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      PSIM仿真軟件在晶閘管單相橋式整流電路的應用

      2022-10-18 10:11:15孫曉鵬
      電腦知識與技術(shù) 2022年25期
      關(guān)鍵詞:晶閘管高職

      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】

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