PSPICE仿真综合实验

1、仿真软件ORCAD
一、PSpice简介：
PSpice是较早出现的EDA(Electronic Design Automatic,电路设计自动化)软件之一，也是当今世界上著名的电路仿真标准工具之一。

目前广泛使用的PSpice5.1以后版本是Microsim公司于1996年开发的基于Windows环境的仿真程序，并且从6.0版本开始引入图形界面。

1998年著名的EDA商业软件开发商OrCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSpice产品正式并入OrCAD公司的商业EDA系统中,成为OrCAD/PSpice。

但PSpice仍然单独销售和使用，并不断推出新的版本。

二、PSpice的优越性
电路系统仿真方面，PSpice可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSpice软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。

其主要优点有：
1. 图形界面友好，易学易用，操作简单
2. 实用性强，仿真效果好
3. 功能强大，集成度高
三、PSPICE可执行的主要分析功能
本综合试验以ORCAD16.3为仿真平台仿真实验，该平台中PSpice可以分析的类型有以下9种，每一种分析类型的定义如下：
（1）直流（DC）分析：也叫直流扫描分析是指电路中的某参数在一定范围内变化时，对电路的直流输出特性的分析和计算。

（2）交流（AC）分析：主要功能是计算电路的交流小信号线性频率响应特性，包括幅频特性和相频特性，以及输入和输出阻抗等。

（3）噪音（Noise）分析：是指在每个设定的频率点上，计算电路指定输出端的等效输出噪音和制定输入端的等效输入噪声电平。

（4）直流工作点（OP）分析：是指当电感短路、电容开路时，电路中的静态工作点的计算。

在进行交流小信号分析和瞬态分析之前，系统将自动计算直流工作点，以确定瞬态分析的初始条件和交流小信号条件下的非线性器件的线性化模型参数。

（5）瞬态分析：是指在给定输入激励信号作用下，电路输出的瞬态始于响应的计算。

进行瞬态分析时，电路的初始状态可以由用户指定，当无用户指定值时，系统自动将直流工作点计算值作为系统的初始状态。

（6）统计分析：包括容差分析和最坏情况分析。

容差分析是指当电路中的元件参数偏离其标称值时，电路输入输出特性的分析和计算最坏情况分析是指电路中的元件都处于其容差边界时的电路输入输出特性的分析，是蒙特卡罗统计分析的极限情况。

（7）参数扫描分析：是指定参数按照指定的规律变化时，电路特性的分析和计算。

（8）温度分析：PSpice程序通常是在标准温度即27℃进行各种分析和模拟，当用户制定温度时，可以分析电路在不同温度下的特性。

（9）灵敏度分析：计算电路中元件的参数变化对输出变化的影响，它包含直流灵敏度和交流灵敏度。

直流灵敏度是指在直流分析时，计算电路指定输出端对所有元件参数单独变化时的灵敏度。

交流灵敏度是指在指定的频率范
围内的每个频率点上，计算电路的输入输出变量对全部元件参数变化的灵敏度。

2、综合实验
一、基于SPWM 技术的单相PWM 逆变电路的PSpice 仿真
图1 单相PWM 逆变电路拓扑
1、原理分析
采用 s u 与 c u 相比较的方法生成 PWM 信号: 当s u ＞c u 时， 功率开关 S1、S3导通， 逆变电路输出电压 o u 等于d U ;当s u ＜ c u 时，功率开关 S2 、S4 导通，输出电压o u 等于—d U 随着开关管以载波频率轮换导通，逆变器输出电压o u 不断在正负d U 间切换。

2、模型仿真
U12uA741
+
3
-
2V +
7
V -
4
OUT
6OS1
1
OS2
5V16TD = 0
TF = 0.00065PW = 0.01us PER = 0.0013
V1 = -5.625
TR = 0.00065V2 = 5.625-15V
+15V
PWM3
U13uA741
+
3
-
2V +
7
V -
4
OUT
6OS1
1
OS250
+15V
-15V
PWM4
V17
VOFF = 0V18
+15Vdc
-15V
V19
-15Vdc
+15V
Z1
BSM200GA120D
Z2
BSM200GA120D
D1
D1N4002
D2
D1N4002
C1100u
C2100u
V1
50Vdc
V2
50Vdc
R150
L150mH
1
2v 3
v o
v 1
v 2
+-
E1
EPOLY
+-
E2
EPOLY
PWM4
PWM3
图2 单相半桥逆变电路仿真图
U12uA741
+
3
-2V +
7
V-
4
OUT
6OS11
OS2
5V16TD = 0
TF = 0.00065PW = 0.01us PER = 0.0013
V1 = -5.625
TR = 0.00065V2 = 5.625+15V
-15V
PWM3
U13
uA741
+
3
-2V +
7
V-
4
OUT
6OS11
OS2
50
+15V
PWM4
-15V
V17
FREQ = 50
VAMPL = 5VOFF = 0-15V
V18
+15Vdc
+15V
V19
-15Vdc
V
图3 双极性SPWM 信号的产生图
图4 单相双极性SPWM 波形
图5 单相双极性SPWM 电流仿真结果
图6单相双极性SPWM 负载两端电压仿真结果
图7 单相电压频谱特性
图8 负载端电压频谱分析3、参数设置
图9 瞬态仿真参数设置
图10 spwm信号产生参数设置
二、基于SPWM技术的三相PWM逆变电路的PSpice仿真
1、原理分析
习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。

