基于Psim的电力电子探究性实验教学研究

朱艺锋，陶 慧，王新环，刘海波

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

在电力电子技术课程的实验教学中，引入仿真软件帮助教学是一种行之有效的做法[1-5]，能较好地解决实验滞后于理论教学、实验设备数量有限、实验课时不足等问题，既能达到理论结合实验、激发学习兴趣、培养分析思考能力的基本教学要求，又能培养学生以仿真实验验证理论的习惯，提升学生创新精神和研究能力。教学中采用的电力电子仿真软件主要有MATLAB/simulink和Psim两种[4-8]。两种软件各有优势，MATLAB是主流软件，不仅用在电力电子中，在自动控制原理、电力系统分析等多个领域都可以进行仿真，缺点是软件较大，安装麻烦，运行较慢。而Psim软件则小巧玲珑，专门针对电力电子和电力传动进行仿真，操作方便，容易上手，安装运行都很快速，特别适合教学和学生使用。

电力电子技术设置的实验除了验证性实验和综合性实验外，还有设计性实验和探究性实验[9-10]。本文以降压斩波电路和三相全控桥整流电路探究性实验为例，引导学生使用Psim软件进行建模仿真，探讨Psim软件在提升学生分析能力、设计能力和探究能力方面的实施模式和效果。

1 降压斩波电路探究性实验

在降压斩波电路实验中，所用试验台为浙江天煌DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置。降压斩波电路的原理图如图1所示。

1.1 降压斩波电路实验中探究的问题

有的学生做完试验后，发现用万用表测量记录的输出电压平均值和用公式计算的输出电压计算值差别很大，怀疑自己的实验做错了，甚至怀疑理论公式有问题。比如，电源输入电压为40 V，当占空比为0.5时，按照理论公式Uo=DUd计算的输出电压为20 V，可是实测的结果为35.8 V，差别达到15.8 V，这显然不能用误差理论来分析。发现问题之后，同学们不会分析，也无从解决。

图1 降压斩波电路原理图

此时，可以引导学生借助Psim仿真软件，按照实验的实际电路参数，如表1所示，搭建降压斩波电路的仿真模型，如图2所示。

表1 电路参数

图2 降压斩波电路Psim仿真模型

设置仿真步长为10 μs，仿真时间为1s，电感电流iL和输出电压uO的仿真结果如图3所示。从仿真结果可以看出，在给定的实验条件下，输出电压的结果约为36 V，确实高于理论计算值20 V，但同时也发现电感电流是断续的。这正是实验结果和公式计算值出现较大差别的原因。实际上，降压斩波电路存在电感电流连续和断续两种工作模式，不同模式下输出电压的求解方法不同，大小也不同。而且，在电感电流断续时，输出电压会升高。

1.2 降压斩波电路电压升高问题探究

图1中，将电感看作理想器件，则其在一个开关周期内消耗的平均功率为零，而流过的平均电流不为零，从而电感两端电压uL在一个开关周期内的平均值等于零，即：

(1)

图3 Buck电路仿真结果(D=0.5，R=900 Ω)

式中，TS为开关周期。根据图1的工作原理可知，电感两端电压uL在开关K闭合和关断时分别为：

(2)

图4 电感电流连续和断续示意

将式(2)带入式(1)，并结合上述分析，可得电感电流连续时有：

得电感电流连续时输出电压的平均值为：

(3)

式中,TS=ton+toff,ton为开关处于通态的时间，D为占空比。

电感电流断续时电路输出电压的平均值Uo为：

(4)

可见，在电感电流断续时，直流降压斩波电路的输出电压与电感电流连续情况相比，会升高。断续时间越长，输出电压升高越多，极限情况下等于电源电压Ud。

至此，学生应清楚自己的实验结果之所以大于理论计算值，正是因为自己的实验电路中电感电流是断续的。那么怎样解决这个问题，使得电感电流可以连续呢？

电感电流连续的条件与电感的大小有关：

(5)

式(5)表明，在实验电路中电感数值和开关工作频率确定的情况下，要想让电感电流连续，只能改变占空比D或者负载电阻R。本例中，占空比为0.5是确定的，因此只能改变负载电阻R。带入表1的参数，可以求出电感电流连续所需要的电阻取值范围R≤495 Ω。

