Multisim仿真在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用

張 民，周曉燕

（青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引言

當(dāng)前社會(huì)應(yīng)用型本科人才緊缺，各大高校都普遍加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)應(yīng)用型人才。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要手段，并且能夠很好地提高學(xué)生社會(huì)職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，與工程應(yīng)用緊密相關(guān)，因此注重專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練和工程素質(zhì)培養(yǎng)，加強(qiáng)“電力電子技術(shù)”應(yīng)用型改革是課程建設(shè)的重要任務(wù)之一。

1 教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

1.1 缺乏創(chuàng)新性

在傳統(tǒng)的“被動(dòng)”教學(xué)模式下，電力電子的課堂氣氛不容易活躍起來(lái)。此外，電力電子的相關(guān)知識(shí)比較難以理解消化，特別是“電力電子技術(shù)”理論知識(shí)無(wú)法與工程應(yīng)用實(shí)踐有效結(jié)合。因此，許多學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中無(wú)法掌握“電力電子技術(shù)”課程知識(shí)的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)以及把握其中的認(rèn)知規(guī)律。傳統(tǒng)的教學(xué)模式加上抽象的知識(shí)體系，會(huì)讓學(xué)生學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)感到枯燥和畏怯。因此，學(xué)生們學(xué)習(xí)“電力電子技術(shù)”課程有一定的難度。

1.2 對(duì)整體的綜合教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行一定程度的優(yōu)化

對(duì)課程的整體教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，這是確保理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用銜接的重要方式，對(duì)學(xué)生的知識(shí)體系的構(gòu)建以及動(dòng)手能力的培養(yǎng)有顯著的作用。然而，這一優(yōu)化過(guò)程需要準(zhǔn)備的內(nèi)容較多，使得教師的工作時(shí)間占用較大，進(jìn)而大大降低教師往這一方向靠近的積極性。為減少工作量，教師們往往每年的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都用同一套題目。隨著時(shí)間的推移，學(xué)生們往往會(huì)嫌實(shí)驗(yàn)教學(xué)題目老舊，提不起學(xué)習(xí)興趣，甚至抄襲往屆生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，草草應(yīng)付了事。教師也因此不能清晰把握學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)掌握情況。

1.3 未來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

電力電子的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本是功率器件，比如三相電源、晶體管、電解電容等。這些器件不僅價(jià)格較高，而且如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作不當(dāng)，容易出現(xiàn)炸機(jī)事故，影響學(xué)生的人身安全。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，要注重利用仿真軟件的應(yīng)用。仿真軟件中的元器件和真實(shí)的物理工作原理基本一致，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真可以保證學(xué)習(xí)過(guò)程中的安全性[2]。學(xué)生先將設(shè)計(jì)好的拓?fù)潆娐吩诜抡孳浖线M(jìn)行搭建，先驗(yàn)證仿真效果。在仿真效果較好的情況下，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)際電路的搭建。這樣可以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真軟件的結(jié)合，是提升電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)未來(lái)趨勢(shì)。

2 Multisim仿真軟件

2.1 Multisim仿真軟件的特點(diǎn)

電力電子的知識(shí)比較抽象，對(duì)剛剛開始接觸這方面知識(shí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)不好掌握。此外“電力電子電路”是電類學(xué)科的基礎(chǔ)科目，對(duì)其他課程的學(xué)習(xí)具有前期鋪墊的作用，如果“電力電子電路”沒(méi)有掌握好，則很難繼續(xù)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。電力電子不僅具有理論知識(shí)難，還具備工程實(shí)踐性強(qiáng)的特征。對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求是理論儲(chǔ)備和工程實(shí)踐兩手抓。僅靠實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備往往會(huì)出現(xiàn)設(shè)備不足，且設(shè)備單一。仿真軟件Multisim則可以有效擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一困境，它具備：（1）軟件中的器件圖形形象直觀；（2）具有的器件種類多樣；（3）測(cè)量器件多；（4）分析實(shí)驗(yàn)波形圖的方法豐富多樣；（5）仿真速度快。利用Multisim進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際工程指標(biāo)，設(shè)計(jì)多種電力電子電路，并且驗(yàn)證設(shè)計(jì)的效果，為學(xué)生的電力電子學(xué)習(xí)插上飛翔的翅膀，有利于提高教師的教學(xué)質(zhì)量。

2.2 Multisim仿真軟件功能

Multisim是一款基于Windows操作系統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)開發(fā)軟件，使用簡(jiǎn)單、操作方便，因此得到了廣泛的應(yīng)用[3]。相比于Saber仿真軟件，Multisim功能豐富，操作簡(jiǎn)單，它擁有豐富的電子元器件庫(kù)，給電子開發(fā)工程人員帶來(lái)了極大的便利。運(yùn)用Multisim仿真軟件可以較為理想的近似于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，既保證了實(shí)驗(yàn)理論的真實(shí)性，又避免出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的安全性問(wèn)題。

利用普通仿真軟件進(jìn)行仿真電路拓?fù)涞姆抡鏁r(shí)，經(jīng)常會(huì)使用到虛擬儀表進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，確定電路結(jié)構(gòu)是否到達(dá)預(yù)期的要求[4]。但是這些虛擬儀器一般只能進(jìn)行常規(guī)參數(shù)的測(cè)量，例如電壓、電流、頻率及仿真波形等，測(cè)量結(jié)果具有一定的偶然因素，無(wú)法全面、系統(tǒng)的反映電路的完整工作特性，具有一定的局限性。而對(duì)于Multisim仿真軟件而言，它不僅可以提供常規(guī)參數(shù)的測(cè)量功能，還可以進(jìn)行完成電路結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能，仿真效果十分明顯。

3 仿真實(shí)例

3.1 仿真電路模型的搭建

本文仿真實(shí)例選擇了一種升壓電路進(jìn)行仿真研究，利用Multisim仿真軟件建立了如圖1所示的仿真原理圖，其中各個(gè)器件仿真參數(shù)如表1所示。

圖1 升壓電路仿真分析原理

根據(jù)圖1顯示的改進(jìn)型升壓模塊原理圖，直流側(cè)輸入電壓為10 V，直通占空比設(shè)計(jì)為0.45，輸出側(cè)電壓值經(jīng)萬(wàn)用表XMM1測(cè)量顯示為100 V左右，經(jīng)示波器顯示為99.468 V左右，輸出側(cè)電壓結(jié)果滿足誤差范圍，輸出電壓值滿足理論電壓升壓比分析公式。

表1 器件參數(shù)設(shè)置

3.2 波形結(jié)果顯示

如圖2所示為PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形與開關(guān)管DS間電壓波形，從圖中可以看出，本次仿真占空比設(shè)定值為0.45，開關(guān)管導(dǎo)通電壓為48 V。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，DS端電壓近似為0；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)，MOS管關(guān)斷，DS兩端存在一定的管壓降，符合實(shí)際分析結(jié)論。

圖2 PWM驅(qū)動(dòng)與開關(guān)管ds間壓降電壓波形對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真時(shí)，可以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行“電力電子技術(shù)”的相關(guān)設(shè)計(jì)興趣，通過(guò)仿真原理圖搭建，讓學(xué)生學(xué)會(huì)電路設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)選型，進(jìn)一步掌握電路的工作原理。最后引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)、全面的方案進(jìn)行一次完整的電路設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步加深學(xué)生的理論學(xué)習(xí)效果，同時(shí)還可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練提供了一定的工具平臺(tái)。在后續(xù)搭配適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)課程，將會(huì)取得事半功倍的教學(xué)效果[5]。