朱藝鋒，陶 慧，王新環(huán)，劉海波

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

在電力電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入仿真軟件幫助教學(xué)是一種行之有效的做法[1-5]，能較好地解決實(shí)驗(yàn)滯后于理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限、實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足等問(wèn)題，既能達(dá)到理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)分析思考能力的基本教學(xué)要求，又能培養(yǎng)學(xué)生以仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的習(xí)慣，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和研究能力。教學(xué)中采用的電力電子仿真軟件主要有MATLAB/simulink和Psim兩種[4-8]。兩種軟件各有優(yōu)勢(shì)，MATLAB是主流軟件，不僅用在電力電子中，在自動(dòng)控制原理、電力系統(tǒng)分析等多個(gè)領(lǐng)域都可以進(jìn)行仿真，缺點(diǎn)是軟件較大，安裝麻煩，運(yùn)行較慢。而Psim軟件則小巧玲瓏，專(zhuān)門(mén)針對(duì)電力電子和電力傳動(dòng)進(jìn)行仿真，操作方便，容易上手，安裝運(yùn)行都很快速，特別適合教學(xué)和學(xué)生使用。

電力電子技術(shù)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)除了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)外，還有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)[9-10]。本文以降壓斬波電路和三相全控橋整流電路探究性實(shí)驗(yàn)為例，引導(dǎo)學(xué)生使用Psim軟件進(jìn)行建模仿真，探討Psim軟件在提升學(xué)生分析能力、設(shè)計(jì)能力和探究能力方面的實(shí)施模式和效果。

1 降壓斬波電路探究性實(shí)驗(yàn)

在降壓斬波電路實(shí)驗(yàn)中，所用試驗(yàn)臺(tái)為浙江天煌DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置。降壓斬波電路的原理圖如圖1所示。

1.1 降壓斬波電路實(shí)驗(yàn)中探究的問(wèn)題

有的學(xué)生做完試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)用萬(wàn)用表測(cè)量記錄的輸出電壓平均值和用公式計(jì)算的輸出電壓計(jì)算值差別很大，懷疑自己的實(shí)驗(yàn)做錯(cuò)了，甚至懷疑理論公式有問(wèn)題。比如，電源輸入電壓為40 V，當(dāng)占空比為0.5時(shí)，按照理論公式Uo=DUd計(jì)算的輸出電壓為20 V，可是實(shí)測(cè)的結(jié)果為35.8 V，差別達(dá)到15.8 V，這顯然不能用誤差理論來(lái)分析。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后，同學(xué)們不會(huì)分析，也無(wú)從解決。

圖1 降壓斬波電路原理圖

此時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生借助Psim仿真軟件，按照實(shí)驗(yàn)的實(shí)際電路參數(shù)，如表1所示，搭建降壓斬波電路的仿真模型，如圖2所示。

表1 電路參數(shù)

圖2 降壓斬波電路Psim仿真模型

設(shè)置仿真步長(zhǎng)為10 μs，仿真時(shí)間為1s，電感電流iL和輸出電壓uO的仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，輸出電壓的結(jié)果約為36 V，確實(shí)高于理論計(jì)算值20 V，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)電感電流是斷續(xù)的。這正是實(shí)驗(yàn)結(jié)果和公式計(jì)算值出現(xiàn)較大差別的原因。實(shí)際上，降壓斬波電路存在電感電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式，不同模式下輸出電壓的求解方法不同，大小也不同。而且，在電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓會(huì)升高。

1.2 降壓斬波電路電壓升高問(wèn)題探究

圖1中，將電感看作理想器件，則其在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)消耗的平均功率為零，而流過(guò)的平均電流不為零，從而電感兩端電壓uL在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值等于零，即：

(1)

圖3 Buck電路仿真結(jié)果(D=0.5，R=900 Ω)

式中，TS為開(kāi)關(guān)周期。根據(jù)圖1的工作原理可知，電感兩端電壓uL在開(kāi)關(guān)K閉合和關(guān)斷時(shí)分別為：

(2)

圖4 電感電流連續(xù)和斷續(xù)示意

將式(2)帶入式(1)，并結(jié)合上述分析，可得電感電流連續(xù)時(shí)有：

得電感電流連續(xù)時(shí)輸出電壓的平均值為：

(3)

式中,TS=ton+toff,ton為開(kāi)關(guān)處于通態(tài)的時(shí)間，D為占空比。

電感電流斷續(xù)時(shí)電路輸出電壓的平均值Uo為：

(4)

可見(jiàn)，在電感電流斷續(xù)時(shí)，直流降壓斬波電路的輸出電壓與電感電流連續(xù)情況相比，會(huì)升高。斷續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，輸出電壓升高越多，極限情況下等于電源電壓Ud。

至此，學(xué)生應(yīng)清楚自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之所以大于理論計(jì)算值，正是因?yàn)樽约旱膶?shí)驗(yàn)電路中電感電流是斷續(xù)的。那么怎樣解決這個(gè)問(wèn)題，使得電感電流可以連續(xù)呢？

電感電流連續(xù)的條件與電感的大小有關(guān)：

(5)

式(5)表明，在實(shí)驗(yàn)電路中電感數(shù)值和開(kāi)關(guān)工作頻率確定的情況下，要想讓電感電流連續(xù)，只能改變占空比D或者負(fù)載電阻R。本例中，占空比為0.5是確定的，因此只能改變負(fù)載電阻R。帶入表1的參數(shù)，可以求出電感電流連續(xù)所需要的電阻取值范圍R≤495 Ω。

