基于PSIM的電力電子技術(shù)課程教學(xué)研究

王祥傲 汪先兵 彭靳 段大衛(wèi)

摘要：單相電壓型全橋逆變電路是電力電子技術(shù)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，課件靜態(tài)演示和理論講解相結(jié)合的傳統(tǒng)教學(xué)方式不利于學(xué)生充分理解相關(guān)知識.本文以PSIM軟件為基礎(chǔ)，介紹采用SPWM方式的工頻正弦波逆變器的工作原理和模型搭建，并進(jìn)一步分析了SPWM電壓波形的諧波及濾波，對于提高課堂教學(xué)效果具有較好的的促進(jìn)作用.

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);全橋逆變電路;PSIM

中圖分類號：G642.0? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）04-0151-02

1 引言

當(dāng)前，我國高等教育事業(yè)發(fā)展迅速，一些新建本科院校的教學(xué)硬件條件較為薄弱，如何保障教育教學(xué)質(zhì)量成為廣大教師面臨的難題[1].以電力電子技術(shù)課程為例，該課程是工科電氣自動化類專業(yè)的主干課程，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐并重，在課程體系中具有承前啟后的作用，但是很多高校在教學(xué)時(shí)，主要教學(xué)工具只是課件[2].

單相電壓型逆變電路是電力電子技術(shù)的重要組成部分，在交流調(diào)速、不間斷電源、新能源發(fā)電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是學(xué)生必須掌握的核心知識.傳統(tǒng)教學(xué)方式在教授這部分內(nèi)容時(shí)，由教師結(jié)合多媒體課件口述電路結(jié)構(gòu)和工作信號的穩(wěn)態(tài)波形.由于涉及知識點(diǎn)多、理解難度大，這種教學(xué)方式容易導(dǎo)致學(xué)生跟不上教學(xué)進(jìn)度，且課下學(xué)習(xí)沒有其他輔助手段幫助加深理解.

基于上述問題，本文將PSIM軟件引進(jìn)電力電子技術(shù)課程教學(xué)，介紹了單相全橋電壓型逆變電路及SPWM調(diào)制的基本原理，電路的建模與仿真分析，為課程教學(xué)改革提供借鑒.

2 單相全橋逆變電路的工作原理

單相全橋逆變電路是一種電壓型逆變電路，如圖1所示.該變換器由四個(gè)具有雙向通流能力的全控型開關(guān)組成橋式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)DC-AC變換功能[3].

對于需要提供正弦電壓的交流負(fù)載采用SPWM調(diào)制方式的輸出電壓波形如圖2所示.當(dāng)正弦調(diào)制信號的瞬時(shí)值大于三角載波信號的瞬時(shí)值時(shí)，驅(qū)動VT1、VT4導(dǎo)通，輸出正極性的SPWM電壓脈沖;當(dāng)三角載波信號的瞬時(shí)值大于正弦調(diào)制信號的瞬時(shí)值時(shí)，驅(qū)動VT2、VT3導(dǎo)通，輸出負(fù)極性的SPWM電壓脈沖.

與脈沖幅值調(diào)制（PAM）方式相比，采用SPWM調(diào)制方式的單相橋式逆變電路，直流側(cè)可以采用結(jié)構(gòu)簡單的不控整流電路，輸出電壓幅值和頻率可以同時(shí)調(diào)節(jié)，動態(tài)響應(yīng)快，輸出諧波含量低，濾波器的設(shè)計(jì)較為簡單.因此，SPWM控制方案在工程上獲得廣泛應(yīng)用.

3 電壓型單相全橋逆變電路仿真分析

PSIM是一款用于電力電子電路和電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的軟件，具有用戶界面友好、仿真高速、波形解析等特點(diǎn)[4].與MATLAB/Simulink相比，PSIM不存在收斂性問題;利用其SimCoder模塊可以自動生成程序代碼，方便實(shí)現(xiàn)仿真與硬件的無縫集成，從而加快開發(fā)和設(shè)計(jì)過程[5，6].