反观实验电路接线，发现学生接的电阻参数为900 Ω，因此电感电流必然出现断续，所测的输出电压值必然高于用电流连续时的公式计算出的输出电压值。要解决这个问题，只需要换一个小于495 Ω的电阻就可以了。查看实验台，发现有一个90 Ω的电阻，符合要求，改变负载电阻接线，进行实验，记录实验结果为20.1 V，与式(5)中计算结果相同。此时的电感电流应该是连续的。为验证这一点，再利用刚才的Psim仿真模型，改变电阻参数为90 Ω进行仿真，仿真结果如图5所示。

图5 Buck电路仿真结果(D=0.5，R=90 Ω)

从仿真结果可以看到，电感电流连续，平均值约为0.15 A，验证了之前的推断。

通过实验、仿真、理论分析的结合和相互印证，可以使学生深刻地理解和掌握降压斩波电路以及其他斩波电路的工作特性和分析方法，并可以提高其学习兴趣，学会分析问题和解决问题的方法，并获得初步科学研究的能力。

2 三相全控桥整流电路探究性实验

三相全控桥整流电路实验中，学生能够观察到不同控制角下输出电压的波形以及整流输出电压的大小，但以下两个问题，还是得不到很好地理解和解决。实验中可以借助Psim仿真来探究。

2.1 三相全控桥控制角的起点问题探究

三相全控桥中为何控制角的起点(以VT1为例)即α=0°定在相电压波形中(ua过零变正的点为坐标原点)ωt=30°的位置？在ωt=0～30°处给晶闸管发触发脉冲，电路能否工作？工作结果是什么样的？建立如图6所示的仿真模型，负载电阻为10 Ω，脉冲采用宽度为80°的单脉冲，进行仿真，结果如图7所示。图6中ua、ub、uc分别是三相交流相电压波形，图7分别为在ωt =0°,10°,20°,30°和60°处给晶闸管发触发脉冲所得到的整流电路输出电压波形。为了便于区别，上述波形做了一定比例的缩小。从中可见，在ωt=0～30°区间内给晶闸管发触发脉冲，电路仍然能够正常工作，输出电压波形在电路工作稳定时均相同，而且和在ωt=30°处给晶闸管发触发脉冲时的效果一样；而当在ωt>30°，如ωt=60°处给晶闸管发触发脉冲时输出电压波形开始出现下垂。这说明，对于采用相位控制输出电压可调的三相整流电路而言，在ωt=0～30°区间内移动触发脉冲时，晶闸管可控整流电路的输出电压固定不变，因此ωt=0～30°不是有效的移相范围，从而有效的移相范围应该从ωt=30°处开始，把此处作为计算控制角的起点位置，即此处α=0°。

图6 三相全控桥整流电路的仿真模型

图7 三相全控桥整流电路的仿真结果

2.2 阻感负载时的移相范围问题

在阻感负载时，为何说触发脉冲的移相范围为α=0～90°？当α>90°时，整流电路能否工作？工作结果是什么样的？仍然可以引导学生通过仿真来探究这个问题。仿真模型如图8所示，负载电阻不变，加入负载电感为0.5 H，满足ωL>>R。

图8 三相全控桥整流电路阻感负载时的仿真模型

图9 三相全控桥整流电路的仿真结果

设置触发角分别为90°,100°,110°，仿真结果如图9所示。图中uO90°、uO100°、uO110°分别为在控制角α=90°,100°,110°时所得到的整流电路输出电压波形。为了便于区别，上述波形做了一定比例的缩小。从中可见，在控制角α>90°时，晶闸管可控整流电路仍然能够正常工作，但由于输出电压波形与横轴围成的正面积和负面积大小均相等，从而输出电压的平均值均为零。也即是说，在α=90～120°范围内，当改变控制角时，输出电压值均为零，固定不变。因此，α=90°～120°不是有效的移相范围，从而阻感负载时触发脉冲的移相范围为α=0～90°。

3 结束语

将Psim软件用于实验探究中，可以省时省力地进行研究和探索，既可加深对书本理论知识中难点的理解，又可拓展实验的内容，帮助分析实验现象，解释实验中出现的问题，设计合理的实验参数等。通过实验、仿真、理论分析的结合和相互印证，可以使学生深刻理解和掌握电力电子技术相关电路的工作特性和分析方法，提高学习兴趣，学会分析问题和解决问题的方法，并获得初步科学研究的能力。