交流变频调速系统仿真软件的研究

陈斌

【摘 要】本文通过对电力电子系统常用的软件进行分析和比较，分析研究了交流变频调速系统仿真软件的设计与实现。针对当前的发展现状对今后的开发提出了几个方向，并对未来的发展作了展望。

【关键词】调速系统；仿真软件；MATLAB；Visual C++

0 引言

近年来，计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用，其在变流技术的研究应用和产品研发中有重要的作用。与此同时，适用于电力系统的各类通用仿真软件越来越多，但它们对用户计算机语言的要求较高，而且对一些复杂的系统，这些软件的仿真效率和仿真精度也不理想。为了解决这些问题，研究和开发针对交流变频调速系统的仿真平台具有十分重要的意义。

1 电力电子系统的通用仿真软件概况

目前，电力电子技术迅猛发展，电力电子电路的仿真研究越来越受到重视，在国际上，电力电子变流技术仿真软件得到广泛应用，美国Analogy公司研发的Saber模拟和混合信号仿真软件，是全球最先进的系统仿真软件之一，它能够在多技术、多领域的系统中进行仿真研究。美国Mathwork公司推出的MATLAB软件包，具有效率高、功能强、便于进行工程和科学计算的特点，其使用直译式语言进行编程。MATLAB软件包中的Simulink是该软件中最重要的功能模块之一，能够进行模块化、交互式建模和仿真。在电力电子领域，通过Simulink构建电力电子系统的模型，并可直接对控制器进行设计和仿真。Simulink对C语言提供了很好的支持，因此它既可以在交互式图形环境下工作，也可以在MATLAB指令语言模式的批处理模式下工作。

不难看出，电力电子系统通用仿真软件不仅具有基本的通用电路仿真功能，而且因其应用领域的不同而各具特色，在使用中可根据控制要求的不同，选用不同的电力电子电机变频调速系统，但在具体分析不同调速系统的功能模块时发现其种类很有限。此类仿真软件的优点是大而全，它们多数使用面向器件或面向电路的仿真算法，有效解决变频调速系统变拓扑结构的建模问题，因此，用户要根据需要建立所仿真的系统。对于电机变频调速控制系统而言，组成电机控制系统的器件数量大，如果仍采用上述面向线路的建模与仿真方法，将使系统的分析十分复杂，仿真时间过长。

2 交流变频调速系统仿真软件

国内对于交流变频调速系统的数字仿真研究已做了大量工作，但大多数研究较零散，不成系统，因此研制并开发一种专用的交流变频调速系统仿真平台具有重要意义。该平台的功能是不仅为用户提供一个具体的电力电子电机系统的仿真模型，而且还具有构成这些系统的各个功能模块，同时允许用户根据控制要求对这些功能模块任意连接，从而构成用户所需的具体系统。一套完整的、高效的、通用的电力电子电机系统仿真软件包，应包括以下三个特点：（1）具有良好的用户图形界面，用户不需专门培训，就可以简单直观地构成所需的仿真系统；（2）通用性强，能满足不同要求的建模与仿真，以及满足不同用户的要求；（3）能处理交流调速系统中存在的特殊问题，包括时刚性、变拓扑、非线性和系统优化等。

交流变频调速系统仿真软件包就是以上述思路为基础研制的，计算机软、硬件及网络技术的不断发展为仿真软件的设计与开发提供了良好的环境和工具。目前，对于仿真方法的研究大体有以下3个方向。

