電力電子課程教學(xué)中PSIM軟件的應(yīng)用

陳景文

摘要：電力電子技術(shù)課程核心內(nèi)容以變流電路波形分析為主，在面對(duì)復(fù)雜變流電路的波形分析時(shí)，手繪圖過(guò)程復(fù)雜、直觀度差，借助PSIM軟件建立相應(yīng)變流電路模型，可以很直觀地理解波形的生成原理。文章將PSIM軟件引入到電力電子教學(xué)過(guò)程，以三相橋式逆變電路為例詳細(xì)的分析PSIM軟件的使用方法，結(jié)果表明PSIM軟件可以很好的解決復(fù)雜電路波形分析的問(wèn)題，提高學(xué)習(xí)該課程的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);PSIM;電路仿真

中圖分類號(hào)：G642.41 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）40-0269-02

電力電子技術(shù)課程作為電大類本專科學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課在專業(yè)發(fā)展中的重要性越來(lái)越強(qiáng)，該課程在教與學(xué)過(guò)程中的典型特點(diǎn)是通過(guò)波形分析來(lái)掌握和理解變流電路的工作原理與工作過(guò)程，對(duì)于簡(jiǎn)單的變流電路，如單相半波整流電路、斬波電路（BUCK、BOOST等）等比較簡(jiǎn)單的電路，直接繪制工作的波形圖就可以一目了然地掌握該電路的工作過(guò)程，但對(duì)于復(fù)雜的變流電路，如三相橋式全控整流電路、三相橋式逆變電路等，靠手繪電路工作的波形圖不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精確度差，而且學(xué)生理解起來(lái)也很困難，特別是分析不同的觸發(fā)角，需要繪制不同的波形，將耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，使得學(xué)生對(duì)此敬而遠(yuǎn)之，產(chǎn)生畏懼感。因此，為了形象直觀地進(jìn)行教學(xué)，變抽象為具體，變枯燥為生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入教學(xué)中是一種很好的辦法。PSIM（power simulation的簡(jiǎn)寫）軟件恰好可以滿足以上的要求，與MATLAB軟件相比，PSIM軟件在電力電子技術(shù)和電力拖動(dòng)領(lǐng)域使用更容易，它提供了幾乎所有的電力電子器件和模塊的庫(kù)，可直接調(diào)用，搭建電路速度快，不需要復(fù)雜的理論學(xué)習(xí)，上手非常快，特別適用于初學(xué)者。因簡(jiǎn)單電路不論是手繪波形圖還是用仿真軟件，都比較容易實(shí)現(xiàn)，因此，本文主要介紹電力電子技術(shù)課程教學(xué)中PSIM軟件在幫助分析復(fù)雜變流電路工作波形時(shí)的使用方法和效果。

一、PSIM應(yīng)用于三相橋式全控整流電路波形分析實(shí)例

1.PSIM仿真分析。①電路參數(shù)的選擇，該整流電路可帶電阻負(fù)載、阻感負(fù)載和阻感反電勢(shì)等負(fù)載，本次舉例分別帶電阻負(fù)載和阻感負(fù)載。示例中輸入電源為有效值220V的三相對(duì)稱交流電，頻率50HZ，整流電路采用晶閘管作為整流器件，觸發(fā)電路直接采用方波電流觸發(fā)脈沖，負(fù)載電阻選用10Ω，電感設(shè)定值為1mH。②仿真電路的結(jié)構(gòu)分析，為了使得三相橋式整流電路的六只晶閘管工作工程具有規(guī)律性（順序?qū)ǎ鐖D1所示，六只管子標(biāo)號(hào)時(shí)分別為上三個(gè)管子（共陰極組）為1、3、5，下面三個(gè)管子（共陽(yáng)極組）為4、6、2，按照這種標(biāo)號(hào)后，對(duì)應(yīng)的負(fù)載上輸出電壓為：Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb，下一個(gè)周期重復(fù)輸出。③觸發(fā)脈沖的設(shè)定，根據(jù)上一小對(duì)工作過(guò)程的分析，觸發(fā)脈沖設(shè)置有規(guī)非常明確律性可循，只要確定第1只管子的觸發(fā)角，其他的管子觸發(fā)角非常容易設(shè)定。具體示例如下：設(shè)管子1的觸發(fā)角為00，則脈沖設(shè)定為

[30 120]，其他管子依次為[90 180] [150 240] [210 300] [270 360] [330 420]，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖1所示。讀者可能發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)角度區(qū)間都是900，這是因?yàn)樵谌鄻蚴秸麟娐分忻總€(gè)管子工作1200區(qū)間，每600換相一次，因此觸發(fā)脈沖的寬度不得小于600，這里為可靠起見(jiàn)，設(shè)定寬度為900，讀者可以設(shè)定為（60-120]之間的任何寬度都可以。

2.仿真結(jié)果及分析。依據(jù)圖1所示的電路，三相全控橋式整流在帶電阻負(fù)載的情況下，觸發(fā)角為00時(shí)整流得到的波形如圖2所示。如需觀察其他角度，只需改變觸發(fā)脈沖即可，順便說(shuō)明一下，讀者可能發(fā)現(xiàn)輸出波形不是從時(shí)間軸的0時(shí)刻開(kāi)始的，這是因?yàn)槲覀冊(cè)诿}沖設(shè)定時(shí)是依次順延的，如果把起始脈沖考慮上，就可以從0時(shí)刻開(kāi)始了，為了容易掌握，我們從宏觀上找到結(jié)論即可，所以可不用刻意去設(shè)定，按照上述方法先掌握實(shí)現(xiàn)。

二、PSIM應(yīng)用于三相橋式逆變電路的仿真實(shí)例

在電力電子技術(shù)課程的教與學(xué)過(guò)程中，以三相橋式全控整流電路和三相橋式逆變電路的波形分析為最復(fù)雜，上一節(jié)已經(jīng)對(duì)三相橋式全控整流電路作了較詳細(xì)的分析，接下來(lái)對(duì)三相橋式逆變電路的分析做一說(shuō)明。

1.電路原理圖及參數(shù)。三相橋式逆變電路原理圖如圖3所示，電路中的元器件均采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）全控管子，核心的問(wèn)題仍然是觸發(fā)脈沖的設(shè)定。電路的直流電源電壓為200V，三相負(fù)載電阻均為10Ω，穩(wěn)壓電容0.02F，示波器的顯示時(shí)間選擇5個(gè)周期，即0.1s。

2.仿真結(jié)果。按照逆變50HZ的交流電為目標(biāo)，6個(gè)IGBT的觸發(fā)脈沖設(shè)定如圖3所示，用此電路仿真出來(lái)的參考N'點(diǎn)和參考N點(diǎn)（此時(shí)將圖3中N'點(diǎn)刪除）的A相電壓波形以及線電壓uAC波形如圖4依次所示。

需要說(shuō)明的是，線電壓波形不隨參考點(diǎn)的變化而改變，所以在任何參考點(diǎn)下都可觀察波形。經(jīng)過(guò)仿真比對(duì)，圖4的波形與電力電子技術(shù)教材上的波形完全一致，所以快速驗(yàn)證了該電路的工作情況，加深了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率和理解。

三、總結(jié)

由于篇幅所限，文章以電力電子技術(shù)課程中波形分析比較復(fù)雜的兩種電路進(jìn)行分析，希望能起到拋磚引玉的作用。當(dāng)然，復(fù)雜電路不僅于此，學(xué)習(xí)該課程的讀者可根據(jù)需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

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