PSIM仿真软件在晶闸管单相桥式整流电路的应用

孙晓鹏

摘要：在电力电子整流电路中，晶闸管单相桥式整流电路的波形分析与绘制是基础。在高职教学过程中，需要实验教学验证理论波形的正确性，加深学生对波形的理解。但在实验的过程中，实验波形结果一般会受到各种影响而不准确。为了减少实验波形结果受到的影响，可先用软件仿真，在仿真的基础上进行实际的实验，教学效果会更好[1]。文章以电阻性负载的晶闸管单相桥式整流电路为例，阐述了PSIM仿真软件的仿真过程。通过仿真的过程和结果可以看出，仿真结果较好地验证了理论波形结果，易于高职学生学习。

关键词：高职;晶闸管;单相桥式整流电路;电阻性负载; PSIM仿真;波形分析

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）25-0099-04

开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

1 引言

PSIM是一款电力电子仿真软件，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。它将半导体功率器件等效为理想开关，能够进行快速的仿真，操作方便。在晶闸管单相桥式整流电路的波形分析与绘制的过程中，一般要进行实际电路实验，以验证理论波形的正确性。但在实验过程中，实验电路的元器件损坏、测量工具精度不足以及其他的干扰都会影响实验波形结果。为了减少实验波形结果受到的影响，可以先进行软件仿真，让学生对理论波形有初步的感性认识。在正确仿真的基础上再进行电路实物实验教学，促进高职学生对理论知识的理解，增强教学效果。通过仿真实验，实验结果也能有效验证理论波形结果的正确性。且操作方便，便于学生学习。由于PSIM仿真软件是英文的，在软件的操作过程中，学生也能学到一些专业词汇，有助于提高学生的英语水平[2]。

2 电阻性负载的单相桥式全控整流电路特点

在图1的电路中，晶闸管（开关器件VT） 一般被视为理想器件。改变晶闸管导通的时刻，输出电压[ud]为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，与半波整流电路相比，交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，又称为全波整流，提高了交流电源电压的利用率。

负载电阻输出电压平均值Ud：

[Ud=1παπ2U2sinωtd（ωt）=0.9U21+cosα2]

上述公式中， α称为晶闸管VT1、VT3的触发角。晶闸管VT2、VT4的触发角延迟180°。可以看出，随着α增大，Ud减小。若使Ud不为零，则电路中α的变化范围为0°～180°，即晶闸管的触发角α移相范围为0°～180°。晶闸管触发角α的变化范围是仿真实验的关键。

3 电阻性负载的晶闸管单相桥式整流电路仿真过程

3.1 主要元件及调用方法

元件调用方法：可以通过点击界面下方的常用元件图形调用元件，也可以通过点击菜单栏“Element”选项查找调用所需元件。电路分为两部分：主电路与控制电路。调用出所需元件后，点击工具栏“wire”图形，将元件连接在一起。主电路元件包括正弦交流电源u1、理想变压器T、晶闸管VT1～VT4、负载电阻Rd、理想变压器二次侧电压表u2、负载电阻电压表ud、电流表id。控制电路元件包括电压传感器vsen、比较器comp、延时角α控制器、直流电源VDC、阶跃函数电源vstep[3]。元件调用与连线如图2（a）（b）所示。

图2中的时钟用于控制仿真时间，通过菜单栏“Simulate”→“Simulation Control”调用，如图3（a）所示。由于单相桥式整流电路的输出波形是周期性的，所以仿真时间不用太长。仿真时间设置为0.04s，即正弦交流电的两个周期，其他参数采用默认的即可，如图3（b）所示。

3.2 元件参数设定

双击元件，即可设定该元件的参数，如图4所示，设置后关闭即可保存参数。在设定元件参数时，可以勾选相关参数后面的“display”选项，可在电路模型中显示该元件的相关参数。为了验证理论，元件参数设置要合理，不宜过大和过小。元件参数分为主电路元件参数与控制电路元件参数，如表1、表2所示，其他参数采用默认的即可。为了让学生看到对比的仿真波形结果，体会波形变化的规律，晶闸管VT1、VT3触发角分别设定为0°、60°、90°、120°、180°，晶闸管VT2、VT4触发角延迟半个交流电周期，分别设定为180°、240°、270°、300°、360°。

