可控整流電路與EDA工具的使用

[摘要] 整流電路(Rectifier)是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。而整流電路的可控性是目前研究的重點(diǎn)。討論了EDA仿真工具在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，通過在教學(xué)中輔助利用MultiSim仿真軟件，不僅克服了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，而且在教學(xué)的實(shí)施過程中，提高了學(xué)生對電路理論的理解，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力，取得更好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 可控整流電路 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA) MultiSim

當(dāng)前，在電子技術(shù)課程教學(xué)中，大多數(shù)學(xué)校仍然是在課堂上先把知識點(diǎn)逐一講述，然后再通過實(shí)驗(yàn)課中，在現(xiàn)成的試驗(yàn)箱上或者面包板上，通過元器件硬件連接測試，加深知識點(diǎn)的掌握。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式不僅受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，而且新器件、新設(shè)備價(jià)格昂貴，如果需要增加一些擴(kuò)展型、設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)校更是無法承受。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多基于Windows的仿真工具，非常適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。這種新型的虛擬電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以直接在元器庫中選擇需要的元器件和測試儀器，搭建實(shí)際的電路，而且與實(shí)物外形相似，由于這些仿真工具中的測試儀器和元器件種類多、功能全，可以彌補(bǔ)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器、元器件的短缺及以及規(guī)格不符合要求等因素，還能利用軟件中提供的各種分析方法，幫助學(xué)生更快、更好地掌握教學(xué)內(nèi)容，加深對概念、原理的理解，并能熟悉常用的電工電子儀器的測量方法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

一、可控整流電路

整流電路(Rectifier)是電力電子技術(shù)中最為重要，也是應(yīng)用得最為廣泛的電路，不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等其他領(lǐng)域。

該部分課程的主要內(nèi)容包括單相可控整流電路的工作原理、波形分析及計(jì)算，續(xù)流二極管的作用及有關(guān)波形分析。三相半波整流電路的波形分析及計(jì)算。三相全控橋的工作原理、波形分析及計(jì)算。整流變壓器原、附邊繞組電流有效值及容量計(jì)算。帶平衡電抗器的雙反星性大功率整流電路工作原理及波形分析。變壓器漏抗對整流電路的影響。電路中諧波的產(chǎn)生、組成及抑制方法。整流電路的諧波和功率因數(shù)。整流電路的有源逆變工作原理及實(shí)施逆變的條件，逆變顛覆及防止措施。觸發(fā)脈沖與主回路電壓的同步，移相工作原理。

其中，重點(diǎn)掌握部分為單相可控整流電路的工作原理、波形分析及計(jì)算。三相半波整流電路的波形分析及計(jì)算。三相全控橋的工作原理、波形分析及計(jì)算。變壓器漏抗對整流電路的影響。電路中諧波的產(chǎn)生、組成及抑制方法。整流電路的諧波和功率因數(shù)。整流電路的有源逆變工作原理及實(shí)施逆變的條件，逆變顛覆及防止措施。觸發(fā)脈沖與主回路電壓的同步，移相工作原理。

二、虛擬電子實(shí)驗(yàn)臺MultiSim簡介

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，目前在各高校教學(xué)中普遍使用Multisim10.0。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，電子學(xué)教育工作者可以完成理論的講解、原理圖的捕獲與仿真以及測試的完整綜合設(shè)計(jì)流程。

Multisim具有直觀、方便的操作界面，屏幕左邊為元器件和虛擬測試儀器，由于些器件、儀器構(gòu)造和實(shí)際非常相似，使得學(xué)生們?nèi)缤僮鲗?shí)際器件一樣，方便構(gòu)建電路;同時(shí)，Multisim擁有大量的元件數(shù)據(jù)庫，特別是大量新增的與現(xiàn)實(shí)元件對應(yīng)的元件模型，增強(qiáng)了仿真電路的實(shí)用性，而且還可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查找到想要的元器件參數(shù)，新建或擴(kuò)充已經(jīng)有的元件庫; Multisim可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)定分析、時(shí)域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點(diǎn)分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法。

三、用MultiSim進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的方法

筆者通過結(jié)合教學(xué)的實(shí)際需要，簡要地介紹用該軟件構(gòu)造和測試電路的步驟:

1.從元件庫選擇元件放置到工作區(qū);

2.將元件按照電路布局進(jìn)行放置，設(shè)置元件參數(shù)，采用導(dǎo)線連接元器件;

3.在電路中需要觀測的節(jié)點(diǎn)放置、連接電壓、電流表計(jì)和示波器、信號發(fā)生器等觀測儀器;

4.根據(jù)測試要求設(shè)定儀器參數(shù)，進(jìn)行電路仿真、觀測;

5.點(diǎn)擊“運(yùn)行”后，通過測試儀器，對輸入信號進(jìn)行分析，形成電路的數(shù)據(jù)值解，并將所得數(shù)據(jù)送至輸出級，從測試儀器如示波器或萬用表等上獲得仿真運(yùn)行的結(jié)果。

四、可控整流電路的仿真模型

可控整流電路的帶純電阻性負(fù)載情況比較復(fù)雜，在仿真模型的應(yīng)用中先對相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行描述:①交流電壓源參數(shù)U=100V，f=50Hz;②晶閘管參數(shù)Rn=0.001Ω，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=10Ω，Cs=250e-6F;③負(fù)載參數(shù)R=10Ω，L=0H，C=inf;④脈沖發(fā)生器觸發(fā)信號1、2的振幅為5V，周期為0.02s(即頻率為50Hz)，脈沖寬度為2。

將雙蹤通用示波器接入輸入信號、輸出信號端，相鄰、相對兩橋臂，測得整流橋的信號如圖2所示，二極管橋式整流電路波形。該電路具有將雙向的交變電壓變換為單向的脈動(dòng)電壓的功能。對波形的進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，二極管上承載電壓的情況， V1、3管、V2、4管分別承受不同周期的反向電壓，但管子承受的最大反向電壓與電源最大反向電壓相同。以上兩點(diǎn)滿足了我們提高變壓器利用率并降低整流管最大反向電壓的要求，實(shí)現(xiàn)了二極管整流輸出的最佳性能。

五、結(jié)論

筆者在對單相橋式可控整流電路理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想和自帶的電力系統(tǒng)工具箱，建立了基于MATLAB/Simulink的單相橋式可控整流電路的仿真模型，并對其進(jìn)行了對比分析研究。通過仿真分析也驗(yàn)證了本文所建模型的正確性，可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的問題。工作者們可以很好地、很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計(jì)算機(jī)仿真再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性;真正地做到了變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。這些在教學(xué)活動(dòng)中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。

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