Multisim在電力電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

周哲杰

摘 要：針對中職學(xué)校電氣專業(yè)電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的困境，本文介紹了如何運用Multisim進(jìn)行電路仿真，以仿真實踐為例，定性分析為主，簡化數(shù)學(xué)運算，以測量、調(diào)試、波形繪制為重點，提高課堂效率，節(jié)約操作耗材，為學(xué)生進(jìn)一步實驗操作和全面掌握奠定數(shù)據(jù)和波形基礎(chǔ)的實踐做法。

關(guān)鍵詞：Multisim ?電力電子技術(shù)課 ?應(yīng)用

電力電子技術(shù)課程涵蓋電力技術(shù)、電子技術(shù)、機電控制三個領(lǐng)域，采用電力電子相關(guān)功能模塊對電能進(jìn)行有效變換和控制的技術(shù)，遍及生產(chǎn)和民用的各個領(lǐng)域，專業(yè)性強，在學(xué)習(xí)上注重各種電路數(shù)據(jù)測量、波形和相位分析。因此，運用Multisim進(jìn)行電路仿真，通過軟件強大的虛擬技術(shù)得到不失真的波形和數(shù)據(jù)，為電路的安裝和調(diào)試奠定有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

一、Multisim仿真軟件的特點

1.虛擬的電子實驗，無限的創(chuàng)造空間

軟件圖形界面直觀，形同電子操作臺。拖動鼠標(biāo)，就可以將17000多種常用元件放置于屏幕上，輕點元件端部就可以將元件進(jìn)行連接，毫不遜色于實際的工作電路，針對不同使用人群分設(shè)專業(yè)、個人、教育、學(xué)生、演示等版本，極大限度地模仿出真實電路的結(jié)果，還能創(chuàng)建常用的功能器件以及復(fù)雜的子電路。

2.豐富的儀器資源，完備的分析手段

除了人們常用的萬用表、雙蹤示波器、交直流電壓表、電流表、函數(shù)信號發(fā)生器以外，Multisim軟件還含有邏輯轉(zhuǎn)換、四通道示波器、測量探針等22種虛擬仿真的儀器，另外還提供波形失真情況分析、電路靈敏度分析、交流分量分析、瞬態(tài)分析等多種分析手段。

3.多樣的電路模塊，詳盡的數(shù)據(jù)報告

提供常見基本功能電路的設(shè)計和數(shù)據(jù)分析;軟件的MCU功能模塊支持四種型號的單片機芯片;對分析結(jié)果進(jìn)行算術(shù)運算、指數(shù)運算等;能夠?qū)С鱿嚓P(guān)的材料清單以及各類元件的詳細(xì)報告，多余門電路情況等;輸出原理圖到PCB布線等功能;多種輸入輸出接口實現(xiàn)各數(shù)據(jù)的無縫傳輸。

二、學(xué)生學(xué)習(xí)電力電子課程面臨的困境

1.設(shè)備局限，操作機械

筆者所在學(xué)校的電力電子操作實訓(xùn)臺采用模塊化的電路、封閉式的結(jié)構(gòu)。學(xué)生以小組為單位，在教師和任務(wù)書的指引下，機械地連接控制電路和主電路，調(diào)試電壓或波形，從而得到實驗數(shù)據(jù)。整個過程缺乏創(chuàng)造性。對電路結(jié)構(gòu)認(rèn)知度不夠的學(xué)生在實訓(xùn)過程中無論從知識的掌握程度還是儀表的使用來看，都沒有達(dá)到預(yù)期的能力提升，在設(shè)備發(fā)生故障時缺乏對故障點的分析和判斷力。

2.操作實踐，安全任重

電力電子實驗操作臺所用為交流電源0～250V，各模塊連線錯誤或在儀器儀表測量時產(chǎn)生短路的話，輕則引起跳閘，重則導(dǎo)致儀表或模塊的損壞，甚至危及人身安全。操作前需強調(diào)安全操作的重要性。在實驗進(jìn)行中，教師也將花較多時間檢查線路連接及操作的安全狀況。任務(wù)完成后，還要檢查設(shè)備有無損壞、連接線有無安全隱患。一個項目的實施包括課前、課中、課后，安全檢查占據(jù)較多時間，會導(dǎo)致學(xué)生對項目的恐懼心理加重。

