《電力電子技術(shù)》課程的Multisim輔助教學(xué)

楊偉?徐文權(quán)?李彥梅?吳文進(jìn)

摘 要：針對(duì)電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的難題，將EDA工具軟件Multisim引入電力電子技術(shù)課堂教學(xué)，以整流電路和逆變電路中重點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計(jì)了仿真電路，給出了器件型號(hào)和參數(shù)設(shè)置。通過(guò)實(shí)例表明，利用Multisim進(jìn)行電力電子技術(shù)輔助教學(xué)豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課程復(fù)雜的分析過(guò)程變的直觀易懂，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)，Multisim，整流電路，逆變電路

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.258

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳質(zhì)量工程MOOC項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018mooc403）;安慶師范大學(xué)校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目重點(diǎn)立項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：2018aqnujyxm022）。

電力電子技術(shù)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程。該課程應(yīng)用性，實(shí)踐性較強(qiáng)[1]。傳統(tǒng)教學(xué)方法是課堂講授加少量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。該課程涉及大量的負(fù)載分析和波形分析，變流電路的結(jié)構(gòu)也是變化繁多。學(xué)生聽(tīng)起來(lái)晦澀難懂，枯燥乏味，易混淆各種電路結(jié)構(gòu)。授課教師如何利用有限的課時(shí)進(jìn)行有效的講解是該課程需要研究和解決的問(wèn)題。

應(yīng)用EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具軟件Multisim對(duì)電力電子技術(shù)課程進(jìn)行輔助教學(xué)[2]，使抽象的概念講解分析變得直觀、生動(dòng)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而且實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論的有機(jī)結(jié)合，提高課堂教學(xué)效率。本文選擇兩種電力電子技術(shù)典型電路為例，演示利用Multisim軟件輔助課堂教學(xué)過(guò)程。

1 Multisim介紹

Multisim是一種常用的EDA工具軟件。Multisim的前身是EWB（Electronic Workbench虛擬電子工作平臺(tái)），主要應(yīng)用于板級(jí)數(shù)字和模擬電路的仿真分析和設(shè)計(jì)[3-5]。軟件提供了豐富的電子元器件和儀器儀表，另外還有十幾種分析電路的方法。軟件界面簡(jiǎn)單，操作便捷，仿真形象逼真。

Multisim特別適合于電子自動(dòng)化類(lèi)本科生的涉電相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，仿真和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。電力電子技術(shù)是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)一門(mén)涉強(qiáng)電的課程，實(shí)際的電路操作有一定的危險(xiǎn)性，器件也容易損壞。利用Multisim只需點(diǎn)動(dòng)鼠標(biāo)，選擇元器件搭建電路，利用合適的虛擬儀器和分析方法進(jìn)行各種測(cè)試完成對(duì)電路的仿真分析和設(shè)計(jì)。過(guò)程中不用擔(dān)心元件的損壞，仿真速度快，效率高。對(duì)于電力電子技術(shù)的課程而言是一個(gè)很好的教學(xué)輔助軟件。本文選擇Multisim 10.0版本來(lái)進(jìn)行仿真分析。

2 Multisim在電力電子技術(shù)典型變流電路中的應(yīng)用

2.1 Multisim在單相橋式整流電路中的應(yīng)用

整流電路是電力電子技術(shù)中最早出現(xiàn)的一種變流電路[6]。各種整流電路中，單相橋式整流電路在實(shí)際應(yīng)用中較廣，紋波小，同時(shí)也是三相橋式整流電路的基礎(chǔ)。

教學(xué)過(guò)程中，首先在Multisim工作區(qū)搭建如圖1單相橋式整流電路（帶阻感負(fù)載）。在Diodes庫(kù)的SCR類(lèi)中選擇4個(gè)晶閘管BT150，晶閘管對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖要求比較嚴(yán)格，本例中選擇脈沖（V2、V4、V5、V3）加電壓控制電壓源（V6、V7、V8、V9）的形式構(gòu)成驅(qū)動(dòng)脈沖， 220V 、50Hz的交流電V1作為電路的輸入源，這三種元件選自Sources庫(kù)，電阻R1，電感L1選自Basic庫(kù)。

