基于PSIM的电力电子技术课程教学研究

王祥傲 汪先兵 彭靳 段大卫

摘要：单相电压型全桥逆变电路是电力电子技术课程的重点和难点，课件静态演示和理论讲解相结合的传统教学方式不利于学生充分理解相关知识.本文以PSIM软件为基础，介绍采用SPWM方式的工频正弦波逆变器的工作原理和模型搭建，并进一步分析了SPWM电压波形的谐波及滤波，对于提高课堂教学效果具有较好的的促进作用.

关键词：电力电子技术;全桥逆变电路;PSIM

中图分类号：G642.0  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）04-0151-02

1 引言

当前，我国高等教育事业发展迅速，一些新建本科院校的教学硬件条件较为薄弱，如何保障教育教学质量成为广大教师面临的难题[1].以电力电子技术课程为例，该课程是工科电气自动化类专业的主干课程，强调理论与实践并重，在课程体系中具有承前启后的作用，但是很多高校在教学时，主要教学工具只是课件[2].

单相电压型逆变电路是电力电子技术的重要组成部分，在交流调速、不间断电源、新能源发电等领域有着广泛的应用，是学生必须掌握的核心知识.传统教学方式在教授这部分内容时，由教师结合多媒体课件口述电路结构和工作信号的稳态波形.由于涉及知识点多、理解难度大，这种教学方式容易导致学生跟不上教学进度，且课下学习没有其他辅助手段帮助加深理解.

基于上述问题，本文将PSIM软件引进电力电子技术课程教学，介绍了单相全桥电压型逆变电路及SPWM调制的基本原理，电路的建模与仿真分析，为课程教学改革提供借鉴.

2 单相全桥逆变电路的工作原理

单相全桥逆变电路是一种电压型逆变电路，如图1所示.该变换器由四个具有双向通流能力的全控型开关组成桥式结构，实现DC-AC变换功能[3].

对于需要提供正弦电压的交流负载采用SPWM调制方式的输出电压波形如图2所示.当正弦调制信号的瞬时值大于三角载波信号的瞬时值时，驱动VT1、VT4导通，输出正极性的SPWM电压脉冲;当三角载波信号的瞬时值大于正弦调制信号的瞬时值时，驱动VT2、VT3导通，输出负极性的SPWM电压脉冲.

与脉冲幅值调制（PAM）方式相比，采用SPWM调制方式的单相桥式逆变电路，直流侧可以采用结构简单的不控整流电路，输出电压幅值和频率可以同时调节，动态响应快，输出谐波含量低，滤波器的设计较为简单.因此，SPWM控制方案在工程上获得广泛应用.

3 电压型单相全桥逆变电路仿真分析

PSIM是一款用于電力电子电路和电机控制系统仿真设计的软件，具有用户界面友好、仿真高速、波形解析等特点[4].与MATLAB/Simulink相比，PSIM不存在收敛性问题;利用其SimCoder模块可以自动生成程序代码，方便实现仿真与硬件的无缝集成，从而加快开发和设计过程[5，6].

在PSIM中仿真主要包括模型搭建、仿真运行和波形分析.图3为基于SPWM调制方式的工频逆变器仿真模型，输入为直流100V，输出为50Hz工频交流电.

SPWM控制分单极性和双极性SPWM，由于单极性SPWM需要采用单极性三角载波，使控制信号的生成变得复杂，工程上较少应用，因此，本文采用的是双极性SPWM控制方案.图3中，调制波为幅值2.4V、频率50Hz的正弦波;载波为20kHz的对称三角波，幅值为3V.正弦调制波与对称三角载波经比较器后输出的高电平用于驱动VT1、VT4，输出的低电平信号经反相器转换成高电平信号，用于驱动VT2、VT3.

由于开关管本身的开关时间，同一桥臂上下两只开关管在通断切换时需设置死区时间，防止上下桥臂同时导通损坏开关管.本模型中由延时单元和与门组合实现死区延时功能.两个延时单元Time Delay的延时设置为1us，经与门后可以实现2us的死区延时.

设置仿真的起止时间为0.01s、0.03s.利用Simview绘制的控制信号与输出电压波形如图4所示.从图4可以看出输出电压为双极性的SPWM电压脉冲，借助仿真波形可以让学生更加清楚地理解双极性SPWM调制的工作原理.

对于正弦波逆变器，输出SPWM电压的谐波含量是衡量逆变器性能的重要指标.在本例中，Simview自带的THD（总谐波含量）功能可以方便地对输出电压做进一步分析，如图5所示.

从图5显示的计算结果可以看出，当基波频率为50Hz时，SPWM电压的总谐波含量THD为1.5974674，需设计滤波器滤除高次谐波[7].滤波器为LC二阶低通滤波，截止频率为fc=.由于输出电压中包含的主要是基于载波频率的高次谐波，滤波器的参数选择为L=1mH、C=10uF，则二阶低通滤波器的截止频率≈1592Hz，远大于50Hz的基波频率，从而可以有效衰减输出电压中的高次谐波成分，使输出电压波形呈现正弦波.图6为经二阶低通滤波器滤波后的输出电压波形，其总谐波含量THD=0.019.

4 总结

电压型单相全桥逆变电路在光伏发电、不间断电源UPS等场合的应用相当普遍，相关知识点多且理解难度较大.采用PSIM软件进行电路的仿真教学，一方面有助于难点知识的深入分析和理解，提高学生的学习兴趣和教学效果，另一方面也为学生学习相关课程，如电力拖动自动控制系统等，提供了学习工具，使学生能够在教学硬件设施相对不足的环境下，开展研究性学习，为其今后进一步深造和从事相关工作打下良好的基础，符合当前应用型人才培养的实际需求.

参考文献：

〔1〕巫付专，王耕，彭圣.电力电子技术课程教学模式改革与实践[J].中国现代教育装备，2018（01）：32-34.

〔2〕野村弘，藤原宪一郎.使用PSIM学习电力电子技术基础[M].西安：西安交通大学出版社，2009.

〔3〕张兴，黄海宏.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2018.

〔4〕孙成正.基于PSIM的三相半波可控整流电路的仿真研究[J].贵州师范学院学报，2017，33（03）：53-55.

〔5〕罗如山，陈政石.基于PSIM的“电力电子技术”仿真教学研究[J].中国电力教育，2012（27）：85-86.

〔6〕王文，汤赐.电力电子技术课程的应用电路仿真教学实践[J].实验科学与技术，2018（03）：46-48.