3.學(xué)生疲憊，波形難繪

電力電子技術(shù)大量的運算、測量、調(diào)試對學(xué)生來說本來就是一種挑戰(zhàn)，特別是高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對較弱的學(xué)生，很多的計算原理、過程無法理解，積極性會一落千丈，再加上復(fù)雜波形圖的繪制，如單相交流只有一條按正弦規(guī)律變化的波形而三相交流線電壓則有6條，這將打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在實訓(xùn)項目實施過程中，由于設(shè)備的原因或諧波的干擾，經(jīng)常會導(dǎo)致波形失真，給波形的繪制工作帶來難度和實驗數(shù)據(jù)的偏差。這也會降低學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)的興趣。

三、Multisim在電力電子相關(guān)課程中的應(yīng)用舉例

本文以科學(xué)出版社的《電力電子技術(shù)與變頻器應(yīng)用》教材為切入口，以電氣專業(yè)三年級學(xué)生為實踐對象，在操作前，運用Multisim10進(jìn)行模擬性搭建，可使學(xué)生通過對電路的繪制加深理解，讓抽象的波形具體化，起到輔助課程學(xué)習(xí)的作用。

1.調(diào)光、調(diào)速中的脈沖觸發(fā)電路設(shè)計

負(fù)阻特性和RC電路的充放電特性是選用單結(jié)晶體管的重要原因，由此組成由單結(jié)晶體管脈沖觸發(fā)電路（如圖1）。D1、D2、D3、D4組成橋式整流，穩(wěn)壓管VD1完成對信號的穩(wěn)壓功能，產(chǎn)生一個削頂波（如圖2），為后面的電路提供一個穩(wěn)定的直流電壓。電阻R3、R4、電容C1和Q1構(gòu)成觸發(fā)電路，產(chǎn)生實驗需要的具有抗干擾能力，有足夠的功率和寬度、幅度，還要具有一定的移相范圍的觸發(fā)脈沖。

2.電路工作原理

電路工作時，電源經(jīng)R3、R4對C1進(jìn)行充電，電容C1兩端電壓升高，當(dāng)電壓超過Q1的門檻電壓UP時，Q1內(nèi)部的PN結(jié)立即導(dǎo)通，電容C1上的電壓經(jīng)由e～b1向電阻R5放電。當(dāng)電容兩端電壓下降至電壓UV時，單結(jié)晶體管的PN結(jié)又恢復(fù)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，如此重復(fù)，在C1兩端就形成鋸齒狀的充放電電壓，與此同時在R5上得到與之對應(yīng)的尖脈沖（見圖2）。在橋式整流輸出的一個半周內(nèi)，第一個尖脈沖為有效脈沖，調(diào)節(jié)R3可改變充放電的速度，從而改變尖脈沖的幅度。

3.仿真電路搭建

交流電源：單擊電源庫，選擇power-sources中的AC-power拖動至桌面后雙擊，修改其參數(shù)為220V、50HZ。變壓器T1：單擊元件庫Basic，選擇Transformer下的Ts-ideal理想變壓器。拖動至桌面后雙擊修改其耦合系數(shù)為0.1634，保證供給整流電路的交流電源為36V。電阻元件選擇基本元件庫中的Resistor，經(jīng)過1K電阻限幅、VD1穩(wěn)壓后加在觸發(fā)電路上的電壓為20V左右。D1～D4選擇型號為1N4007，VD1選擇型號為1N4748A。軟件中并沒有常用的單結(jié)晶體管BT33，因此選擇可編程類的Q1替代。在晶體元件庫中，選擇UJT，有兩種型號可供選擇，此處選用2N6027。Q1的分壓比由R6、R7決定。分壓比（η=R7/R6+R7）應(yīng)控制在0.3～0.8，電路搭建完成后要放置接地符號（見圖1），否則仿真無法進(jìn)行。

