一种新的电力电子电路仿真工具——psim的应用探讨.pdf

第十四届全国电源技术年会论文集 一种新的电力电子电路仿真工 具一P S I M的应用探讨‘ 吕 征宇 钱照明、 陈国 柱 汪 粗生 浙 江 大 学电 气 工 程 学 院( 3 1 0 0 2 7 ) 摘要: 计算机电路仿真在电力电子的研究与开发中有着重要的作用， 它可以摺助工程师对电路与系统的原理及工作 状态的了 解， 大大加速电 路的设计和试验过程本文介绍一种用于电力电子电源与电力传动的新的仿真软件包一P S I M , 并将其与其它常用电 力电子仿真 软件的特点作了 比较， 说明该软件十分适合于电力电子电源与电力传动产品的初步设 计， 是计算机电路仿真技术在电力电子技术研发中应用的重要环节 叙词 : 电 力 电 子 世- 开 关 电 源 匆 夕 吮 I 引言 在日 趋激烈的电力电子产品市场竟争中， 产品的自 主知识 产权、经济技术性能、更新换代速度对于企业的生存十分重 要近年来， 计算机辅助 设计在电力电子行业中得到了较多的 应用， 有利于 提高电力电子研究、 开发水平， 改善电力电子产 品的性能及缩短产品试制周期但与印刷电路板的布线设计相 比，国内企业的计算机电路仿真在开关电u T 产品研发中的应用 相对滞后 计算机电路与系统仿真在电力电子技术的研究与开发中有 着重要的作用， 它可以加深工程师对电路与系统的原理及工作 状态的 理解，大大加速电路的设计和试验过程。

它能帮助科研 部门和企业明显提高研究开发水平、 改善产品的性能，以及缩 短产品试制周期因 此， 促进计算机仿真技术在电力电子产品 的研发中的应用对于 本行业的发展十分重要 然而， 电力电子仿真技术在开关电源的设计中应用尚未普 及， 其中有软件功能、 软件价格、 应用对象限制及使用者习惯 等因家本文介绍一种用于电力电子电源与电力传动的新的仿 真软件包一P S I M ， 并将其与其它电力电子仿真软件的特点作了 比较， 说明该软件十 分适合于电力电子电源与电力传动产品的 初步设计， 是计算机电 路仿真技术在电力电子技术研发中的应 用的重要环节 2 几种典型的电路仿衷软件包的特点比较 在目 前流行的电 力电子仿真软件中， P S P I C E 是应用较多的 一种这与P S P I C E 的仿真能够与电路原理图的 设计相结合得较 密切有关P SP I C E 的 应用范围很广，电力电子电路仅仅是其应 用领峨之一P S P I C E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 合于对开关电a中开关暂态过程的描述它的仿真波形与实验 电路的测试结果相近，对电路设计有重要指导意义。

P S P I C E的 仿真数据处理量比 较庞大， 仿真的处理速度较慢， 艳出数据结 构的格式兼容性亦不甚理想 P S P I C E 的另一间题是仿真的收散 性往往成为同 题， 复杂电路的 仿真有时数据的准确性较低 与P S P I C E 相比，S A B E R是功能更为强大的仿真软件， 它 可以仿真电力电子元件、电路和系统， 不仅具有P S P I C E 的功 能， 而且具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力， 还能 结合数学控制方程棋块工作S A B E R 还可以仿真电力传动、 机 械、 热力、 流体等其它运动过程S A B E R的仿真真实性很好， 从仿真的电 路到实际的电路实现， 其间参数基本不用修改与 P S P I C E 相仿， S A B E R的 数据处理量亦相当庞大， 仿真的处理速 度慢S A B E R 应用的主要困难是操作较为复杂、软件价格高 昂，比 较适合于大企业应用，而中小企业一般是通过委托研 究、 开发来利用该软件 目 前， 大型科学计算与 仿真软件IN A T I A B 已经可以配备电 力系统工具包 ( P O W E R S Y S T E M ) o 这使得 M A 'T L A B 可以用于电 力电子仿真。

P O W E R S Y S T E M的仿真是基于M A T L A B的S IM U - I : B Y T { 图形环境，因而使用起来与P S P I C E 一样方便M A T L A B的 强大数学运算功能，使得 P O WE R S Y S T E M的控制功能非常卓 越， 尤其是利用其他相关的工具包，电路可以实现极为细致控 制而不需花费很大的精力使用 M A T L A B的另外好处是:其数 据处理十分有效、 精细， 运行速度较快;其数据的格式兼容性 十分好， 便于数据的后处理与分析尤其是控制特性的研究分 析问题在于目 前的P O W E R S Y S M 】 是基于一般电路元件的摸 型以及数学模块 〔 例如传递函数)来进行仿真的， 与实际元件 的参数有差别， 仿真的结果与实际电路有一定距离，其结果的 参考意义主要体现在电路的总体与系统上，荃本忽略了对实际 开关的暂态过程描述 针对目 前电力电子仿真软件的各自 特点和电力电子研发的 要 求， P S I M作为一种新的仿真软件开始得到应用P S I M的特 点是采用类似于上述 M A T L A B 的基于一般电路元件的模型以及 数学模块来进行仿真的思路， 并结合P S P I C E 的简便电路作图方 法。