此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。

从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

此主电路要求带反电动势负载，此反电动势E=60V，电阻R=10Ω，电感L无穷大使负载电流连续。

其原理如图11所示。

图11三相桥式全控整理电路原理
2、
00
00
图12 三相半桥逆变电路仿真图
2、模型仿真
图13 三相双极性SPWM信号波形
图14 三相双极性SPWM负载两端电压仿真结果
图15 三相双极性SPWM电流仿真结果
图16 三相双极性SPWM线电压电压仿真结果
图17 三相双极性SPWM 相电压仿真结果
图18 A 相输出电压的频谱特性
3、参数设置
参数设置同单相SPWM 的参数设置。

小结
SPWM 调制法是用来产生开关控制信号的一种常用方法，这种方法的优点是无需大量计算，对于单相电路常用的调制法是用一系列载波信号与正弦波信号相比较进行调制，产生的 PWM 波形不含低频次谐波，仅含有和载波频率及载波频率倍数有关的高次谐波
三．基于SHEPWM 技术的单相PWM 逆变电路的PSpice 仿真 1、模型仿真
Z1
BSM200GA120D
Z2
BSM200GA120D
D1
D1N4002
D2
D1N4002
+-
E1
EPOLY
+-
E2
EPOLY
C1100u
C2100u
V1
50Vdc
V2
50Vdc
V3
V4
R150
L150mH
1
2
v 3
v o
v 1
v 2
v 5
v 6
图19 单相SHEPWM 逆变电路仿真图
图20 单相SHEPWM控制信号
图21 SHEPWM 单相电流仿真结果
图22 SHEPWM 单相电压仿真结果
图23 SHEPWM 负载电压频谱特性仿真结果
四．基于SHEPWM技术的三相PWM逆变电路的PSpice仿真1、模型仿真
Z1
BSM200GA120D
Z4
BSM200GA120D
D1
D1N4002
D4
D1N4002
+-
E1
EPOLY
+-
E4
EPOLY
C1100u
C2100u
V7
50Vdc
V8
50Vdc
V1e:/tj322111.txt
V4
e:/tj322114.txt
Z5
BSM200GA120D
00
Z2
BSM200GA120D
D5
D1N4002
D2
D1N4002
+-
E5
EPOLY
+-
E2
EPOLY
V5
e:/tj322115.txt
V2
e:/tj322112.txt
v 7
v 8
R150R250
R350
L150mH 1
2
L250mH 12
L350mH
12
v o1
v o2v o3
Z3
BSM200GA120D
Z6
BSM200GA120D
D3
D1N4002
D6
D1N4002
+-
E3
EPOLY
+-
E6
EPOLY
V3e:/tj322113.txt
V6e:/tj322116.txt
00
图24 三相SHEPWM 逆变电路仿真模型
图25 三相SHEPWM 控制信号
图26 SHEPWM 三相电流仿真结果
图27 SHEPWM 三相逆变器A相电压仿真结果
图28 SHEPWM 三相逆变器AB线电压仿真结果
图29 SHEPWM 三相线电压频谱特性
五．分析比较
1/4周期内，SPWM的开关角个数N1=22，SHEPWM的开关角个数N=21，以单相逆变电路为例。

通过比较图8和图23，可知在开关角相近似的条件下单相SHEPWM控制下负载的电压频谱特性要明显优于单相SPWM控制策略下的负载电压频谱特性，即SHEPWM控制策略下得输出电压谐波较小。

通过对比图18和图29的输出电压频谱特性同样可以看出
考虑到，在低频段S P WM调制方可通过实现同步调制模式，即载波比保持一个较大的恒定值，既可有效地抑制低次谐波又可减少偶次谐波对电机产生的脉动转矩影响。

同时可实现通过增加开关次数将谐波频率分布向高频方向移动。

然而在低频段SHEPWM的开关角是非线性方程组的解，求解受到开关次数的制约，在较大开关次数下开关角度的计算时间将明显增加，收敛效果变差。

不
实用文档
易实现微机控制，程应用价值减弱。

同时由于开关次数受到限制，谐波的频率范围受到限制，从而产生的低频谐波对电机的稳定性产生不良影响。

而在高频段，功率器件的开关频率下降约三分之一，因而开关损耗降低。

在开关次数相等的情况下，输出电压、电流的质量较高，这可降低对输入和输出滤波器的要求。

通过调制可以提高变频电源的效率，节约能源，其基波电压最大幅值可以达到1.15倍的直流侧电压，这是 S P WM 变频电源所不容易通过直接调制载波幅值达到的。

由于消除了低次谐波，因此电流脉动、力矩脉动大大减少，变频电源的性能得以提高。

SPWM法的缺点受到开关器件的性能、损耗的制约，不易实现同步调制，因而出现奇偶次谐波，对电机的脉动转矩和损耗影响较大、载波频率变化不大，使得谐波分布中心基本不变，各次谐波幅值保持不变，抑制谐波的可控性差，结合上述SPWM法和特定消谐法的优缺点，
本文提出一种取长补短的方法。

即在低频调制时，采用SPWM法。

用以提高谐波的频率分布范围，并对输出电压实现线性调控。

不仅可以减少低频谐波引起的电机脉动而且为特殊环境下的滤波设计提供了方便，而在高频调速时，由于载波频率比不能过高，为了抑制低次载波频率谐波和有效地减小电机的损耗和发热，采用特定消谐法。

这种混合式的控制策略难点在于要保证不同PWM调制方法之间切换时的平滑过渡否则电压可能会发生突变甚至振荡。