体。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，但不适用于大功率器件；采用变步长算法，导致计算时间的延长；仿真的收敛性较差。 Saber被誉为全球*先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真软件，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是Saber的*大特点。Saber是混合仿真系统，可以兼容模拟、数学、控制量的混合仿真，便于在不同层面分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。Saber仿真的真实性很好，从仿真电路到实际电路实现，参数基本不用修改。缺点是操作较复杂，占用系统资源较多，环路扫频耗时太长（以几十分钟计）。 PSIM是专门用于电力电子及电机控制领域的专业化仿真工具。PSIM具有快速的仿真功能和友好的用户界面等优点。PSIM和其他仿真软件的*重要的差异是仿真速度快，环路扫频速度快（较复杂的需几分钟），原理图仿真基本都能收敛。设计者可完全根据所掌握的主电路、控制方法等仿真知识直接进行设计。缺点是波形和数据的分析能力偏弱，不够精确和细致。 MATLAB/Simulink软件具有丰富的控制功能，同时提供了SimPowerSystems工具箱，构建仿真系统较灵活，广泛应用于电力电子技术仿真教学中。但SimPowerSystems仿真工具箱存在：难以仿真电力电子器件开关动态过程；对电机系统的联合仿真优化程度不足，难以仿真电机系统中的瞬变过程；受限于计算机的计算速度，过短的计算步长将导致计算机分配给MATLAB软件的存储空间溢出，过长的计算步长难以模拟电力电子变换器的过渡过程等问题。 PLECS（Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation）是由瑞士Plexim GmbH公司开发的，是一款电路和控制相结合的，专门用于电力电子的系统级仿真软件，尤其适用于电力电子和传动系统，被誉为“专业的系统级电力电子电路仿真软件”，非常适用于电力电子的仿真实验教学。PLECS具有丰富的元件库、极快的仿真速度、功能强大的示波器和波形分析工具、C语言控制器、能自动生成C代码等特点，遵循由上而下的设计理念，从电源、变流器到负载，应用于电力电子领域的各个方向，不管是工业领域中的开发者还是学术研究者，PLECS都能够加速其对电气系统的设计和分析，例如，PLECS承担了英飞凌科技公司的半导体器件的热模型设计工作。美国ABB GE（中国）研究中心石油天然气部门、西门子（中国）研究院高压变频实验室、GE医疗、中国科学院物理研究所、中国铁道科学研究院、中国长江电力股份有限公司等，以及中国清华大学电机系、浙江大学电气工程学院、合肥工业大学能源研究所、华中科技大学、武汉科技大学、南京工业大学、中国矿业大学信息与控制工程学院等都在使用PLECS。 PLECS有PLECS Blockset（嵌入版）和PLECS Standalone（独立版）两个版本。嵌入版使用Simulink解算器作为其解算器，需要配合MATLAB的Simulink使用，这相当于为Simulink增加了PLECS的工具包，在使用Simulink进行仿真时，可以调用PLECS的元器件库进行主电路搭建，而控制部分仍然使用Simulink中提供的控制模块，大大加快了Simulink的仿真速度。独立版脱离MATLAB/Simulink，具有控制元件库和电路元件库，使用GNU Octave作为其数值引擎，采用优化的解析方法，作为一个完整且独立的软件运行，系统控制部分可以在PLECS独立版中直接快速仿真，大大降低了投资和维护成本。与PLECS嵌入版工具箱相比，PLECS独立版电路仿真模型编辑器保持了易于使用的人性化界面的简约风格。 本书主要基于PLECS独立版进行仿真。 1.2　PLECS仿真软件安装 PLECS独立版可运行于Microsoft Windows 32-bit、Microsoft Windows 64-bit、Mac/Intel 64-bit和Linux/Intel 64-bit环境下。 Plexim GmbH提供了PLECS的免费试用版，可从瑞士Plexim GmbH 公司的网站上下载4种版本的安装文件，如图1-1所示。PLECS仿真软件可免费使用90天。 登录Plexim官网，下载*新版的PLECS独立版软件。下载后启动安装程序，按照安装界面提示逐步进行安装即可，以PLECS Blockset 3.6.1（64bit）为例，在Windows10操作系统下的具体安装过程如下。 （1）双击安装程序后出现图1-2所示的安装开始界面。 （2）单击图1-2中“Next”按钮，出现如图1-3所示用户许可协议界面。 （3）选择图1-3中“I accept the terms in the License Agrecment”复选框，然后单击图1-3中“Next”按钮，出现如图1-4所示安装用户选择界面。 （4）按需求选择当前用户或所有用户，再单击“Next”按钮，出现如图1-5所示安装路径选择界面。 （5）单击图1-5中“Change”按钮，选择自定义安装路径，也可以默认安装路径。然后单击“Next”按钮，出现如图1-6所示界面。 （6）单击图1-6中“Install”按钮，程序开始安装，安装结束后出现如图1-7所示运行安装向导界面。 （7）等待安装完成，单击“Next”按钮。PLECS安装目录必须添加到MATLAB路径中，PLECS将引导完成后续操作，按引导一直单击“Next”按钮，直到安装结束，再单击“Finish”按钮，结束安装。 1.3　PLECS仿真环境 1.3.1　PLECS欢迎界面 双击桌面图标，运行PLECS，出现如图1-8所示欢迎界面，左侧是“Library Browser（元件库浏览器）”，右侧是PLECS的欢迎界面，欢迎界面中有三个区域，分别是“Open Recent（打开近期的模型）”、“Create（创建新模型）”和“Browse（浏览）”。 “Open Recent（打开近期的模型）”区域显示了*近使用的电路仿真模型。“Browse（浏览）”区域为PLECS的帮助浏览器，单击任意一项均可打开“PLECS Help View”窗口。“Create（创建新模型）”区域为新建仿真模型，单击后将进入仿真模型编辑器窗口。 1.3.2　仿真模型编辑器 选择图1-8所示欢迎菜单中“Create→New model”选项，打开仿真模型编辑器窗口，也可以在元件库浏览窗口选择“File→New model”选项来打开仿真模型编辑器窗口，如图1-9所示。仿真模型编辑器是进行仿真模型编辑的主要窗口，包括菜单栏和仿真模型编辑区域。用鼠标拖动PLECS仿真模型编辑器主界面边缘可以调整PLECS仿真模型编辑区域，放大或者缩小到合适的大小。