P S I M的图形界面十分友好，比 上述软件均容易掌握由于 浙江省院士墓金资助项目 5 7 一种新的电力电子电路仿真工具-P S I M的应用探讨 P S I M是专门针对电力电子电源和电力电子传动而设计的， 设计 仿真电路比M A T L A R 的P O W E R S Y S T E M方便，其运行效率十分 高 P S I M的 输出 数据格式兼容性亦十分好， 能够方便地转换到 E X C E L L 和M A T L A R 所识别的格式与M A T L A R 相仿，因其棋 型元件为理想元件， 其仿真结果的参考意义体现在电路的总体 与系统上 3 P S I M的功能、 特点及应用限制 P S L M的 全称是P O W E R S I M ， 专门为电力电子电源与电力电 子传动而设计目前的新版本是基于 W I N 9 5 w 8 或 !} r 平台的 P S I M包括一个基本软件包与两个配备的工具包: 数字信号处理 模块与电力拖动模块 P S a l 的 基本程序有三个， S I M C A D是电路原理图的编辑程 序， P S I M是仿真程序，而 S I M V IE W是仿真结果的图形显示程 序。

图1 , 2 分别表示〕 IS I M的仿真程序流程和P S I M中各电路模 块间的相互关系 P S I 3 1 基本电路模块有四大部分 使用也十分方便 图3 是数字控制电 路的例子对设计者而言，由于P S A 1 中 的元件或单元是基于功能的模型，省去了实际元件的许多引脚 和辅助电源等端口，电 路图的制作更为简明扼要图4 是单位 功率因数 A C I D C变换器的 P S L M仿真电路图，电路结构与 P S P I C E 相仿， 所不同的是其中的开关与控制单元大量使用了理 想元件其中的开关控制器只要直接与开关柑连即可， 不用考 虑电 平移动， 这与M A T L A R 的P O W E R S Y S I E N ， 中的处理方法是 类似的由 于忽略了开关的杂散参数， 使得电路的数据处理童 大为减少， 使运算速度显著提高 ( V- ) 严，母丹 - 一! 令loa n 一 -不 - 升 lo z I ‘ 一 0 a 沼﹀土一 厂、 S I Y C 劝 图 3 数字控制电路例子 殆 工 月 、s i 'rl S 3 i ) 图1 P S I M的仿真程序流程 图2 P S I M中电 路模块的相互关系 ( l )主回路元件库 包括 R , L , C元件、单个半导体开关与二极管、电力半 导体模块 ( 包括整流、逆变等功能块) 、 藕合电感与变压器、 电动机模块 ( 如直流电机、 交流感应电机、 直流无刷电机、开 关磁阻电机)和各种电机的机械负载等。

( 2 )控制回 路单元库 包括各种传递函 数、 线性运算单元、 非线性运算单元、逻 辑电 路单元、 各种离散数字信号处理功能单元等 ( 3 )各类开关控制驱动器、晶闸管相控触发单元、电流、 电压传感器、 各类电工仪表 ( 4 )交、 直流和特殊函数发生的电流、 电压源，各类受控 电流、电压源 P S I 5 1 还有专门用于分析单元谐波畸变、 频谱分析、三相电 路D一 4变换单元等因此， P S I M具有非常广泛的应用范围， 5 8 图4 单位功率因数A C / D C 变换器 单位功率因数变换器一类电路是对仿真软件运行速度的一 大考脸， 仿真软件在描述高频开关变换器的每一个开关周期的 波形细节的同时又要显示 5 0 H z 工频电流信号数个完整周期: 这对于P S P I C E 或S A B E R的过程来说，目 前P C 机需要的仿真时 间往往以 小时计算对于 f' M而言， 这仅仅需要数分钟这 对于要迅速理解和把握电路的总体特性是十分有利的 P S I M 的仿真结果显示比较灵活，其 S B t V I E W的功能与 P S P I C E 中的P R O B E 相仿，图5 是 S W I E W的一个波形显示例 子。

由于开关棋型的理想化， 使得数据量相对较小， 波型的更 新较为迅速二 P S B It 的仿真结果以T X T 文件格 式物出， 该文件可 以 方便地转换为E X C E L 与4 1 A I I . A B 所认同的数据格式，因而十 分便于数据的后处理 由于开关元件处理上的简化， P S L N 1 在提高仿真速度、简化 电 路图设计过程的同时， 也失去了描述开关过渡过程的能力 因此， 对于开关过程的电流、电压尖刺等暂态过程， P S R e1 一般 不能详细描述这一点从图5 中亦可看出虽然通过附加杂散 第+四届全国电源技术年会论文集 小参数，也可以使P S I M能够反映电流、电压尖刺等开关暂态 过 程， 但这会使电路设计复杂化在模拟实际电路的波形方 面， P S I M不如S A B E R和P S P I C E 准确 广凡卢气八 二二 只 劝如朗加加肚拍国 卜氏认氛饭氏认众 0. b” 试;戈、 一二 二 粉吕尸 o . a o }一 一一 一」一 匡 乃 OD 曰 式几 图5 P S I M波形显示例子 4 结论 P S I S ， 是一种用于电力电子电源与电力传动的新的专用仿真 软件包，为基于理想化功率元器件和功能模块的仿真工具。

与 S A B E R , P S P I C E 等常用电力电子仿真软件的特点比较， P S IM对 电路开关过程的细节作了简化，其仿真过程更加迅速与 IV IA T L 4 B P O W E R S Y S T E M及上述其他软件相比， P S I M的界面比 较友好，因而设计更加方便该软件十分适合于电力电子电源 与电力传动产品的初步设计，它可以加深工程师对电路与系统 的原理及工作状态的理解，大大加速电路的设计和试验过程， 是与S A B E R , P S P I C E相辅相成的不可多得的电力电子仿真工 具 参考文献 [ I ] P S U I U s e r M a n u a l , P o w e rs im T e c h n o lo g ie s 工 、. ， 1 9 9 9 . 6 [ 2 ] P S P I C E U s e r M a n u a l , M ic ro 5 i m C o r p o r a t io n . 1 9 9 7 . 口 」 S A B E R U s e r M a n u a l , A n a l o g C o r p o r a t i o n , 1 9 9 8 . [ 4 1 P O W E。