楊偉?徐文權(quán)?李彥梅?吳文進

摘 要：針對電力電子技術(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電路結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計了仿真電路，給出了器件型號和參數(shù)設(shè)置。通過實例表明，利用Multisim進行電力電子技術(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)雜的分析過程變的直觀易懂，達到良好的教學(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

基金項目：安徽省教育廳質(zhì)量工程MOOC項目（項目編號：2018mooc403）;安慶師范大學(xué)校級質(zhì)量工程項目重點立項（項目編號：2018aqnujyxm022）。

電力電子技術(shù)是自動化專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。該課程應(yīng)用性，實踐性較強[1]。傳統(tǒng)教學(xué)方法是課堂講授加少量的驗證性實驗。該課程涉及大量的負載分析和波形分析，變流電路的結(jié)構(gòu)也是變化繁多。學(xué)生聽起來晦澀難懂，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進行有效的講解是該課程需要研究和解決的問題。

應(yīng)用EDA（電子設(shè)計自動化）工具軟件Multisim對電力電子技術(shù)課程進行輔助教學(xué)[2]，使抽象的概念講解分析變得直觀、生動，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和能動性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而且實現(xiàn)實驗與理論的有機結(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），主要應(yīng)用于板級數(shù)字和模擬電路的仿真分析和設(shè)計[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。軟件界面簡單，操作便捷，仿真形象逼真。

Multisim特別適合于電子自動化類本科生的涉電相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，仿真和設(shè)計開發(fā)。電力電子技術(shù)是自動化專業(yè)一門涉強電的課程，實際的電路操作有一定的危險性，器件也容易損壞。利用Multisim只需點動鼠標，選擇元器件搭建電路，利用合適的虛擬儀器和分析方法進行各種測試完成對電路的仿真分析和設(shè)計。過程中不用擔心元件的損壞，仿真速度快，效率高。對于電力電子技術(shù)的課程而言是一個很好的教學(xué)輔助軟件。本文選擇Multisim 10.0版本來進行仿真分析。

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際應(yīng)用中較廣，紋波小，同時也是三相橋式整流電路的基礎(chǔ)。

教學(xué)過程中，首先在Multisim工作區(qū)搭建如圖1單相橋式整流電路（帶阻感負載）。在Diodes庫的SCR類中選擇4個晶閘管BT150，晶閘管對驅(qū)動脈沖要求比較嚴格，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，電阻R1，電感L1選自Basic庫。

參數(shù)設(shè)置主要涉及觸發(fā)脈沖。觸發(fā)角α的設(shè)置在圖中是通過改變脈沖的延遲時間來改變。一個周期20ms對應(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是在輸入源負半周導(dǎo)通，在時間上要延遲半個周期即10ms。

在工作區(qū)右邊儀器欄選擇雙通道示波器來觀察電路的輸出波形（藍色）以及晶閘管兩端的電壓的波形（橙色），如圖2所示。在教學(xué)過程中，將仿真的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進行比較分析。可以看出，仿真結(jié)果與理論分析是一致的。教學(xué)中可通過改變延遲時間來達到改變觸發(fā)角的目的，來分析不同觸發(fā)角下電路的波形，研究移相范圍。同樣可以去掉電感，仿真純電阻負載時電路的工作情況。

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)用于風力發(fā)電，太陽能發(fā)電，UPS（不可間斷電源）等場合。電力電子技術(shù)早期是整流時代，而后進入逆變器時代。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)，為課程重點內(nèi)容，下面以此為例利用Multisim來進行分析。

教學(xué)過程中，首先在Multisim工作區(qū)搭建如圖3單相全橋逆變電路（帶RLC負載）。在Transistor庫的POWER_MOS（電力MOS管）類中選擇4個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，電阻R1，電感L1，電容C1選自Basic庫。

參數(shù)設(shè)置主要涉及驅(qū)動脈沖。驅(qū)動脈沖的參數(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)過處理是一略帶諧波的方波，為了得到正弦波輸出，在負載側(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（藍色），如圖4所示。可以從示波器讀到輸出正弦波周期為20ms即50Hz。在教學(xué)過程中，將仿真的結(jié)果與理論分析的結(jié)果進行比較分析?？梢钥闯觯抡娼Y(jié)果與理論分析是一致的。

3 結(jié)束語

本文借助于Multisim軟件來對電力電子技術(shù)中兩個重點內(nèi)容進行仿真分析，課堂教學(xué)實踐表明能有效解決電力電子技術(shù)課程教學(xué)過程中存在的難題。通過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)課程中的重難點內(nèi)容并進行獨立創(chuàng)新設(shè)計。

參考文獻

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

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

[3]聶典，丁偉.Multisim10計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]李劍清.Multisim在電路實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，35（5）：543-546.

[5]姜鳳利.Multisim仿真在電工與電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2015，18（5）：89-91.

[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（自然科學(xué)版），2012，32（3）：281-284

作者簡介

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)。