电力电子装置的参数化建模及其仿真分析.doc

电力电子装置的参数化建模及其仿真分析.txt不相信永远,不拥有期待,不需要诺言当你不能再拥有的时候，唯一可以做的，就是令自己不要忘记。王子之所以能口奂酉星目垂美人是因为王子用心了我能口奂酉星什么 本文由JustinSpears贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 11 卷第 2 期 2008 年 4 月 西安文理学院学报: 自然科学版 Journal of Xi an University of Arts & Science( Nat Sci Ed) Vol. 11 No. 2 Apr. 2008 文章编号: 1008 5564( 2008) 02 0081 04 电力电子装置的参数化建模及其仿真分析 张 摘 伟, 雷俊红 ( 西安 文理学院 机械电子工程系, 陕西 西安 710065) 要: 在对一个电路进行实际分析过程中, 经常需 要对电路的走线、 元件的安放位 置进行调 整, 以 便观察对电磁场分布的影响. 这样, 直接采用 ANSYS 软 件提供的 图形用户 界面进 行建模 就显得 很不适 用。为了克服这一缺点, 本文中 采用 ANSYS 软件提供 的命令 流语言 编写了 一个通 用程 序, 来实现 电路 的空间建模。采用该通用程序, 可以方便的对电路空间模型进行修改操作, 不需要用界面重新建模. 关键词: ANSYS 命 令流; 电力电子电路; 电磁场; 建模 中图分类号: TP319 文献标识码: A 0 引言 APDL 是 ANSYS Parameter Design Language 的缩写, 即 ANSYS 参数化设计语言, 它是一门可用来自动 完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言, 用建立智能化分析的手段 为用户提供自动完成有限元分析过程, 即程序的输入可设定为根据指定的函数、 变量以及选用的分析类 型来做决定, 是完成优化设计的最主要基础. APDL 允许复杂的数据输入, 使用户实际上对任何设计或分 析属性有控制权. 用户可以利用程序设计语言将 ANSYS 命令组织起来, 编写出参数化蹬用户程序, 从而 实现有限元分析的全过程, 即建立参数化的 CAD 模型、 参数化的网格划分与控制、 参数化的材料定义、 参数化的载荷和边界条件定义、 参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理. 1- 2 1 问题的提出 对于同一个电路, 元 件的摆放位置是可以人 为 调整的, 这会引起线路走线的变 化; 元件位置不变, 走线的位置是可以调整的, 这也可以引起电路性 质 的变化. 调整这些走线或元件的位置也会改变电 路 拓扑结构. ( 以全桥逆变电 路为例进行说明, 原理 图 如图 1 所示) 根据全桥逆 变电路原 理图, 假设建立 了如图 2 图 1 全桥逆变电路原理图 3 所示的电路板, 那么根据这样布线, 在 ANSYS 中可以建立如图 3 所示的这样一种空间实体模型 . AN SYS 软件虽然提供了友好的图形用户界面, 但是一旦进行网格划分后, 想要更改某些操作( 如, 改变元件 的尺寸大小等) 就必须对整个电路重新建模. 另外, 在对一个电路进行实际分析过程中, 经常需要对电路 收稿日期: 2007 12 10 基金项目: 西安文理学院专项科研基金资 助项目( KY200648) . 作者简介: 张伟( 1976 ) , 女, 陕西 西安人, 西安文理学 院机械 电子工 程系助 教, 硕 士. 研究方 向: 新 型电力 电子装 置 与计算机控制. 82 西安文理学院学报: 自然科学版 第 11 卷 的走线、 元件的安放位置进行调整, 以便观察对电磁场分布的影响, 这样, 直接采用 ANSYS 软件提供的 图形用户界面进行建模就显得很麻烦 6 . 本文采用 ANSYS 软件提供的命令流语言编写了一个通用程序, 来实现电路的空间建模. 采用该通 用程序, 可以方便的对电路空间模型进行修改操作, 不需要用界面重新建模. 图 2 全桥逆变电路的 PCB 板布线图 图 3 全桥逆变电路的空间实体模型图 2 用 APDL 语言编写通用程序 与其他大型软件一样, ANSYS 软件不仅提供强大的 GUI 前台应用功能, 它还提供了一种强大的二 次开发接口, 以使 ANSYS 在各个应用层次上发挥强大的功能. APDL 语言 4 是有限元分析软件 ANSYS 自 带的一种批处理语言, 它为参数化的有限元模型提供了一个强有力的工具. 因此选用 APDL 语言来实现 编程. 3 通用程序的优点及功能 ( 1) 具有通用性 实体建模模块包括参数输入和创建实体两部分组成. 对于同一系列、 同一型号的元件, 由于只是尺 寸参数不同, 结构相同, 所以要把该软件应用于同系列、 同型号的其他元件电磁场计算只需修改软件中 参数即可, 软件中创建实体的命令流部分完全相同. ( 2) 易于改变电路的拓扑结构 对于电力电子装置设备内部元器件必须整体考虑电磁 干扰的问题, 设备内部的干扰源会通过辐射和串扰等途径 影响其它元器件或部件的正常工作, 而且在离干扰源一定 距离时, 干扰源的能量将大大衰减, 因此, 合理的布局有利 于减小电磁干扰的影响 5 . 对于具有相同类型的电路, 只是 布线结构的不同, 可以很方便地只改变元件的摆放位置参 数就可以了. ( 3) 后处理更为方便 图 4 单 相半桥电压型逆变电路原理图 应用 ANSYS 命令 PATH、 PPATH 、 PDEF 可以很方便地定义所需数据的路径, 用* GET 命令取出所需 数据以及用* VWRIT 命令把数据写入文件中. 电路拓扑结构中的电磁场计算的最后结果以文件的形式 保存起来, 大大减少了使用界面后处理的复杂性, 使操作变的方便快捷. 