2.1 采用C++高级语言直接进行编程

目前，利用C++高级语言开发的仿真软件有EESimulator3.0和交直流传动系统CAD软件包。EESimulator3.0是采用Visual C++6.0面向对象的程序语言对软件进行设计和编制的，有效地解决了仿真效率和仿真精度的问题，在分析多电平变频调速系统的仿真问题时，克服了仿真中出现的非线性、变拓扑等问题。交直流传动系统CAD软件包是在Windows环境下利用BORLAND C++语言开发而成的，在开发过程中充分利用了面向对象语言的先进特性，解决了复杂非线性反馈控制系统的仿真和设计问题。由于变频调速电机系统是高阶、非线性、多变量的复杂系统，采用C++高级语言直接进行仿真软件的开发需要对系统进行建模，这将导致编程工作量庞大，费时费力，而且难以产生可靠稳定的结构。因此，采用工具语言进行仿真研究往往要对系统做大量简化，并难以从编程上实现对系统的动态仿真计算。

2.2 采用MATLAB/Simulink通用工具软件

Matlab具有易学易用、扩展性强、高效性等特点，是一套可视化和高性能的数值计算软件。Matlab软件包中的Simulink为调速系统提供了非常方便的仿真平台，但它也有不足之处。首先，Matlab是一种解释性语言，因此它的实时效率是相当差的；其次，Matlab程序必须依赖于环境运行，所以它不能用于开发商用软件；最后，Matlab程序可以直接看到应用程序的源代码，不利于数据和算法的保密性。利用该方法进行仿真软件开发时，采用了图形化的开发工具， 所以开发速度快而灵活便捷。但是，为此付出的代价就是仿真运行速度慢和仿真只能在其单一的工作环境中运行，而且它也不能为用户提供简便、友好的交互界面，因此必须使用一种面向对象的编程语言。

2.3 采用MATLAB和Visual C++联合编程

通过对以上两种方法的分析论述可知，C++高级语言虽然在数值处理分析、算法工具、编程效率和准确方便地绘制数据图形等方面远低于Matlab语言，但它采用编译方式运行，运行速度快，特别是它强大的程序接口，能方便地实现端口操作等特点，使其在编制各种特殊用途的程序时具有独特的优势。因此，若能将两者结合运用，混合编程，实现了两种语言的优势互补，将会给编制复杂程序带来极大的方便。基于上述分析，Matlab是功能强大的数学软件，Visual C++是高效率的程序开发工具。通过Matlab和Visual C++联合应用，即以Visual C++作为系统前端开发环境，而以Matlab作为后端仿真工具，通过Visual C++和Matlab的接口将仿真软件转换成可直接在Windows环境下独立执行的应用程序。用户可以自己构建特制系统，也可调出软件包提供的典型系统，修改参数后进行仿真。使用者不用编程序，只要用鼠标拖拉和点击，就可完成全部计算机辅助设计的任务。

3 交流变频调速系统仿真软件的前景展望

变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术已经渗透到经济领域的所有部门，有着广泛的应用前景，因此对交流传动系统CAD软件包的开发已经越来越受到关注，它既可以用于科研项目的辅助设计，又能用于自动控制专业及相关专业课程的辅助教学。随着我国变频调速技术的迅速发展，我们需要将集中精力考虑控制算法，并对各种算法的控制效果能够准确认识，因此对相应软件功能的继续开发和完善成了下一步研究的重点。对软件的改进和提高主要在软件的适用范围和实用性方面下功夫，主要有以下几个方面：

（1）进行系统仿真模块的开发，进一步扩大软件的应用范围；

（2）随着科技的发展，新元件的不断出现，应不断充实和完善模型库的内容；

（3）完善系统的编辑模块，对复杂的系统仿真框图也能清晰完整地绘制。

4 结论

随着对电力电子电机系统研究得不断深入，对由电力电子系统和电机组成的变频调速系统的仿真分析软件的研究开始引人瞩目。本文对目前的电力电子系统的通用仿真软件进行了介绍和分析，在此基础上对交流变频调速系统仿真软件进行了研究开发，该软件可以支持仿真研究的全过程，并将有效地将高效性和通用性进行融合，提高了仿真的性能，为交流变频调速系统的设计和分析提供了有效的仿真工具。

【参考文献】

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[责任编辑：王伟平]