參數(shù)設(shè)置主要涉及觸發(fā)脈沖。觸發(fā)角α的設(shè)置在圖中是通過(guò)改變脈沖的延遲時(shí)間來(lái)改變。一個(gè)周期20ms對(duì)應(yīng)2π（360°）。V2，V3的設(shè)置為Delay Time為2ms即36度，V4，V5的Delay Time設(shè)置為12ms即36度，由于V4，V5是在輸入源負(fù)半周導(dǎo)通，在時(shí)間上要延遲半個(gè)周期即10ms。

在工作區(qū)右邊儀器欄選擇雙通道示波器來(lái)觀察電路的輸出波形（藍(lán)色）以及晶閘管兩端的電壓的波形（橙色），如圖2所示。在教學(xué)過(guò)程中，將仿真的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較分析?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與理論分析是一致的。教學(xué)中可通過(guò)改變延遲時(shí)間來(lái)達(dá)到改變觸發(fā)角的目的，來(lái)分析不同觸發(fā)角下電路的波形，研究移相范圍。同樣可以去掉電感，仿真純電阻負(fù)載時(shí)電路的工作情況。

2.2 Multisim在全橋逆變電路中的應(yīng)用

逆變即把直流電變成交流電。逆變電路是電力電子技術(shù)中非常重要的一種變流電路，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電，UPS（不可間斷電源）等場(chǎng)合。電力電子技術(shù)早期是整流時(shí)代，而后進(jìn)入逆變器時(shí)代。全橋逆變電路是逆變電路中非常重要的一種電路結(jié)構(gòu)，為課程重點(diǎn)內(nèi)容，下面以此為例利用Multisim來(lái)進(jìn)行分析。

教學(xué)過(guò)程中，首先在Multisim工作區(qū)搭建如圖3單相全橋逆變電路（帶RLC負(fù)載）。在Transistor庫(kù)的POWER_MOS（電力MOS管）類(lèi)中選擇4個(gè)MOS管ZVN3310。本例中選擇脈沖（V2、V4、V6、V8）加電壓控制電壓源（V7、V9、V5、V3）的形式構(gòu)成MOS管的驅(qū)動(dòng)脈沖，100V的直流流電壓V1作為電路的輸入源，這三種元件選自Sources庫(kù)，電阻R1，電感L1，電容C1選自Basic庫(kù)。

參數(shù)設(shè)置主要涉及驅(qū)動(dòng)脈沖。驅(qū)動(dòng)脈沖的參數(shù)只要設(shè)置V6，V4的一致，V2，V8一致即可。V2，V8設(shè)置Delay Time為2ms，V4，V6的Delay Time設(shè)置為12ms。而輸出交流電的周期由脈沖的Period（周期）控制，這里設(shè)置為20ms即輸出電壓的頻率為50Hz。輸出不經(jīng)過(guò)處理是一略帶諧波的方波，為了得到正弦波輸出，在負(fù)載側(cè)加上LC濾波選頻后為50Hz的正弦波。

在工作區(qū)右邊儀器欄選擇雙通道示波器來(lái)觀察電路的輸出波形（棕色）以及濾波選頻后輸出電壓的波形（藍(lán)色），如圖4所示?？梢詮氖静ㄆ髯x到輸出正弦波周期為20ms即50Hz。在教學(xué)過(guò)程中，將仿真的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較分析。可以看出，仿真結(jié)果與理論分析是一致的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文借助于Multisim軟件來(lái)對(duì)電力電子技術(shù)中兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行仿真分析，課堂教學(xué)實(shí)踐表明能有效解決電力電子技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程中存在的難題。通過(guò)課堂講授和軟件仿真相結(jié)合，使得枯燥難懂的課程內(nèi)容更易于理解，幫助學(xué)生更好的掌握課程中抽象的內(nèi)容并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，利用Multisim軟件，學(xué)生還可以在課下復(fù)習(xí)課程中的重難點(diǎn)內(nèi)容并進(jìn)行獨(dú)立創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]從宏壽，李紹銘.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化：Multisim在電子電路與單片機(jī)中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

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[6]楊威，左月明.基于Multisim的整流濾波電路仿真分析[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，32（3）：281-284

作者簡(jiǎn)介

楊偉（1984-），男，安徽安慶人，碩士，安慶師范大學(xué)，研究方向：嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，深度學(xué)習(xí)。