反觀實(shí)驗(yàn)電路接線，發(fā)現(xiàn)學(xué)生接的電阻參數(shù)為900 Ω，因此電感電流必然出現(xiàn)斷續(xù)，所測(cè)的輸出電壓值必然高于用電流連續(xù)時(shí)的公式計(jì)算出的輸出電壓值。要解決這個(gè)問(wèn)題，只需要換一個(gè)小于495 Ω的電阻就可以了。查看實(shí)驗(yàn)臺(tái)，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)90 Ω的電阻，符合要求，改變負(fù)載電阻接線，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果為20.1 V，與式(5)中計(jì)算結(jié)果相同。此時(shí)的電感電流應(yīng)該是連續(xù)的。為驗(yàn)證這一點(diǎn)，再利用剛才的Psim仿真模型，改變電阻參數(shù)為90 Ω進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 Buck電路仿真結(jié)果(D=0.5，R=90 Ω)

從仿真結(jié)果可以看到，電感電流連續(xù)，平均值約為0.15 A，驗(yàn)證了之前的推斷。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)、仿真、理論分析的結(jié)合和相互印證，可以使學(xué)生深刻地理解和掌握降壓斬波電路以及其他斬波電路的工作特性和分析方法，并可以提高其學(xué)習(xí)興趣，學(xué)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，并獲得初步科學(xué)研究的能力。

2 三相全控橋整流電路探究性實(shí)驗(yàn)

三相全控橋整流電路實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠觀察到不同控制角下輸出電壓的波形以及整流輸出電壓的大小，但以下兩個(gè)問(wèn)題，還是得不到很好地理解和解決。實(shí)驗(yàn)中可以借助Psim仿真來(lái)探究。

2.1 三相全控橋控制角的起點(diǎn)問(wèn)題探究

三相全控橋中為何控制角的起點(diǎn)(以VT1為例)即α=0°定在相電壓波形中(ua過(guò)零變正的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn))ωt=30°的位置？在ωt=0～30°處給晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖，電路能否工作？工作結(jié)果是什么樣的？建立如圖6所示的仿真模型，負(fù)載電阻為10 Ω，脈沖采用寬度為80°的單脈沖，進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。圖6中ua、ub、uc分別是三相交流相電壓波形，圖7分別為在ωt =0°,10°,20°,30°和60°處給晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖所得到的整流電路輸出電壓波形。為了便于區(qū)別，上述波形做了一定比例的縮小。從中可見(jiàn)，在ωt=0～30°區(qū)間內(nèi)給晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖，電路仍然能夠正常工作，輸出電壓波形在電路工作穩(wěn)定時(shí)均相同，而且和在ωt=30°處給晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖時(shí)的效果一樣；而當(dāng)在ωt>30°，如ωt=60°處給晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖時(shí)輸出電壓波形開(kāi)始出現(xiàn)下垂。這說(shuō)明，對(duì)于采用相位控制輸出電壓可調(diào)的三相整流電路而言，在ωt=0～30°區(qū)間內(nèi)移動(dòng)觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管可控整流電路的輸出電壓固定不變，因此ωt=0～30°不是有效的移相范圍，從而有效的移相范圍應(yīng)該從ωt=30°處開(kāi)始，把此處作為計(jì)算控制角的起點(diǎn)位置，即此處α=0°。

圖6 三相全控橋整流電路的仿真模型

圖7 三相全控橋整流電路的仿真結(jié)果

2.2 阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍問(wèn)題

在阻感負(fù)載時(shí)，為何說(shuō)觸發(fā)脈沖的移相范圍為α=0～90°？當(dāng)α>90°時(shí)，整流電路能否工作？工作結(jié)果是什么樣的？仍然可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)仿真來(lái)探究這個(gè)問(wèn)題。仿真模型如圖8所示，負(fù)載電阻不變，加入負(fù)載電感為0.5 H，滿(mǎn)足ωL>>R。

圖8 三相全控橋整流電路阻感負(fù)載時(shí)的仿真模型

圖9 三相全控橋整流電路的仿真結(jié)果

設(shè)置觸發(fā)角分別為90°,100°,110°，仿真結(jié)果如圖9所示。圖中uO90°、uO100°、uO110°分別為在控制角α=90°,100°,110°時(shí)所得到的整流電路輸出電壓波形。為了便于區(qū)別，上述波形做了一定比例的縮小。從中可見(jiàn)，在控制角α>90°時(shí)，晶閘管可控整流電路仍然能夠正常工作，但由于輸出電壓波形與橫軸圍成的正面積和負(fù)面積大小均相等，從而輸出電壓的平均值均為零。也即是說(shuō)，在α=90～120°范圍內(nèi)，當(dāng)改變控制角時(shí)，輸出電壓值均為零，固定不變。因此，α=90°～120°不是有效的移相范圍，從而阻感負(fù)載時(shí)觸發(fā)脈沖的移相范圍為α=0～90°。

3 結(jié)束語(yǔ)

將Psim軟件用于實(shí)驗(yàn)探究中，可以省時(shí)省力地進(jìn)行研究和探索，既可加深對(duì)書(shū)本理論知識(shí)中難點(diǎn)的理解，又可拓展實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，幫助分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，解釋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、仿真、理論分析的結(jié)合和相互印證，可以使學(xué)生深刻理解和掌握電力電子技術(shù)相關(guān)電路的工作特性和分析方法，提高學(xué)習(xí)興趣，學(xué)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，并獲得初步科學(xué)研究的能力。