《電力電子技術》課程的Multisim輔助教學

楊偉?徐文權?李彥梅?吳文進

摘 要：針對電力電子技術課程教學中的難題，將EDA工具軟件Multisim引入電力電子技術課堂教學，以整流電路和逆變電路中重點電路結構為例，設計了仿真電路，給出了器件型號和參數設置。通過實例表明，利用Multisim進行電力電子技術輔助教學豐富了課堂教學內容，激發了學生的學習興趣，課程復雜的分析過程變的直觀易懂，達到良好的教學效果。

關鍵詞：電力電子技術，Multisim，整流電路，逆變電路

DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.258

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

電力電子技術是自動化專業的一門專業必修課程。該課程應用性，實踐性較強[1]。傳統教學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，變流電路的結構也是變化繁多。學生聽起來晦澀難懂，枯燥乏味，易混淆各種電路結構。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。

應用EDA（電子設計自動化）工具軟件Multisim對電力電子技術課程進行輔助教學[2]，使抽象的概念講解分析變得直觀、生動，可以提高學生的學習興趣和能動性，培養學生的自主學習能力，而且實現實驗與理論的有機結合，提高課堂教學效率。本文選擇兩種電力電子技術典型電路為例，演示利用Multisim軟件輔助課堂教學過程。

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），主要應用于板級數字和模擬電路的仿真分析和設計[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內容的學習，仿真和設計開發。電力電子技術是自動化專業一門涉強電的課程，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。對于電力電子技術的課程而言是一個很好的教學輔助軟件。本文選擇Multisim 10.0版本來進行仿真分析。

2 Multisim在電力電子技術典型變流電路中的應用

2.1 Multisim在單相橋式整流電路中的應用

整流電路是電力電子技術中最早出現的一種變流電路[6]。各種整流電路中，單相橋式整流電路在實際應用中較廣，紋波小，同時也是三相橋式整流電路的基礎。

教學過程中，首先在Multisim工作區搭建如圖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）的形式構成驅動脈沖， 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。

參數設置主要涉及觸發脈沖。觸發角α的設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2π（360°）。V2，V3的設置為Delay Time為2ms即36度，V4，V5的Delay Time設置為12ms即36度，由于V4，V5是在輸入源負半周導通，在時間上要延遲半個周期即10ms。

在工作區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。在教學過程中，將仿真的結果與理論分析的結果進行比較分析。可以看出，仿真結果與理論分析是一致的。教學中可通過改變延遲時間來達到改變觸發角的目的，來分析不同觸發角下電路的波形，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用

逆變即把直流電變成交流電。逆變電路是電力電子技術中非常重要的一種變流電路，廣泛應用于風力發電，太陽能發電，UPS（不可間斷電源）等場合。電力電子技術早期是整流時代，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構，為課程重點內容，下面以此為例利用Multisim來進行分析。

教學過程中，首先在Multisim工作區搭建如圖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）的形式構成MOS管的驅動脈沖，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。

參數設置主要涉及驅動脈沖。驅動脈沖的參數只要設置V6，V4的一致，V2，V8一致即可。V2，V8設置Delay Time為2ms，V4，V6的Delay Time設置為12ms。而輸出交流電的周期由脈沖的Period（周期）控制，這里設置為20ms即輸出電壓的頻率為50Hz。輸出不經過處理是一略帶諧波的方波，為了得到正弦波輸出，在負載側加上LC濾波選頻后為50Hz的正弦波。

在工作區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。在教學過程中，將仿真的結果與理論分析的結果進行比較分析。可以看出，仿真結果與理論分析是一致的。

3 結束語

本文借助于Multisim軟件來對電力電子技術中兩個重點內容進行仿真分析，課堂教學實踐表明能有效解決電力電子技術課程教學過程中存在的難題。通過課堂講授和軟件仿真相結合，使得枯燥難懂的課程內容更易于理解，幫助學生更好的掌握課程中抽象的內容并激發學生的學習興趣。此外，利用Multisim軟件，學生還可以在課下復習課程中的重難點內容并進行獨立創新設計。

參考文獻

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]從宏壽，李紹銘.電子設計自動化：Multisim在電子電路與單片機中的應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]聶典，丁偉.Multisim10計算機仿真在電子電路設計中的應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]李劍清.Multisim在電路實驗教學中的應用[J].浙江工業大學學報，2007，35（5）：543-546.

[5]姜鳳利.Multisim仿真在電工與電子技術實驗中的應用[J].實驗室科學，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].山西農業大學學報（自然科學版），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，研究方向：嵌入式系統，網絡控制系統，深度學習。