完成元件参数设定和名称修改后，可以拖动调整参数和元件名称位置，使得电路模型看起来美观。完整的单相半波可控整流电路如图5所示。

3.3 仿真波形结果与分析

3.3.1 触发角α=0°

当晶闸管VT1、VT3触发角α=0°、晶闸管VT2、VT4触发角α=180°时，仿真波形结果如图6所示。在仿真结果图中，从上至下分别为变压器二次侧输出电压波形u2、晶闸管门极触发电压波形ug、负载电阻的电压波形ud与电流波形id。变压器二次侧输出电压波形u2为完整的正弦交流电波形;晶闸管门极触发电压波形ug为电压脉冲。这种条件下，电路中的四个晶闸管相当于普通的二极管，正弦交流电源的电压波形可以全部传递给负载，负载电压波形ud极性不变。

3.3.2 触发角α=60°

当晶闸管VT1、VT3触发角α=60°、晶闸管VT2、VT4触发角α=240°时，仿真波形结果如图7所示。在仿真结果图中，从上至下分别为变压器二次侧输出電压波形u2、晶闸管门极触发电压波形ug、负载电阻的电压波形ud与电流波形id。变压器二次侧输出电压波形u2为完整的正弦交流电波形，晶闸管门极触发电压波形ug为电压脉冲，负载电阻的波形ud是单相正弦交流电源电压每半个周期一部分波形的组合，而且极性不变;由于负载R为电阻且阻值不是1Ω，负载电流波形id形状应与负载电压波形ud形状相似，仅是幅值不同[4]。

3.3.3 触发角α=90°

当晶闸管触发角α=90°时，仿真波形结果如图8所示。与α=60°的波形对比可以看出，由于晶闸管触发角增加，负载电阻的电压ud与电流波形id减少了一部分，输出电压波形与时间轴所围的面积也减少了，即负载输出电压的平均值减小。

3.3.4 触发角α=120°

当晶闸管触发角α=120°时，仿真波形结果如图9所示。与α=90°的波形对比可以看出，由于晶闸管触发角增加，负载电阻的电压ud与电流波形id又减少了一部分，输出电压波形与时间轴所围的面积再次减少，即负载输出电压的平均值也减小。

通过上述仿真结果可以看出，晶闸管触发角数值越大，即晶闸管触发时刻越晚，交流电源传递到负载电阻的电压波形就越少，输出电压平均值就越小，即输出电压越低。

4 结论

本文以电阻性负载的晶闸管单相桥式整流电路为例，阐述了PSIM仿真软件的使用方法。通过仿真电路的搭建、参数设置及仿真结果可以看出，与实际电路实验相比，PSIM仿真软件更易于操作，验证了理论波形的正确性。通过改变晶闸管触发角，负载得到不同形状的波形，通过负载波形变化的对比，易于学生掌握晶闸管触发角改变时整流电路负载波形的变化规律，对实际电路实验具有很好的指导作用[5]。另外，学生在软件操作的过程中，也能学到一些与电相关的专业词汇，可以促进学生英语水平的提高。

参考文献：

[1] 李艳，姚亮.单相半波整流电路的仿真设计[J].数字技术与应用，2019，37（12）：158，160.

[2] 胡小艳，孙逸杰，汪恒.基于PSIM的单相交流调压电路仿真教学研究[J].科教导刊（上旬刊），2018（34）：110-112.

[3] 胡瑶瑶.基于计算机仿真软件在电力电子技术中的应用研究[J].计算机产品与流通，2018（1）：75.

[4] 陈海宇，曹少科.基于PSIM仿真对单相半波整流电路的分析[J].河北农机，2019（7）：63，77.

[5] 潘雷，邓世建，刘荣华.基于VB的晶闸管整流器特性仿真软件设计[J].自动化技术与应用，2009，28（4）：86-87，109.

【通联编辑：李雅琪】