單擊仿真按鍵RUN，電路進(jìn)行仿真運行，雙擊四蹤示波器可以同步觀測：A通道顯示R5上的尖脈沖信號、B通道顯示C1上充放電波形、C通道顯示穩(wěn)壓管上的梯形波信號。調(diào)節(jié)R3可觀測到波形隨之變化。單擊中止仿真，各波形靜態(tài)顯示，拖動滾動條，可以看到更多周期內(nèi)的波形變化，方便觀察和數(shù)據(jù)記錄。還可以通過萬用表，觀測各重要點的電壓、電流值，以便更好地調(diào)整電路。電路仿真得到了實際操作中元件的參數(shù)選擇依據(jù)，更為電路的成功制作奠定基礎(chǔ)。

四、教學(xué)實踐效果

實踐證明，學(xué)生通過動手進(jìn)行仿真，掌握的知識遠(yuǎn)大于老師說、學(xué)生聽的方式。對15級三個電氣專業(yè)近60名學(xué)生實施Multisim仿真實踐，對比前一學(xué)期的課程實施，最明顯的變化是提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，仔細(xì)分析實施過程，發(fā)現(xiàn)以下幾個明顯變化。

1.點燃質(zhì)疑，信心提升

實施Multisim仿真允許學(xué)生在仿真過程中犯錯誤，并允許他們在仿真中更正之前的錯誤，不用擔(dān)心錯誤所導(dǎo)致的安全問題。仿真后再進(jìn)行的電路安裝，由于對電路原理有了充分的認(rèn)知，學(xué)生的錯誤率明顯降低，特別是連接性錯誤。另外通過虛擬儀器的顯示，波形記錄更精準(zhǔn)到位，從而增強學(xué)習(xí)信心，課堂實踐氣氛更活躍、學(xué)生思維更敏銳。

2.實踐創(chuàng)新，智慧養(yǎng)成

教書育人的工作就是挖掘?qū)W生的潛能。興趣一旦被激發(fā)出來，創(chuàng)新能力就會源源不斷。學(xué)生進(jìn)行自主性探索、研究、學(xué)習(xí)直至問題被解決，是對他們學(xué)習(xí)的肯定。實施Multisim仿真，筆者發(fā)現(xiàn)了觸發(fā)信號耦合方式的優(yōu)缺點、改變張弛振蕩電路各參數(shù)得到不同幅度觸發(fā)脈沖等。這些發(fā)現(xiàn)在實驗操作中往往需要花很長時間。

3.展示技能，拓展提升

通過Multisim仿真，各小組間建立競爭機制，相互學(xué)習(xí)的同時，實現(xiàn)學(xué)校倡導(dǎo)的“激流勇進(jìn)”的學(xué)習(xí)狀態(tài)，高質(zhì)量掌握了該軟件的使用，還可以利用業(yè)余時間將其拓展應(yīng)用到模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子電路、單片機的學(xué)習(xí)以及PCB的制作上。這樣能拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，也使其對基礎(chǔ)知識進(jìn)行鞏固學(xué)習(xí)。對各軟件的應(yīng)用和技術(shù)的創(chuàng)新是電氣設(shè)計等專業(yè)的必備技能，是推動中職學(xué)生自動自發(fā)、主動學(xué)習(xí)的一個有力手段。

五、小結(jié)

展望未來， 不可否認(rèn)的是在實踐過程中會遇到更多的難點，不同專業(yè)、不同班級、不同基礎(chǔ)的學(xué)生，情況也各不相同。這是對教師教學(xué)能力的不斷突破與挑戰(zhàn)。為此，筆者所在的專業(yè)組正著手進(jìn)行校本教材的編寫，依托現(xiàn)有的操作實訓(xùn)設(shè)備，結(jié)合Multisim仿真軟件，力求找到適合本專業(yè)學(xué)生電力電子技術(shù)課程的最佳教學(xué)方式。

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（作者單位：嘉興技師學(xué)院）