基于Multisim的電力電子課程教學探討

摘要：鑒于電力電子課程教學過程中出現的難題，本文將Multisim仿真軟件引入課堂。通過對軟件的簡要介紹，結合電力電子課程教學中的困難，分別以整流、斬波、逆變、交交變換四種電路中的典型應用為例，重點探討了Multisim應用于電力電子課程的方法和功能。通過該軟件的應用，可形成一種新型教學模式，顯著提高教學效果，促進電力電子技能型人才的培養。

關鍵詞：Multisim軟件；電力電子課程；仿真教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0104-03

電力電子技術作為電氣工程相關專業的一門重要基礎課程，其實踐性很強，在電力系統、交通運輸、通信系統以及新能源發電中的應用都極為廣泛[1]。尤其是隨著科技的發展，譬如電動汽車、高鐵、光伏、風力發電、高壓直流輸電以及各種直流電源、變頻設備等技術的應用，都是以電力電子技術為核心。所以對于電氣相關專業的學生，學好電力電子技術尤為重要。但是據多年的教學經歷，不論是從學生還是教師的角度，電力電子課程的學習和講授都存在極大的難度。由于電路結構的多變，波形的復雜，采用傳統板書教學必然浪費大量時間且精度不夠；多媒體動態演示則制作復雜且參數固定，無法動態調節對比分析；實驗教學又存在理實脫節，學生只知其然而不知所以然?？紤]到EAD（電子設計自動化）技術基本已成為電氣類學生的一門必修課，所以本文就結合武漢電力職業技術學院學生所普遍學習的電路仿真軟件Multisim，來探討電力電子技術課程的教學。

一、Multisim軟件簡介

目前常見的EDA軟件[2]有很多，譬如Pspice、Protel 、IsSpice、Or-CAD等。其中諸多軟件用于教學均存在模型庫元件較少、無法施加多種控制環節、從而難以實現較復雜的仿真等缺陷。Matlab/Simulink程序功能強大，也是目前認可度極高的一款軟件，但較適合于專業的模擬分析，對于高職院校學生還存在有一定的難度，且文件大，安裝復雜。Multisim軟件[2]則相對簡單，安裝快捷，仿真功能較強，且和實際器件結合緊密，更適合于高職院校應用型人才的教學和培養。

Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有良好的界面和豐富的元器件庫，可以仿真各種模擬、數字和高頻電路的工作狀態；它還具有多種虛擬儀器以及分析功能，能夠進行電路的虛擬實驗和仿真測量。只需輕點鼠標，就可以將各種各樣的元器件和儀器儀表放置工作界面，并完成導線的連接。其儀器儀表種類齊全，使教學不再受制于實驗器材不足的影響。并且儀表操作面板與實物相似，觀察極具直觀性。另外各種器件參數都可以動態調節，方便學生對比分析，不再受困于傳統實際器件的更換麻煩。將該軟件應用于教學，不僅僅利于學生掌握電路的基本構成，同時還可以強化其對基本概念、基本原理的認知和印證，并充分調動學生的積極性，對電力電子課程的教學起到良好的促進作用。目前Multisim軟件的版本較多，本文的電路仿真均采用Multisim12搭建，其具體的操作使用不再贅述。

二、電力電子課程教學困難分析

電力電子課程[1]從基礎電路劃分，主要包含整流、斬波、逆變和交交變換等四類基本變流模式。但是各種電路的工作情況又比較復雜。譬如器件選擇的不同：不控、相控、全控；負載類型：純電阻、電容性、感性、反電動勢負載；電路結構：單相、三相、多重化、半控橋、全控橋等等，每一種變化，其輸出的波形都會有很大差別。學生在學習時往往感到波形復雜，頭腦混亂，難以理解，從而影響學習興趣和效果。教師的講授也多以電路結構為主線，通過分析不同器件的通斷，配合其輸出電壓電流波形，理解各種電路的工作原理。波形的分析對于電力電子課程的講解必不可少?？紤]到波形的復雜多變，傳統的教學常常會浪費大量的時間在電路圖和波形的繪制上，且由于板書的局限和精度的不足，都會影響到教學效果和學生的理解。為此，一些教師采用多媒體課件動態演示。雖然確實比較形象生動，但是動畫制作復雜，且無法動態調節參數，學生思維對比性不強。

目前大多高校對于該課程的教學，均采用理論教學與動手實驗的教學模式[4]。實驗室普遍配備掛件結構或實驗箱，所有電路結構或控制系統均為封閉式。學生在老師或實驗指導書的指導下機械連線、讀取實驗數據，記錄實驗結果和波形。即使不了解電路的工作原理，只要連線正確、實驗儀器完好，也能順利完成實驗。但是為什么是這樣的結果或者結果正確與否，自己都無法定論。當設備或連線出現異常，學生普遍做法即詢問教師，而不能獨立分析解決問題。