在PSIM中仿真主要包括模型搭建、仿真運(yùn)行和波形分析.圖3為基于SPWM調(diào)制方式的工頻逆變器仿真模型，輸入為直流100V，輸出為50Hz工頻交流電.

SPWM控制分單極性和雙極性SPWM，由于單極性SPWM需要采用單極性三角載波，使控制信號的生成變得復(fù)雜，工程上較少應(yīng)用，因此，本文采用的是雙極性SPWM控制方案.圖3中，調(diào)制波為幅值2.4V、頻率50Hz的正弦波;載波為20kHz的對稱三角波，幅值為3V.正弦調(diào)制波與對稱三角載波經(jīng)比較器后輸出的高電平用于驅(qū)動VT1、VT4，輸出的低電平信號經(jīng)反相器轉(zhuǎn)換成高電平信號，用于驅(qū)動VT2、VT3.

由于開關(guān)管本身的開關(guān)時(shí)間，同一橋臂上下兩只開關(guān)管在通斷切換時(shí)需設(shè)置死區(qū)時(shí)間，防止上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通損壞開關(guān)管.本模型中由延時(shí)單元和與門組合實(shí)現(xiàn)死區(qū)延時(shí)功能.兩個(gè)延時(shí)單元Time Delay的延時(shí)設(shè)置為1us，經(jīng)與門后可以實(shí)現(xiàn)2us的死區(qū)延時(shí).

設(shè)置仿真的起止時(shí)間為0.01s、0.03s.利用Simview繪制的控制信號與輸出電壓波形如圖4所示.從圖4可以看出輸出電壓為雙極性的SPWM電壓脈沖，借助仿真波形可以讓學(xué)生更加清楚地理解雙極性SPWM調(diào)制的工作原理.

對于正弦波逆變器，輸出SPWM電壓的諧波含量是衡量逆變器性能的重要指標(biāo).在本例中，Simview自帶的THD（總諧波含量）功能可以方便地對輸出電壓做進(jìn)一步分析，如圖5所示.

從圖5顯示的計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)基波頻率為50Hz時(shí)，SPWM電壓的總諧波含量THD為1.5974674，需設(shè)計(jì)濾波器濾除高次諧波[7].濾波器為LC二階低通濾波，截止頻率為fc=.由于輸出電壓中包含的主要是基于載波頻率的高次諧波，濾波器的參數(shù)選擇為L=1mH、C=10uF，則二階低通濾波器的截止頻率≈1592Hz，遠(yuǎn)大于50Hz的基波頻率，從而可以有效衰減輸出電壓中的高次諧波成分，使輸出電壓波形呈現(xiàn)正弦波.圖6為經(jīng)二階低通濾波器濾波后的輸出電壓波形，其總諧波含量THD=0.019.

4 總結(jié)

電壓型單相全橋逆變電路在光伏發(fā)電、不間斷電源UPS等場合的應(yīng)用相當(dāng)普遍，相關(guān)知識點(diǎn)多且理解難度較大.采用PSIM軟件進(jìn)行電路的仿真教學(xué)，一方面有助于難點(diǎn)知識的深入分析和理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，另一方面也為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)課程，如電力拖動自動控制系統(tǒng)等，提供了學(xué)習(xí)工具，使學(xué)生能夠在教學(xué)硬件設(shè)施相對不足的環(huán)境下，開展研究性學(xué)習(xí)，為其今后進(jìn)一步深造和從事相關(guān)工作打下良好的基礎(chǔ)，符合當(dāng)前應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)際需求.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕巫付專，王耕，彭圣.電力電子技術(shù)課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018（01）：32-34.

〔2〕野村弘，藤原憲一郎.使用PSIM學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

〔3〕張興，黃海宏.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

〔4〕孫成正.基于PSIM的三相半波可控整流電路的仿真研究[J].貴州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，33（03）：53-55.

〔5〕羅如山，陳政石.基于PSIM的“電力電子技術(shù)”仿真教學(xué)研究[J].中國電力教育，2012（27）：85-86.

〔6〕王文，湯賜.電力電子技術(shù)課程的應(yīng)用電路仿真教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2018（03）：46-48.