电力电子课程教学中PSIM软件的应用

陈景文

摘要：电力电子技术课程核心内容以变流电路波形分析为主，在面对复杂变流电路的波形分析时，手绘图过程复杂、直观度差，借助PSIM软件建立相应变流电路模型，可以很直观地理解波形的生成原理。文章将PSIM软件引入到电力电子教学过程，以三相桥式逆变电路为例详细的分析PSIM软件的使用方法，结果表明PSIM软件可以很好的解决复杂电路波形分析的问题，提高学习该课程的学习效率。

关键词：电力电子技术;PSIM;电路仿真

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）40-0269-02

电力电子技术课程作为电大类本专科学生的一门专业基础课在专业发展中的重要性越来越强，该课程在教与学过程中的典型特点是通过波形分析来掌握和理解变流电路的工作原理与工作过程，对于简单的变流电路，如单相半波整流电路、斩波电路（BUCK、BOOST等）等比较简单的电路，直接绘制工作的波形图就可以一目了然地掌握该电路的工作过程，但对于复杂的变流电路，如三相桥式全控整流电路、三相桥式逆变电路等，靠手绘电路工作的波形图不但费时费力，精确度差，而且学生理解起来也很困难，特别是分析不同的触发角，需要绘制不同的波形，将耗费大量的时间和精力，使得学生对此敬而远之，产生畏惧感。因此，为了形象直观地进行教学，变抽象为具体，变枯燥为生动，激发学生的学习兴趣，提高教学质量，将计算机仿真技术引入教学中是一种很好的办法。PSIM（power simulation的简写）软件恰好可以满足以上的要求，与MATLAB软件相比，PSIM软件在电力电子技术和电力拖动领域使用更容易，它提供了几乎所有的电力电子器件和模块的库，可直接调用，搭建电路速度快，不需要复杂的理论学习，上手非常快，特别适用于初学者。因简单电路不论是手绘波形图还是用仿真软件，都比较容易实现，因此，本文主要介绍电力电子技术课程教学中PSIM软件在帮助分析复杂变流电路工作波形时的使用方法和效果。

一、PSIM应用于三相桥式全控整流电路波形分析实例

1.PSIM仿真分析。①电路参数的选择，该整流电路可带电阻负载、阻感负载和阻感反电势等负载，本次举例分别带电阻负载和阻感负载。示例中输入电源为有效值220V的三相对称交流电，频率50HZ，整流电路采用晶闸管作为整流器件，触发电路直接采用方波电流触发脉冲，负载电阻选用10Ω，电感设定值为1mH。②仿真电路的结构分析，为了使得三相桥式整流电路的六只晶闸管工作工程具有规律性（顺序导通），如图1所示，六只管子标号时分别为上三个管子（共阴极组）为1、3、5，下面三个管子（共阳极组）为4、6、2，按照这种标号后，对应的负载上输出电压为：Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb，下一个周期重复输出。③触发脉冲的设定，根据上一小对工作过程的分析，触发脉冲设置有规非常明确律性可循，只要确定第1只管子的触发角，其他的管子触发角非常容易设定。具体示例如下：设管子1的触发角为00，则脉冲设定为

[30 120]，其他管子依次为[90 180] [150 240] [210 300] [270 360] [330 420]，对应关系见图1所示。读者可能发现，每一个角度区间都是900，这是因为在三相桥式整流电路中每个管子工作1200区间，每600换相一次，因此触发脉冲的宽度不得小于600，这里为可靠起见，设定宽度为900，读者可以设定为（60-120]之间的任何宽度都可以。

2.仿真结果及分析。依据图1所示的电路，三相全控桥式整流在带电阻负载的情况下，触发角为00时整流得到的波形如图2所示。如需观察其他角度，只需改变触发脉冲即可，顺便说明一下，读者可能发现输出波形不是从时间轴的0时刻开始的，这是因为我们在脉冲设定时是依次顺延的，如果把起始脉冲考虑上，就可以从0时刻开始了，为了容易掌握，我们从宏观上找到结论即可，所以可不用刻意去设定，按照上述方法先掌握实现。

二、PSIM应用于三相桥式逆变电路的仿真实例

在电力电子技术课程的教与学过程中，以三相桥式全控整流电路和三相桥式逆变电路的波形分析为最复杂，上一节已经对三相桥式全控整流电路作了较详细的分析，接下来对三相桥式逆变电路的分析做一说明。

1.电路原理图及参数。三相桥式逆变电路原理图如图3所示，电路中的元器件均采用IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）全控管子，核心的问题仍然是触发脉冲的设定。电路的直流电源电压为200V，三相负载电阻均为10Ω，稳压电容0.02F，示波器的显示时间选择5个周期，即0.1s。

2.仿真结果。按照逆变50HZ的交流电为目标，6个IGBT的触发脉冲设定如图3所示，用此电路仿真出来的参考N'点和参考N点（此时将图3中N'点删除）的A相电压波形以及线电压uAC波形如图4依次所示。

需要说明的是，线电压波形不随参考点的变化而改变，所以在任何参考点下都可观察波形。经过仿真比对，图4的波形与电力电子技术教材上的波形完全一致，所以快速验证了该电路的工作情况，加深了学习者的学习效率和理解。

三、总结

由于篇幅所限，文章以电力电子技术课程中波形分析比较复杂的两种电路进行分析，希望能起到抛砖引玉的作用。当然，复杂电路不仅于此，学习该课程的读者可根据需要进行仿真验证。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第五版.北京：机械工业出版社，2009.

[2]洪武.PSIM在电力电子技术教学中的应用[J].实验科学与技术，2009，（2）：37-38.

[3]段国艳等.PSIM在电力电子技术实验中的应用[J].今日科苑，2008，（14）：43-43.

[4]孙成正.基于PSIM的三相桥式全控整流电路的仿真研究[J].安阳工学院学报，2014，（2）：40-42.