故基于以上常規教學中出現的難題或不足，本文基于本校學生能力水平及教學安排，提出采用Multisim仿真軟件輔助教學，變抽象為具體，化枯燥為生動，更加形象直觀地進行電力電子理論教學，激發學生學習興趣， 提高教學質量。

三、Multisim在電力電子技術課程中的典型應用

電力電子技術從基本電路拓撲結構上主要包括四大類：交流變直流整流電路、直流變交流逆變電路、直流變直流斬波電路以及交流變交流的電壓或頻率變換。下面將結合Multisim仿真軟件[5]分別對各種換流電路中的典型結構和波形進行分析。

1.Multisim在整流電路中的典型應用

3.Multisim在逆變電路中的典型應用

逆變電路，與整流電路相對應，可將直流電變成交流電。其應用非常廣泛，如蓄電池、太陽能電池等直流電源，需要向交流負載供電時，就需要逆變電路。根據直流側電源性質的不同，可分為電壓源型和電流源型。本文以電壓源型逆變電路為例，探討Multisim在逆變電路中的應用，如圖3（a）所示三相電壓型逆變電路仿真模型。主電路由直流側電壓源400V，6個全控型器件IGBT構成的逆變橋以及電阻型負載組成。此處IGBT采用雙極性正弦脈沖寬度調制SPWM，其脈沖發生器參數設置如圖3（b）：調制波頻率50HZ，載波頻率1KHZ，調制比為0.8。圖3（c）為采用四通道示波器觀測的S1、S2、S3、S4 4個開關的控制脈沖。逆變輸出交流電壓波形可通過Multisim軟件中的瞬態分析實現，如圖3（d），輸出電壓為多個等幅不等寬的方波近似等效的正弦波。其電壓有效值大小的調節可通過調制比設置，頻率由調制波頻率所決定。Multisim軟件還可以對輸出波形進行傅里葉分析，測算出所含各次諧波含量，總畸變率等。

4.Multisim在交交變換電路中的典型應用

交流-交流變流電路，可把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，其可以改變相關的電壓、電流、頻率和相數等。根據改變目的用途的不同可分為交流調壓、調功、調頻控制等。目前廣泛應用于異步電機的調速、啟動控制的變頻器，其核心就是交交變頻電路。根據中間是否參與直流環節，交交變頻又可分為直接變頻和間接變頻電路，也即交直交變頻電路?？紤]到全控型器件的大量涌現及其控制性能的優越性，本文以圖4（a）所示的電壓型交直交變頻電路為例，探討Multisim在交-交變換電路中的應用。圖中三相交流電源首先通過三相不控整流生成六脈波直流，經電容穩壓后，再通過三相全控橋式逆變電路輸出電壓、頻率均可變的三相交流電源，供三相異步電機調速控制。圖4（b）為電路中間直壓及輸出三相交流電壓波形。圖4（c）為中間直壓波形放大圖。從圖中可看出原六脈波直壓經電容穩壓之后，波形變化幅度已大大減小，近似平穩。該交直交變換電路輸出交流電壓、頻率的調節如同逆變電路，通過電壓頻率的有效控制實現電機各種運行狀態的高效調節。

在Multisim仿真軟件中，還可以將各種基本電路組合、構造，構成更加復雜的電路，譬如多重化結構等，此處不再一一詳述。

四、結語

考慮到電力電子課程教學過程中出現的電路結構復雜、波形多變、種類繁多等教學難題，本文將Multisim仿真軟件引入課堂，通過軟件建模和仿真，方便學生觀察理解和驗證課程理論知識。文中結合電力電子課程中四種主要變換電路，通過每種電路中的典型應用重點介紹了Multisim仿真軟件在電力電子課程教學過程中的功能、操作及使用。該方法操作簡單便捷，不僅可動態的調整參數、結構，實時顯示電路各環節波形數值特征，并可以進行多種對比分析，還可以設置故障，幫助學生理解判斷問題所在。相比于傳統靜態手繪式教學，大大提高了教學效率和學生的學習效果。與常規的硬件實驗相比較，其元器件豐富，仿真波形精確逼真，且不受空間、時間和物質條件的限制。既不擔心元器件的損壞，也沒有任何危險性，可充分調動學生的積極性和創造靈感，是一款理想的輔助教學軟件。通過該軟件的應用，可形成一種新型教學模式，顯著提高教學效果，促進電力電子技能型人才的培養。

參考文獻：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].第四版.北京：機械工業出版社，2006.

[2]王曉剛，王佳慶.Matlab/Simulink在電力電子交互式教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2004，26（5）：104-106.

[3]王連英.基于Multsim 10的電子仿真實驗與設計[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

[4]鄧娜，曹紅英.MATLAB仿真技術在電力電子技術教學中的應用[J].裝備制造技術，2008，（1）：124-125.

[5]張艷艷，袁嬡，夏詠梅.Multsim 軟件在《電子技術》課程中的應用[J].重慶文理學院學報（自然科學版），2011，30（4）：91-94.

（責任編輯：劉麗娜）