PSIM仿真軟件在晶閘管單相橋式整流電路的應用

孫曉鵬

摘要：在電力電子整流電路中，晶閘管單相橋式整流電路的波形分析與繪制是基礎。在高職教學過程中，需要實驗教學驗證理論波形的正確性，加深學生對波形的理解。但在實驗的過程中，實驗波形結(jié)果一般會受到各種影響而不準確。為了減少實驗波形結(jié)果受到的影響，可先用軟件仿真，在仿真的基礎上進行實際的實驗，教學效果會更好[1]。文章以電阻性負載的晶閘管單相橋式整流電路為例，闡述了PSIM仿真軟件的仿真過程。通過仿真的過程和結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果較好地驗證了理論波形結(jié)果，易于高職學生學習。

關(guān)鍵詞：高職;晶閘管;單相橋式整流電路;電阻性負載; PSIM仿真;波形分析

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0099-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

1 引言

PSIM是一款電力電子仿真軟件，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設計、電機驅(qū)動研究等有效提供強有力的仿真環(huán)境。它將半導體功率器件等效為理想開關(guān)，能夠進行快速的仿真，操作方便。在晶閘管單相橋式整流電路的波形分析與繪制的過程中，一般要進行實際電路實驗，以驗證理論波形的正確性。但在實驗過程中，實驗電路的元器件損壞、測量工具精度不足以及其他的干擾都會影響實驗波形結(jié)果。為了減少實驗波形結(jié)果受到的影響，可以先進行軟件仿真，讓學生對理論波形有初步的感性認識。在正確仿真的基礎上再進行電路實物實驗教學，促進高職學生對理論知識的理解，增強教學效果。通過仿真實驗，實驗結(jié)果也能有效驗證理論波形結(jié)果的正確性。且操作方便，便于學生學習。由于PSIM仿真軟件是英文的，在軟件的操作過程中，學生也能學到一些專業(yè)詞匯，有助于提高學生的英語水平[2]。

2 電阻性負載的單相橋式全控整流電路特點

在圖1的電路中，晶閘管（開關(guān)器件VT） 一般被視為理想器件。改變晶閘管導通的時刻，輸出電壓[ud]為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，與半波整流電路相比，交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載，又稱為全波整流，提高了交流電源電壓的利用率。

負載電阻輸出電壓平均值Ud：

[Ud=1παπ2U2sinωtd（ωt）=0.9U21+cosα2]

上述公式中， α稱為晶閘管VT1、VT3的觸發(fā)角。晶閘管VT2、VT4的觸發(fā)角延遲180°?？梢钥闯?，隨著α增大，Ud減小。若使Ud不為零，則電路中α的變化范圍為0°～180°，即晶閘管的觸發(fā)角α移相范圍為0°～180°。晶閘管觸發(fā)角α的變化范圍是仿真實驗的關(guān)鍵。

3 電阻性負載的晶閘管單相橋式整流電路仿真過程

3.1 主要元件及調(diào)用方法

元件調(diào)用方法：可以通過點擊界面下方的常用元件圖形調(diào)用元件，也可以通過點擊菜單欄“Element”選項查找調(diào)用所需元件。電路分為兩部分：主電路與控制電路。調(diào)用出所需元件后，點擊工具欄“wire”圖形，將元件連接在一起。主電路元件包括正弦交流電源u1、理想變壓器T、晶閘管VT1～VT4、負載電阻Rd、理想變壓器二次側(cè)電壓表u2、負載電阻電壓表ud、電流表id。控制電路元件包括電壓傳感器vsen、比較器comp、延時角α控制器、直流電源VDC、階躍函數(shù)電源vstep[3]。元件調(diào)用與連線如圖2（a）（b）所示。

圖2中的時鐘用于控制仿真時間，通過菜單欄“Simulate”→“Simulation Control”調(diào)用，如圖3（a）所示。由于單相橋式整流電路的輸出波形是周期性的，所以仿真時間不用太長。仿真時間設置為0.04s，即正弦交流電的兩個周期，其他參數(shù)采用默認的即可，如圖3（b）所示。

3.2 元件參數(shù)設定

雙擊元件，即可設定該元件的參數(shù)，如圖4所示，設置后關(guān)閉即可保存參數(shù)。在設定元件參數(shù)時，可以勾選相關(guān)參數(shù)后面的“display”選項，可在電路模型中顯示該元件的相關(guān)參數(shù)。為了驗證理論，元件參數(shù)設置要合理，不宜過大和過小。元件參數(shù)分為主電路元件參數(shù)與控制電路元件參數(shù)，如表1、表2所示，其他參數(shù)采用默認的即可。為了讓學生看到對比的仿真波形結(jié)果，體會波形變化的規(guī)律，晶閘管VT1、VT3觸發(fā)角分別設定為0°、60°、90°、120°、180°，晶閘管VT2、VT4觸發(fā)角延遲半個交流電周期，分別設定為180°、240°、270°、300°、360°。

