電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真

前言

　　電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（electronic design automation，EDA）是電子信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要成果，它的應(yīng)用已經(jīng)滲入到電子電路，特別是大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段，引發(fā)了電子工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的革命，成為推動(dòng)電子技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品更新?lián)Q代的不可缺少的有力工具。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對(duì)電力電子電路進(jìn)行分析研究得到了日益廣泛的重視。但是由于迄今還沒(méi)有哪一個(gè)電路設(shè)計(jì)的軟件能對(duì)大功率電子器件中存在的復(fù)雜的物理效應(yīng)進(jìn)行足夠精確的描述，所以盡管目前存在一系列可以用于電力電子電路仿真的軟件，但這些軟件多是由某個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)軟件擴(kuò)展而來(lái)，所建立的電力電子器件的模型的精度和應(yīng)用領(lǐng)域均受到一定的限制。針對(duì)上述問(wèn)題，本書結(jié)合目前國(guó)內(nèi)常用的仿真軟件，對(duì)電力電子電路設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)所需了解的基本理論、方法和思路進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。值得指出的是，由于本書的主要讀者對(duì)象是大學(xué)本科高年級(jí)學(xué)生和從事電力電子電路設(shè)計(jì)的技術(shù)人員，并假定讀者對(duì)EDA基本理論已有所了解，所以本書的討論重點(diǎn)放在如何根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真的基本原理解決電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，而不是系統(tǒng)地對(duì)EDA的基本理論進(jìn)行討論，因?yàn)閷?duì)此已有許多書進(jìn)行了很好的介紹。　　本書根據(jù)電力電子系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，按器件、裝置和系統(tǒng)3個(gè)級(jí)別進(jìn)行介紹。其中，第1章介紹電力電子電路CAD技術(shù)的基本原理和發(fā)展概況；第2章根據(jù)電力電子器件的特點(diǎn)介紹大功率器件建模的基本原理、方法和實(shí)用模型；第3章根據(jù)電力電子裝置的最本質(zhì)的特點(diǎn)——開關(guān)非線性，重點(diǎn)介紹對(duì)電力電子裝置進(jìn)行建模的理論和常用方法；第4章著重討論如何利用仿真軟件進(jìn)行電力電子系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)?！　”緯闹饕獌?nèi)容多年來(lái)一直作為清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系高年級(jí)學(xué)生的教材，并多次進(jìn)行修改。在本書的編寫和修改過(guò)程中一直得到趙良炳教授及其他老師的指教，特此表示感謝?！　∠抻谧髡叩乃剑瑫须y免存在錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，希望得到讀者的批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書針對(duì)電力電子電路的特點(diǎn)，對(duì)器件、裝置和系統(tǒng)個(gè)層次闡述了電力電子電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中各種數(shù)學(xué)模型的基本原理、分析方法和應(yīng)用實(shí)例。本書注重將理論分析和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，通過(guò)大量的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)不同類型仿真軟件在電力電子技術(shù)仿真計(jì)算中的適用性進(jìn)行了詳細(xì)的討論，以期對(duì)進(jìn)行電力電子電路分析設(shè)計(jì)的讀者起到幫助和指導(dǎo)作用。本書可以作為高等學(xué)校應(yīng)用電子技術(shù)和相關(guān)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生和研究生的教材，也可供從事電力電子電路和系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的科技工作者參考。

作者簡(jiǎn)介

　　陳建業(yè)，1946年出生，清華大學(xué)研究員，1982年在西南交通大學(xué)獲得碩士學(xué)位。曾先后在英國(guó)曼徹斯特理工學(xué)院（LJMIS"r）、伯明翰大學(xué)等學(xué)校和英國(guó)通用電氣--阿爾斯通公司進(jìn)修和從事研究工作。主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在牽引系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來(lái)主要從事電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制方面，特別是計(jì)算機(jī)控制和仿真技術(shù)在上述領(lǐng)域的應(yīng)用的研究和教學(xué)工作。參加研制的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)±20MVar sTA。rCOM先后獲電力部和國(guó)電公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和一等獎(jiǎng)，并獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議上發(fā)表論文70余篇。其中十幾篇被SCI和El收錄。

