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Pspice仿真——常用變壓器模型

2012-04-12 14:56 來源:電源網 編輯:兔子

因為電感元件的參數比較單一,而且在仿真中,主要是仿真元件的電子特性。所以,這里就不談電感,而主要討論一下變壓器和耦合電感的問題。不少朋友在使用pspice仿真的時候,只會使用元件庫中的幾個理想化的耦合電感和變壓器模型,卻不會用那種帶磁芯參數的耦合電感和變壓器。下面讓我們畫一張原理圖,把常用的理想化的和非理想話的耦合電感及變壓器包含進去,進行一個仿真比較,這樣才能掌握模型的特點,從而在實際工作中運用。

在這張原理圖中,我們一共放置了5個耦合電感和變壓器模型。其中左邊的2個是理想化的,右邊三個是非理想化,模擬的是帶著實際的磁芯的磁性元件,磁芯的規格是3C90材質的ER28L。

有必要先簡單說一下耦合電感這個模型,讓一些剛入門的朋友便于自己動手嘗試。在圖中的K1、K2、K3就是以耦合電感為核心構造的幾個變壓器。我們構造這種變壓器的時候,需要放置一個耦合電感模型K_Linear或K_Break或一個帶磁芯的耦合電感模型例如K3所用的ER28L_3C90這個模型。然后需要根據實際的需要放置一個電感模型作為繞組,有幾個繞組就放幾個電感模型,但對于一個耦合電感模型,繞組不能超過6個。


 

下面說說這幾個模型的設置。

左邊兩個理想化模型:

K1:耦合電感模型為K_Linear,繞組為L1和L2,必須雙擊K_Linear模型在其參數L1中輸入L1,在參數L2中輸入L2,才能實現兩個繞組的耦合。耦合系數設定為1,說明是完全耦合。電感L1和L2的電感量,就代表繞組的電感量。我們設定L1為250uH,L2為1000uH。這就意味這初級與次級的匝比為1:2。因為電感量之比是匝比的平方。

TX1:采用理想變壓器模型XFRM_LINEAR,這個模型只有兩個繞組,雙擊模型后設定耦合系數為1,兩個繞組的電感量也分別設定為250uH和1000uH。

右邊的非理想化模型:

K2:采用的耦合電感模型為KBreak,同樣還需要放置兩個電感,這里是L3和L4,雙擊KBreak的模型,設定耦合系數為1,參數L1為L3,參數L2為L4,把參數Implementation設置為ER28L_3C90。這里要注意了,電感L3和L4的參數分別為10和20。這個數字代表什么意思呢?是電感量嗎?不是,千萬注意,這里的意思是匝數!凡是采用了帶磁芯的模型,就不再用電感量來作為參數了,而是使用匝數。

TX2:采用的非理想變壓器模型XFRM_NONLINEAR,同樣這個模型只有兩個繞組。雙擊模型后,設定耦合系數為1,參數Implementation設置為ER28L_3C90,參數L1_TURNS和L2_TRUNS分別設置為10和20。很顯然,這里也是匝數。

K3:直接采用ER28L_3C90磁芯的耦合電感模型,繞組為L5和L6。雙擊耦合電感模型,設置耦合系數為1,參數L1為L5,參數L2為L6。把L5和L6的參數改成10和20。

為什么我這里要把采用ER28L_3C90磁芯的模型的匝比設定為10:20呢,因為這個磁芯的電感系數為250nH/N2,這樣剛好使初次級之間的電感量之比

為250uH:1000uH,和理想模型的參數一致,方便仿真后結果的比較。

現在我們在每個變壓器的初級串一個0.001歐的電阻,次級接上10歐的負載。并放置一個峰值1V,頻率10KHz的正弦波電壓源給變壓器初級提供輸入信號,并雙擊這個信號源,設置初始相位為90度,如圖連接好電路,放置0電位的地。然后點擊菜單pspice項,選擇new simulation profile建立一個新的仿真。然后選擇時域仿真,見下圖:

 

設定仿真時間從0秒開始到1ms,最大步長100ns,跳過初始化偏壓點計算。然后點擊菜單pspice,選擇Run,仿真就可以開始了。


 

待仿真完成后,如最開始的圖放置電壓探頭。我們已經知道這些變壓器的變比是1:2,那么實際的電壓輸出是不是這樣呢?看看吧:

從圖中可以看到,輸入電壓峰值為1V的正弦波,輸出為峰值為2V的正弦波。再如下圖放置電流探頭:

然后點擊仿真器的菜單plot,選擇Add plot to window,再放置一個如上圖中的看輸入電壓信號的電壓探頭,可以同時看到輸入電壓與輸出電流的波形:


從波形上可以看出,每個變壓器的輸出電流波形幾乎是完全一致的。那么有朋友要說了,這么看來,理想變壓器和非理想變壓器模型的表現好像是一樣的,沒有什么區別呀?下面我們來繼續探討。理想變壓器和非理想變壓器的一個重要的區別就是,理想變壓器不會飽和,而非理想變壓器會飽和。怎么樣才能讓變壓器飽和呢?假如給變壓器的初級施加一個直流電壓信號,時間長了,勵磁電流越來越大,變壓器就會飽和。我們來看看是不是這樣的。

把輸入的交流信號源換成一個0.5V的直流信號源:

 

然后點擊工具欄上的這個  ,再次開始時域掃描(沒有改參數,和上次一樣)。然后在如圖中所示,R1、R5處放置電流探頭。在仿真器界面下選擇菜單的plot->Add plot to window,再如圖在R3、R7、R9處放置電流探頭,看看變壓器原邊電流在長時間施加直流電流會如何變化吧:


 

從圖中可以看到,理想變壓器的初級電流線性上升。而非理想變壓器的初級電流在大約0.76ms的地方開始急劇上升。是不是變壓器在這個地方飽和了呢?我們來計算一下。先看一下磁芯和材質的參數:

 

 

根據這些已知參數,按照電磁感應定律:

 

說明從時間零點開始到0.76毫秒處的磁感應強度增量為467mT。而根據上表中,3C90材質的飽和點約為470mT,說明采用了ER28L_3C90磁芯的幾個非理想變壓器在這個地方的確開始進入飽和狀態了!而理想變壓器的初級電流只是線性上升,不會進入飽和!

了解了這些模型的特性,你就可以按照實際的需要選擇合適的模型進行仿真。不管是理想化的耦合電感模型,還是非理想的模型,K系列的模型可以支持有6個繞組的耦合電感或變壓器。通常足夠我們使用了。

 

 

 

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