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PSIM仿真(提高)
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PSIM仿真技术在电力电子技术教学中的应用
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【摘 要】在电力电子课程教学中，许多学生对各种电力变换电路的缺乏基本认识，往往达不到好的教学效果。为了解决这一问题，本文借助于PSIM强大的仿真功能，并以电力电子整流电路和升压斩波电路为例，介绍PSIM软件在电力电子教学中的应用。直观实时的仿真结果使学生更易理解和掌握课程的基本知识，从而在有限的教学时间内取得较好的教学效果，有效提高教学质量。【关键词】电力电子技术；PSIM仿真；整流电路；斩波电路1.引言随着科技和经济以及电力电子技术自身的快速发展，电力电子技术日益成为了基础性和应用性都很强的技术，在电气工程、自动化工程、电子工程、通信工程等诸多工程领域已得到广泛应用，因此多数高校都将电力电子技术作为电气工程专业的必修课程。本课程主要讲授电能的转换和控制，通常是采用波形分析法进行分析，通过比较电路图和波形图的变化来阐明各种变流电路的基本原理和工作过程。由于电力电子变换器的电路拓扑形式多样， 而且所带负载不同时， 变换器的工作特性和输出波形等会发生相应改变， 现有的教材主要用文字、公式和波形图等方式讲述变换器的工作原理及过程。这种教学形式单调， 导致学生的学习效果差。同时随着高校课程的改革，电力电子技术的课时有不同程度的挤压，对于理论学时少而教学内容多的电力电子技术教学面临更大的压力。现代计算机仿真技术为电力电子电路和系统的分析提供了崭新的途径，可以使复杂的电力电子电路、系统的分析和设计变得更加简单有效，同时也成为我们学习电力电子技术必不可少的重要手段。PSIM是专门为电力电子和电机控制而设计的仿真包，仿真快速且有着友好的用户界面，PSIM还提供了强大的仿真环境，可以从事电力电子、模拟数字控制、电机驱动等方面的仿真。目前，应用PSIM进行电力电子系统的分析、建模、开发受到了广泛的关注。本文采用PSIM仿真软件，对单相半波可控整流电路和升压斩波电路进行建模仿真，仿真结果与理论分析一致，验证了建模方法的正确性。2.PSIM简介PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件，具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。PSIM / elements中包含有丰富的控制元件库， 为电力电子装置设计与控制分析提供了良好的仿真开发环境。另外，除了PSIM / control中提供传统的（ 如PI模块） 控制模块同时， PSIM 还允许嵌入C /C+ + 等代码编写的控制算法。在PSIM6. 0和PSIM 9.1版本中还附加有SimCoupler模块， 能和Matlab /Simulink进行连接而共同仿真， 提高了PSIM 的仿真处理能力， 缩短了产品的设计周期。PSIM具有快速的仿真功能和友好的用户界面等优点，针对各不同用户而提供的一种强有效的仿真环境。PSIM具有独特仿真速度、可控制任意大小的电力变换回路、及对控制回路仿真功能的特点，在各不同系统的仿真领域、控制环的设计、以及电机驱动系统设计领域被广泛应用。另外， PSIM 官方网站提供免费试用版， 虽然试用版的仿真元器件个数受到一定的限制， 但并不影响本课程学习的需要。3.典型电力电子电路仿真实例下面分别以单相半波可控整流电路和升压斩波电路为例在PSIM中进仿真。3.1、实例一 单相半波可控整流电路（1）编辑原理图和模型参数设置电源为正弦交流电源，峰值为Ue=100V，交变频率为50Hz，电阻为2Ω，通过晶闸管的驱动信号频率为50Hz，触发角为30°。电路如图1所示。图1 整流电路 图2 选择要显示的参数（2）仿真结果仿真时间设置： 仿真显示的起点时间（ Printtim e）为0s， 仿真显示的终点时间（ Total time）为0.04s。点击Run Simulation 进行仿真。选择要显示的参数如图2 所示， 当要显示的参数选择完毕后， 点击OK， 系统就会显示选中参数的波形， 如图3所示图3 仿真结果波形图理论分析，而仿真电阻R上的压降为29.7V，与理论计算相符。改变触发角，仿真电阻R上的压降也随即改变。通过控制触发角大小即触发脉冲的相位来控制直流输出电压的大小的原理学生就很容易理解。3.2、实例二 升压斩波电路（1）编辑原理图和模型参数设置电源电压为直流Ue=100V，电阻为20Ω，电感L=1000mH，电容C=1000uF，通过晶闸管的驱动信号频率为50Hz，电阻R=20Ω，IGBT的驱动信号频率是1600H z， 脉冲宽度为150°。通过改变IGBT 的驱动信号的脉冲宽度就可以改变IGBT的通断时间， 从而在负载端得到期望的高于电源电压的直流。电路图如图4所示。图4 升压斩波电路（2）仿真结果仿真时间设置： 仿真显示的起点时间（ Printtim e）为950ms， 仿真显示的终点时间（ Total time）为1000ms。点击Run Simulation 进行仿真。选择要显示的参数， 点击OK， 系统就会显示选中参数的波形， 如图5所示。图 5 仿真结果波形图理论分析，而仿真电阻R上的压降为141.35V，在误差范围内与理论计算相符。通过观察电感、电容以及负载电阻的电流波形，可以知道在IGBT导通时，电源对电感供电，同时电容对电阻供电；当IGBT 截止时，电源和电感共同向电容C充电，并向负载电阻提供能量。从而能够更好地理解升压载波电路的工作原理。4.结论由上述教学实例分析可见， PSIM 仿真程序的使用非常简单易学， 仿真结果直观， 可以使课堂讲解更加直观清楚，使学生对于课程的学习较以前更为轻松，说明了利用PSIM 对电力电子电路进行仿真可以使学生对电路有更为具体的认识，有助于激发学生学习的兴趣，提高教学质量，同时对于提高学生分析问题、解决问题的能力也有很好的效果。因此，在电力电子技术中应用计算机仿真技术是一个有益的探索，让学生掌握一些计算机仿真技术，对他们以后的学习很有帮助。参考文献[1 ]王兆安，黄 俊. 电力电子技术[M ]. 4版. 北京：机械工业出版社， 2000.[2] 熊光楞. 控制系统数字仿真[M]. 北京： 清华大学出版社， 1982： 75-79.[3] 周渊深. 电力电子技术与MATLAB仿真[M]. 北京： 中国电力出版社，2005.[4]陈杰.MATLAB宝典[M].北京：电子工业出版社，2007.[5] [日]野村弘，藤原宪一郎，吉田正伸（胡金库，贾要勤，王兆安翻译）.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.基金项目：梧州学院教改项目（Wyjg）资助。
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