完成元件參數(shù)設定和名稱修改后，可以拖動調(diào)整參數(shù)和元件名稱位置，使得電路模型看起來美觀。完整的單相半波可控整流電路如圖5所示。

3.3 仿真波形結(jié)果與分析

3.3.1 觸發(fā)角α=0°

當晶閘管VT1、VT3觸發(fā)角α=0°、晶閘管VT2、VT4觸發(fā)角α=180°時，仿真波形結(jié)果如圖6所示。在仿真結(jié)果圖中，從上至下分別為變壓器二次側(cè)輸出電壓波形u2、晶閘管門極觸發(fā)電壓波形ug、負載電阻的電壓波形ud與電流波形id。變壓器二次側(cè)輸出電壓波形u2為完整的正弦交流電波形;晶閘管門極觸發(fā)電壓波形ug為電壓脈沖。這種條件下，電路中的四個晶閘管相當于普通的二極管，正弦交流電源的電壓波形可以全部傳遞給負載，負載電壓波形ud極性不變。

3.3.2 觸發(fā)角α=60°

當晶閘管VT1、VT3觸發(fā)角α=60°、晶閘管VT2、VT4觸發(fā)角α=240°時，仿真波形結(jié)果如圖7所示。在仿真結(jié)果圖中，從上至下分別為變壓器二次側(cè)輸出電壓波形u2、晶閘管門極觸發(fā)電壓波形ug、負載電阻的電壓波形ud與電流波形id。變壓器二次側(cè)輸出電壓波形u2為完整的正弦交流電波形，晶閘管門極觸發(fā)電壓波形ug為電壓脈沖，負載電阻的波形ud是單相正弦交流電源電壓每半個周期一部分波形的組合，而且極性不變;由于負載R為電阻且阻值不是1Ω，負載電流波形id形狀應與負載電壓波形ud形狀相似，僅是幅值不同[4]。

3.3.3 觸發(fā)角α=90°

當晶閘管觸發(fā)角α=90°時，仿真波形結(jié)果如圖8所示。與α=60°的波形對比可以看出，由于晶閘管觸發(fā)角增加，負載電阻的電壓ud與電流波形id減少了一部分，輸出電壓波形與時間軸所圍的面積也減少了，即負載輸出電壓的平均值減小。

3.3.4 觸發(fā)角α=120°

當晶閘管觸發(fā)角α=120°時，仿真波形結(jié)果如圖9所示。與α=90°的波形對比可以看出，由于晶閘管觸發(fā)角增加，負載電阻的電壓ud與電流波形id又減少了一部分，輸出電壓波形與時間軸所圍的面積再次減少，即負載輸出電壓的平均值也減小。

通過上述仿真結(jié)果可以看出，晶閘管觸發(fā)角數(shù)值越大，即晶閘管觸發(fā)時刻越晚，交流電源傳遞到負載電阻的電壓波形就越少，輸出電壓平均值就越小，即輸出電壓越低。

4 結(jié)論

本文以電阻性負載的晶閘管單相橋式整流電路為例，闡述了PSIM仿真軟件的使用方法。通過仿真電路的搭建、參數(shù)設置及仿真結(jié)果可以看出，與實際電路實驗相比，PSIM仿真軟件更易于操作，驗證了理論波形的正確性。通過改變晶閘管觸發(fā)角，負載得到不同形狀的波形，通過負載波形變化的對比，易于學生掌握晶閘管觸發(fā)角改變時整流電路負載波形的變化規(guī)律，對實際電路實驗具有很好的指導作用[5]。另外，學生在軟件操作的過程中，也能學到一些與電相關(guān)的專業(yè)詞匯，可以促進學生英語水平的提高。

參考文獻：

[1] 李艷，姚亮.單相半波整流電路的仿真設計[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2019，37（12）：158，160.

[2] 胡小艷，孫逸杰，汪恒.基于PSIM的單相交流調(diào)壓電路仿真教學研究[J].科教導刊（上旬刊），2018（34）：110-112.

[3] 胡瑤瑤.基于計算機仿真軟件在電力電子技術(shù)中的應用研究[J].計算機產(chǎn)品與流通，2018（1）：75.

[4] 陳海宇，曹少科.基于PSIM仿真對單相半波整流電路的分析[J].河北農(nóng)機，2019（7）：63，77.

[5] 潘雷，鄧世建，劉榮華.基于VB的晶閘管整流器特性仿真軟件設計[J].自動化技術(shù)與應用，2009，28（4）：86-87，109.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】