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Pspice仿真——常用变压器模型
时间：2012-04-12 2176次阅读 【网友评论0条 我要评论】 收藏
因为电感元件的参数比较单一，而且在仿真中，主要是仿真元件的电子特性。所以，这里就不谈电感，而主要讨论一下变压器和耦合电感的问题。不少朋友在使用pspice仿真的时候，只会使用元件库中的几个理想化的耦合电感和变压器模型，却不会用那种带磁芯参数的耦合电感和变压器。下面让我们画一张原理图，把常用的理想化的和非理想话的耦合电感及变压器包含进去，进行一个仿真比较，这样才能掌握模型的特点，从而在实际工作中运用。

在这张原理图中，我们一共放置了5个耦合电感和变压器模型。其中左边的2个是理想化的，右边三个是非理想化，模拟的是带着实际的磁芯的磁性元件，磁芯的规格是3C90材质的ER28L。
有必要先简单说一下耦合电感这个模型，让一些刚入门的朋友便于自己动手尝试。在图中的K1、K2、K3就是以耦合电感为核心构造的几个变压器。我们构造这种变压器的时候，需要放置一个耦合电感模型K_Linear或K_Break或一个带磁芯的耦合电感模型例如K3所用的ER28L_3C90这个模型。然后需要根据实际的需要放置一个电感模型作为绕组，有几个绕组就放几个电感模型，但对于一个耦合电感模型，绕组不能超过6个。
下面说说这几个模型的设置。
左边两个理想化模型：
K1：耦合电感模型为K_Linear，绕组为L1和L2，必须双击K_Linear模型在其参数L1中输入L1，在参数L2中输入L2，才能实现两个绕组的耦合。耦合系数设定为1，说明是完全耦合。电感L1和L2的电感量，就代表绕组的电感量。我们设定L1为250uH，L2为1000uH。这就意味这初级与次级的匝比为1：2。因为电感量之比是匝比的平方。
TX1：采用理想变压器模型XFRM_LINEAR，这个模型只有两个绕组，双击模型后设定耦合系数为1，两个绕组的电感量也分别设定为250uH和1000uH。
右边的非理想化模型：
K2：采用的耦合电感模型为KBreak，同样还需要放置两个电感，这里是L3和L4，双击KBreak的模型，设定耦合系数为1，参数L1为L3，参数L2为L4，把参数Implementation设置为ER28L_3C90。这里要注意了，电感L3和L4的参数分别为10和20。这个数字代表什么意思呢？是电感量吗？不是，千万注意，这里的意思是匝数！凡是采用了带磁芯的模型，就不再用电感量来作为参数了，而是使用匝数。
TX2：采用的非理想变压器模型XFRM_NONLINEAR，同样这个模型只有两个绕组。双击模型后，设定耦合系数为1，参数Implementation设置为ER28L_3C90，参数L1_TURNS和L2_TRUNS分别设置为10和20。很显然，这里也是匝数。
K3：直接采用ER28L_3C90磁芯的耦合电感模型，绕组为L5和L6。双击耦合电感模型，设置耦合系数为1，参数L1为L5，参数L2为L6。把L5和L6的参数改成10和20。
为什么我这里要把采用ER28L_3C90磁芯的模型的匝比设定为10：20呢，因为这个磁芯的电感系数为250nH/N2，这样刚好使初次级之间的电感量之比
为250uH:1000uH，和理想模型的参数一致，方便仿真后结果的比较。
现在我们在每个变压器的初级串一个0.001欧的电阻，次级接上10欧的负载。并放置一个峰值1V，频率10KHz的正弦波电压源给变压器初级提供输入信号，并双击这个信号源，设置初始相位为90度，如图连接好电路，放置0电位的地然后点击菜单pspice项，选择new simulation profile建立一个新的仿真。然后选择时域仿真，见下图：

设定仿真时间从0秒开始到1ms，最大步长100ns，跳过初始化偏压点计算。然后点击菜单pspice，选择Run，仿真就可以开始了。
待仿真完成后，如最开始的图放置电压探头。我们已经知道这些变压器的变比是1：2，那么实际的电压输出是不是这样呢？看看吧：

从图中可以看到，输入电压峰值为1V的正弦波，输出为峰值为2V的正弦波。再如下图放置电流探头：

然后点击仿真器的菜单plot，选择Add plot to window，再放置一个如上图中的看输入电压信号的电压探头，可以同时看到输入电压与输出电流的波形：

从波形上可以看出，每个变压器的输出电流波形几乎是完全一致的。那么有朋友要说了，这么看来，理想变压器和非理想变压器模型的表现好像是一样的，没有什么区别呀？下面我们来继续探讨。理想变压器和非理想变压器的一个重要的区别就是，理想变压器不会饱和，而非理想变压器会饱和。怎么样才能让变压器饱和呢？假如给变压器的初级施加一个直流电压信号，时间长了，励磁电流越来越大，变压器就会饱和。我们来看看是不是这样的。
把输入的交流信号源换成一个0.5V的直流信号源:

然后点击工具栏上的这个 ，再次开始时域扫描（没有改参数，和上次一样）。然后在如图中所示，R1、R5处放置电流探头。在仿真器界面下选择菜单的plot->Add plot to window，再如图在R3、R7、R9处放置电流探头，看看变压器原边电流在长时间施加直流电流会如何变化吧：

从图中可以看到，理想变压器的初级电流线性上升。而非理想变压器的初级电流在大约0.76ms的地方开始急剧上升。是不是变压器在这个地方饱和了呢？我们来计算一下。先看一下磁芯和材质的参数：

根据这些已知参数，按照电磁感应定律：

说明从时间零点开始到0.76毫秒处的磁感应强度增量为467mT。而根据上表中，3C90材质的饱和点约为470mT，说明采用了ER28L_3C90磁芯的几个非理想变压器在这个地方的确开始进入饱和状态了！而理想变压器的初级电流只是线性上升，不会进入饱和！
了解了这些模型的特性，你就可以按照实际的需要选择合适的模型进行仿真。不管是理想化的耦合电感模型，还是非理想的模型，K系列的模型可以支持有6个绕组的耦合电感或变压器。通常足够我们使用了。