電力電子課程教學中PSIM軟件的應用

陳景文

摘要：電力電子技術課程核心內容以變流電路波形分析為主，在面對復雜變流電路的波形分析時，手繪圖過程復雜、直觀度差，借助PSIM軟件建立相應變流電路模型，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過程，以三相橋式逆變電路為例詳細的分析PSIM軟件的使用方法，結果表明PSIM軟件可以很好的解決復雜電路波形分析的問題，提高學習該課程的學習效率。

關鍵詞：電力電子技術;PSIM;電路仿真

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

電力電子技術課程作為電大類本專科學生的一門專業基礎課在專業發展中的重要性越來越強，該課程在教與學過程中的典型特點是通過波形分析來掌握和理解變流電路的工作原理與工作過程，對于簡單的變流電路，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程，但對于復雜的變流電路，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時費力，精確度差，而且學生理解起來也很困難，特別是分析不同的觸發角，需要繪制不同的波形，將耗費大量的時間和精力，使得學生對此敬而遠之，產生畏懼感。因此，為了形象直觀地進行教學，變抽象為具體，變枯燥為生動，激發學生的學習興趣，提高教學質量，將計算機仿真技術引入教學中是一種很好的辦法。PSIM（power simulation的簡寫）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和電力拖動領域使用更容易，它提供了幾乎所有的電力電子器件和模塊的庫，可直接調用，搭建電路速度快，不需要復雜的理論學習，上手非常快，特別適用于初學者。因簡單電路不論是手繪波形圖還是用仿真軟件，都比較容易實現，因此，本文主要介紹電力電子技術課程教學中PSIM軟件在幫助分析復雜變流電路工作波形時的使用方法和效果。

一、PSIM應用于三相橋式全控整流電路波形分析實例

1.PSIM仿真分析。①電路參數的選擇，該整流電路可帶電阻負載、阻感負載和阻感反電勢等負載，本次舉例分別帶電阻負載和阻感負載。示例中輸入電源為有效值220V的三相對稱交流電，頻率50HZ，整流電路采用晶閘管作為整流器件，觸發電路直接采用方波電流觸發脈沖，負載電阻選用10Ω，電感設定值為1mH。②仿真電路的結構分析，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律性（順序導通），如圖1所示，六只管子標號時分別為上三個管子（共陰極組）為1、3、5，下面三個管子（共陽極組）為4、6、2，按照這種標號后，對應的負載上輸出電壓為：Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb，下一個周期重復輸出。③觸發脈沖的設定，根據上一小對工作過程的分析，觸發脈沖設置有規非常明確律性可循，只要確定第1只管子的觸發角，其他的管子觸發角非常容易設定。具體示例如下：設管子1的觸發角為00，則脈沖設定為

[30 120]，其他管子依次為[90 180] [150 240] [210 300] [270 360] [330 420]，對應關系見圖1所示。讀者可能發現，每一個角度區間都是900，這是因為在三相橋式整流電路中每個管子工作1200區間，每600換相一次，因此觸發脈沖的寬度不得小于600，這里為可靠起見，設定寬度為900，讀者可以設定為（60-120]之間的任何寬度都可以。

2.仿真結果及分析。依據圖1所示的電路，三相全控橋式整流在帶電阻負載的情況下，觸發角為00時整流得到的波形如圖2所示。如需觀察其他角度，只需改變觸發脈沖即可，順便說明一下，讀者可能發現輸出波形不是從時間軸的0時刻開始的，這是因為我們在脈沖設定時是依次順延的，如果把起始脈沖考慮上，就可以從0時刻開始了，為了容易掌握，我們從宏觀上找到結論即可，所以可不用刻意去設定，按照上述方法先掌握實現。

二、PSIM應用于三相橋式逆變電路的仿真實例

在電力電子技術課程的教與學過程中，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雜，上一節已經對三相橋式全控整流電路作了較詳細的分析，接下來對三相橋式逆變電路的分析做一說明。

1.電路原理圖及參數。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，核心的問題仍然是觸發脈沖的設定。電路的直流電源電壓為200V，三相負載電阻均為10Ω，穩壓電容0.02F，示波器的顯示時間選擇5個周期，即0.1s。

2.仿真結果。按照逆變50HZ的交流電為目標，6個IGBT的觸發脈沖設定如圖3所示，用此電路仿真出來的參考N'點和參考N點（此時將圖3中N'點刪除）的A相電壓波形以及線電壓uAC波形如圖4依次所示。

需要說明的是，線電壓波形不隨參考點的變化而改變，所以在任何參考點下都可觀察波形。經過仿真比對，圖4的波形與電力電子技術教材上的波形完全一致，所以快速驗證了該電路的工作情況，加深了學習者的學習效率和理解。

三、總結

由于篇幅所限，文章以電力電子技術課程中波形分析比較復雜的兩種電路進行分析，希望能起到拋磚引玉的作用。當然，復雜電路不僅于此，學習該課程的讀者可根據需要進行仿真驗證。

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