基于Multisim的電力電子課程教學(xué)探討

摘要：鑒于電力電子課程教學(xué)過程中出現(xiàn)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(jié)合電力電子課程教學(xué)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(yīng)用為例，重點(diǎn)探討了Multisim應(yīng)用于電力電子課程的方法和功能。通過該軟件的應(yīng)用，可形成一種新型教學(xué)模式，顯著提高教學(xué)效果，促進(jìn)電力電子技能型人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Multisim軟件；電力電子課程；仿真教學(xué)

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

電力電子技術(shù)作為電氣工程相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，其實(shí)踐性很強(qiáng)，在電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、通信系統(tǒng)以及新能源發(fā)電中的應(yīng)用都極為廣泛[1]。尤其是隨著科技的發(fā)展，譬如電動(dòng)汽車、高鐵、光伏、風(fēng)力發(fā)電、高壓直流輸電以及各種直流電源、變頻設(shè)備等技術(shù)的應(yīng)用，都是以電力電子技術(shù)為核心。所以對于電氣相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，學(xué)好電力電子技術(shù)尤為重要。但是據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)歷，不論是從學(xué)生還是教師的角度，電力電子課程的學(xué)習(xí)和講授都存在極大的難度。由于電路結(jié)構(gòu)的多變，波形的復(fù)雜，采用傳統(tǒng)板書教學(xué)必然浪費(fèi)大量時(shí)間且精度不夠；多媒體動(dòng)態(tài)演示則制作復(fù)雜且參數(shù)固定，無法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對比分析；實(shí)驗(yàn)教學(xué)又存在理實(shí)脫節(jié)，學(xué)生只知其然而不知所以然?？紤]到EAD（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)基本已成為電氣類學(xué)生的一門必修課，所以本文就結(jié)合武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生所普遍學(xué)習(xí)的電路仿真軟件Multisim，來探討電力電子技術(shù)課程的教學(xué)。

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(xué)均存在模型庫元件較少、無法施加多種控制環(huán)節(jié)、從而難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的仿真等缺陷。Matlab/Simulink程序功能強(qiáng)大，也是目前認(rèn)可度極高的一款軟件，但較適合于專業(yè)的模擬分析，對于高職院校學(xué)生還存在有一定的難度，且文件大，安裝復(fù)雜。Multisim軟件[2]則相對簡單，安裝快捷，仿真功能較強(qiáng)，且和實(shí)際器件結(jié)合緊密，更適合于高職院校應(yīng)用型人才的教學(xué)和培養(yǎng)。

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，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(shù)字和高頻電路的工作狀態(tài)；它還具有多種虛擬儀器以及分析功能，能夠進(jìn)行電路的虛擬實(shí)驗(yàn)和仿真測量。只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)，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(dǎo)線的連接。其儀器儀表種類齊全，使教學(xué)不再受制于實(shí)驗(yàn)器材不足的影響。并且儀表操作面板與實(shí)物相似，觀察極具直觀性。另外各種器件參數(shù)都可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，方便學(xué)生對比分析，不再受困于傳統(tǒng)實(shí)際器件的更換麻煩。將該軟件應(yīng)用于教學(xué)，不僅僅利于學(xué)生掌握電路的基本構(gòu)成，同時(shí)還可以強(qiáng)化其對基本概念、基本原理的認(rèn)知和印證，并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，對電力電子課程的教學(xué)起到良好的促進(jìn)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(xué)困難分析

電力電子課程[1]從基礎(chǔ)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(fù)雜。譬如器件選擇的不同：不控、相控、全控；負(fù)載類型：純電阻、電容性、感性、反電動(dòng)勢負(fù)載；電路結(jié)構(gòu)：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(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)往往感到波形復(fù)雜，頭腦混亂，難以理解，從而影響學(xué)習(xí)興趣和效果。教師的講授也多以電路結(jié)構(gòu)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(fù)雜多變，傳統(tǒng)的教學(xué)常常會浪費(fèi)大量的時(shí)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(xué)效果和學(xué)生的理解。為此，一些教師采用多媒體課件動(dòng)態(tài)演示。雖然確實(shí)比較形象生動(dòng)，但是動(dòng)畫制作復(fù)雜，且無法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)，學(xué)生思維對比性不強(qiáng)。