以全桥逆变和单相半桥电压型逆变电路( 原理图如图 4 所示) 进行说明, 在用 ANSYS 命令流实现计 算电路元件周围的电磁场分布情况时只需改变 MOSFET 管、 二极管和电感的位置, 增减元件的数目, 改 变一下各元件 的坐标, 再进 行相应 的粘 贴粘合 等操作, 就可 以完成 从单 相半 桥电 压型逆 变电 路到 第2期 张伟, 等: 电力电子装置的参数化建模及其仿真分析 83 全桥逆变电路的改变电路的布线结构的操作( 操作过程如图 5- 图 8 所示) . 图 5 全桥逆变电路的有限元模 型 图6 半桥逆变电路 PCB 板布线 1 图 7 半桥逆变电路实体模型 图8 半桥逆变电路有限元模型 对于同样一个电子装置来说, 用界面建模的时间是用命令流程序建模时间的 5 倍以上. 例如全桥逆 变电路用界面进行建模所用的时间是 3 个小时, 而用命令流程序建模所用的时间仅用半个小时. 电路中 的每种元件我们可以把它做成独立的子元件库, 每次只需要很方便地调用再把它放在所需的地方即可. 同一种类型的元件, 在不同场合, 可能所选的型号不同, 我们只需要改变元件的外形尺寸, 材料类型, 结 构参数等就完成了对同一类型不同型号元件的改变. 虽然 ANSYS 的友好图形用 户界面( GUI) 及程 序构 架为 ANSYS 程序分析功能提供了便易的介入途径. 通 过 GUI 可交互访问程序的各种功能、 命令、 用户手册和 参考资料, 并可一步一步地完成整个分析, 但是整个分 析过程也是相当繁琐的. 所以编写了通用程序后, 可以 方便的进行参数的修改, 就可以改变装置的布线结构, 从而简化了繁琐复杂的采用界面的建模过程, 节省了大 量的建模时间, 缩 短产品的 开发周期, 提高 了效率. 使 ANSYS 软件在电力电子装置的电磁场分析领域的应用 更具有普遍性和通用性, 使它电磁场分析的通用性真正 的体现发挥出来. 4 5 程序流程图( 如图 9 所示) 仿真结果及其分析 全桥逆变电路及半桥逆变电路的仿真结果如图 10、 11 所示. 从仿真结果分析可知, 全桥逆变电路与半桥逆变电 图 9 程序流程图 84 西安文理学院学报: 自然科学版 第 11 卷 路相比, 全桥逆变电路中增加了 4 个元件, 用命令流参数化语言建模, 只需增加有关 4 个元件相应的命 令程序, 所以全桥逆变电路比半桥逆变电路建模需多花 3、 分钟的时间. 4 如果用用户图形界面建模, 全桥逆变电路比半桥逆变电路增加 4 个元件, 其建模的时间就得多花一 个多小时, 而且还需要重新对每一个元件进行相应的参数设置. 对于同一个半桥逆变电路或全桥逆变电路来说, 则用用户图形界面建模所需时间是用命令流语言 建模所需时间的 5 倍以上. 图 10 全桥电路电磁场分布俯 视图 图 11 半桥电路电磁场分布图 参 1 2 3 4 5 6 考 文 献 张景明, 黄劭刚, 夏永洪. ANSYS 软件命令流方式的应用 J . 江西电力, 2004, 28( 3) : 38- 40. 博弈创作室. APDL 参数化 有限元分析技术及其应用实例 M . 中国水利水电出版社, 2005: 12- 168. 唐兴伦, 范群波, 张朝晖, 等. ANSYS 工程应用教程 热与电磁学篇 M . 中国铁道出版社, 2003: 193- 281. 鄢情操. 基于有限元法的静电涂油机的三 维电场分析和结构优化 D . 武汉: 武汉科技大学, 2004, 11: 1- 52. 熊军华. 降低开关模式电源 EMI 水平的混沌调制信号优化研究 D . 郑州: 郑州大学, 2004, 5: 1- 43. ZHANG Wei, LI Shou zhi, GAO Feng . The modeling and simulations of the circuit element based on finite element methods C . 2005 IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety, Xi an, China, 2005, 10( 14- 16) : 257- 260. 责任编辑 王新奇 Parameter s Modeling of Power and Electronic Equipment ZHANG Wei, LEI Jun hong ( Department of Machinery and Electronics Engineering, Xi an University of Arts and Science, Xi an 710065, China) Abstract: In order to observe the impact of the electromagnetic field s distribut ion, the circuit s layout and ele ment s place were often adjusted in the course of the practical analysis of a circuit. Modeling by using Graphical us er interface ( GUI) supplied by ANSYS software seems quite impractical. To overcome this disadvantage, a universal program is proposed by adopting command flow language supplied by ANSYS software to realize the spat ial modeling of a circuit. This universal program offers convenient operations of amending the spatial modeling of a circuit without renewing the graphical user interface ( GUI) . Key words: ANSYS command flow; power and electronic circuit; electromagnetic field; modeling1