書籍目錄

第1章　緒論11.1　引言11.2　建模與仿真1.2.1　系統(tǒng)建模1.2.2　數(shù)學(xué)仿真51.3　仿真工具101.3.1　通用電路仿真軟件121.3.2　基于理想開關(guān)模型的專用仿真軟件141.4　ORCAD／PSpice231.4.1　ORCAD的歷史和基本特點(diǎn)231.4.2　ORCAD的主要仿真軟件模塊241.4.3　ORCAD／PSpice在電力電子電路仿真中的局限性371.4.4　ORCAD在仿真中的收斂性391.5　電力電子電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)44第2章　電力電子器件的仿真462.1　引言462.2　基本模型492.2.1　雙極型器件492.2.2　單極型器件562.3　子電路模型572.3.1　原理性模型572.3.2　功能(行為）性模型672.4　數(shù)學(xué)模型79第3章　電力電子裝置的仿真823.1　建模853.1.1　精確的器件級(jí)模型903.1.2　理想開關(guān)模型943.1.3　平均模型983.1.4　開關(guān)周期平均模型——TS模型1003.1.5　電源周期平均模型——TL模型1033.2　理想開關(guān)模型1043.2.1　開關(guān)函數(shù)與變換模式1073.2.2　二電平開關(guān)1083.2.3　三電平開關(guān)1173.2.4　基頻開關(guān)函數(shù)1233.3　非矩陣變流器的建模與仿真1283.3.1　分段線性化狀態(tài)方程1283.3.2　符號(hào)法1303.3.3　狀態(tài)平均法1363.3.4　PWM開關(guān)模型1453.3.5　離散時(shí)域法和采樣數(shù)據(jù)法1493.4　電流不連續(xù)條件下的仿真1533.4.1　狀態(tài)方程的遞推解法1543.4.2　節(jié)點(diǎn)電壓的遞推分析156第4章　電力電子系統(tǒng)的仿真1584.1　電氣元件的建模1584.1.1　變壓器的建模1594.1.2　電機(jī)模型1644.2　變流器簡(jiǎn)化模型1694.2.1　時(shí)延模型1704.2.2　傳遞函數(shù)法1764.2.3　電納模型1764.2.4　等效受控電源模型1784.2.5　開關(guān)電源的建模1834.3　穩(wěn)定性分析1884.3.1　狀態(tài)平面法1894.3.2　數(shù)字仿真法1944.3.3　簡(jiǎn)化模型的穩(wěn)定性分析2244.3.4　數(shù)字控制器設(shè)計(jì)2294.4　專用仿真軟件2354.4.1　溫度分析軟件2354.4.2　電磁兼容2384.4.3　數(shù)?；旌戏抡?404.4.4　實(shí)時(shí)仿真器243結(jié)束語(yǔ)248參考文獻(xiàn)250

章節(jié)摘錄

　　所謂仿真(simulation)指的是利用模型再現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并且通過(guò)對(duì)上述模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究已存在的或計(jì)劃中的系統(tǒng)。換句話說(shuō)，仿真就是利用模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程?！　≡跉v史上，物理仿真，也即利用縮小的物理模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)是一個(gè)廣為人知的方法。例如研究電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，往往利用由縮小了容量的同步電機(jī)、異步電機(jī)、變壓器、電感、電容等組成的一個(gè)模擬系統(tǒng)作為其模型，然后在這個(gè)系統(tǒng)上設(shè)置各種運(yùn)行條件和故障進(jìn)行分析研究。但是在上述物理仿真方法中存在兩個(gè)問(wèn)題：一是系統(tǒng)的建立牽涉到設(shè)備購(gòu)置、安裝、接線與調(diào)試工作，需耗費(fèi)大量的人力物力；二是實(shí)踐中有時(shí)由于條件限制很難或不可能進(jìn)行某種具體試驗(yàn)，比如為了保證核電站的運(yùn)行安全，通常需要對(duì)操作人員進(jìn)行處理各種不可預(yù)料行為的培訓(xùn)，但實(shí)踐中不可能建立一個(gè)相應(yīng)的物理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行模擬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以利用計(jì)算機(jī)在虛擬域中建立對(duì)象系統(tǒng)的軟件模型，并據(jù)此對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真。此時(shí)由于系統(tǒng)的建模與試驗(yàn)均是借助于軟件進(jìn)行，從而可以有效地解決上述問(wèn)題，因此計(jì)算機(jī)仿真在對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究過(guò)程中往往起著不可替代的作用，成為設(shè)計(jì)工作中不可缺少的步驟，因而得到日益廣泛的關(guān)注。比如，在美國(guó)1992年推出的22項(xiàng)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，計(jì)算機(jī)仿真被列為第16項(xiàng)；而在1993年推出的21項(xiàng)國(guó)防關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中，計(jì)算機(jī)仿真被列為第6項(xiàng)。由此可見，在21世紀(jì)大力推進(jìn)和發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在科研、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將起到重要的作用。　　根據(jù)上述定義，計(jì)算機(jī)仿真可以分為兩個(gè)過(guò)程：　　(1)建?！　「鶕?jù)研究對(duì)象的基本物理規(guī)律，對(duì)物理系統(tǒng)寫出描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)方程，即數(shù)學(xué)模型的過(guò)程?！　∮捎趯?shí)際系統(tǒng)十分復(fù)雜，往往不可能對(duì)其進(jìn)行全部的描述。比如實(shí)際系統(tǒng)往往是多方面的，電力電子器件本身的特性就包括電特性、熱特性以及機(jī)械特性等不同方面，對(duì)由其構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，既沒(méi)有必要也不可能建立一個(gè)包括上述全部特性的統(tǒng)一模型，而是根據(jù)所研究的問(wèn)題建立相應(yīng)的，某一方面的模型。又如實(shí)際的系統(tǒng)是多層次的，比如在采用電力電子裝置的電力系統(tǒng)中，可能包括以數(shù)百秒為周期的汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)過(guò)程、毫秒級(jí)的電磁暫態(tài)過(guò)程和微秒以至納秒級(jí)的雷電和電力電子器件的開關(guān)過(guò)程，這樣一個(gè)大時(shí)標(biāo)跨度的系統(tǒng)，在數(shù)學(xué)上對(duì)應(yīng)一個(gè)病態(tài)的方程，會(huì)導(dǎo)致求解過(guò)程中的數(shù)值穩(wěn)定性問(wèn)題。

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