目前大多高校對于該課程的教學(xué)，均采用理論教學(xué)與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式[4]。實(shí)驗(yàn)室普遍配備掛件結(jié)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)箱，所有電路結(jié)構(gòu)或控制系統(tǒng)均為封閉式。學(xué)生在老師或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書的指導(dǎo)下機(jī)械連線、讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形。即使不了解電路的工作原理，只要連線正確、實(shí)驗(yàn)儀器完好，也能順利完成實(shí)驗(yàn)。但是為什么是這樣的結(jié)果或者結(jié)果正確與否，自己都無法定論。當(dāng)設(shè)備或連線出現(xiàn)異常，學(xué)生普遍做法即詢問教師，而不能獨(dú)立分析解決問題。

故基于以上常規(guī)教學(xué)中出現(xiàn)的難題或不足，本文基于本校學(xué)生能力水平及教學(xué)安排，提出采用Multisim仿真軟件輔助教學(xué)，變抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，更加形象直觀地進(jìn)行電力電子理論教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣， 提高教學(xué)質(zhì)量。

三、Multisim在電力電子技術(shù)課程中的典型應(yīng)用

電力電子技術(shù)從基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)合Multisim仿真軟件[5]分別對各種換流電路中的典型結(jié)構(gòu)和波形進(jìn)行分析。

1.Multisim在整流電路中的典型應(yīng)用

3.Multisim在逆變電路中的典型應(yīng)用

逆變電路，與整流電路相對應(yīng)，可將直流電變成交流電。其應(yīng)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(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)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(yīng)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(cè)電壓源400V，6個(gè)全控型器件IGBT構(gòu)成的逆變橋以及電阻型負(fù)載組成。此處IGBT采用雙極性正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM，其脈沖發(fā)生器參數(shù)設(shè)置如圖3（b）：調(diào)制波頻率50HZ，載波頻率1KHZ，調(diào)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(gè)開關(guān)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(tài)分析實(shí)現(xiàn)，如圖3（d），輸出電壓為多個(gè)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(diào)節(jié)可通過調(diào)制比設(shè)置，頻率由調(diào)制波頻率所決定。Multisim軟件還可以對輸出波形進(jìn)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(yīng)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(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等。根據(jù)改變目的用途的不同可分為交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)頻控制等。目前廣泛應(yīng)用于異步電機(jī)的調(diào)速、啟動(dòng)控制的變頻器，其核心就是交交變頻電路。根據(jù)中間是否參與直流環(huán)節(jié)，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(xiàn)及其控制性能的優(yōu)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(yīng)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(jīng)電容穩(wěn)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(jī)調(diào)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(jīng)電容穩(wěn)壓之后，波形變化幅度已大大減小，近似平穩(wěn)。該交直交變換電路輸出交流電壓、頻率的調(diào)節(jié)如同逆變電路，通過電壓頻率的有效控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)的高效調(diào)節(jié)。

在Multisim仿真軟件中，還可以將各種基本電路組合、構(gòu)造，構(gòu)成更加復(fù)雜的電路，譬如多重化結(jié)構(gòu)等，此處不再一一詳述。

四、結(jié)語

考慮到電力電子課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、波形多變、種類繁多等教學(xué)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(xué)生觀察理解和驗(yàn)證課程理論知識。文中結(jié)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(yīng)用重點(diǎn)介紹了Multisim仿真軟件在電力電子課程教學(xué)過程中的功能、操作及使用。該方法操作簡單便捷，不僅可動(dòng)態(tài)的調(diào)整參數(shù)、結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)顯示電路各環(huán)節(jié)波形數(shù)值特征，并可以進(jìn)行多種對比分析，還可以設(shè)置故障，幫助學(xué)生理解判斷問題所在。相比于傳統(tǒng)靜態(tài)手繪式教學(xué)，大大提高了教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。與常規(guī)的硬件實(shí)驗(yàn)相比較，其元器件豐富，仿真波形精確逼真，且不受空間、時(shí)間和物質(zhì)條件的限制。既不擔(dān)心元器件的損壞，也沒有任何危險(xiǎn)性，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造靈感，是一款理想的輔助教學(xué)軟件。通過該軟件的應(yīng)用，可形成一種新型教學(xué)模式，顯著提高教學(xué)效果，促進(jìn)電力電子技能型人才的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王曉剛，王佳慶.Matlab/Simulink在電力電子交互式教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（5）：104-106.

[3]王連英.基于Multsim 10的電子仿真實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

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

[5]張艷艷，袁嬡，夏詠梅.Multsim 軟件在《電子技術(shù)》課程中的應(yīng)用[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（4）：91-94.

（責(zé)任編輯：劉麗娜）