《电力电子技术》课程的Multisim辅助教学
杨伟?徐文权?李彦梅?吴文进
摘 要：针对电力电子技术课程教学中的难题，将EDA工具软件Multisim引入电力电子技术课堂教学，以整流电路和逆变电路中重点电路结构为例，设计了仿真电路，給出了器件型号和参数设置。通过实例表明，利用Multisim进行电力电子技术辅助教学丰富了课堂教学内容，激发了学生的学习兴趣，课程复杂的分析过程变的直观易懂，达到良好的教学效果。
关键词：电力电子技术，Multisim，整流电路，逆变电路
DOI：10.12249/j.issn.1005-4669.2020.26.258
基金项目：安徽省教育厅质量工程MOOC项目（项目编号：2018mooc403）;安庆师范大学校级质量工程项目重点立项（项目编号：2018aqnujyxm022）。
电力电子技术是自动化专业的一门专业必修课程。该课程应用性，实践性较强[1]。传统教学方法是课堂讲授加少量的验证性实验。该课程涉及大量的负载分析和波形分析，变流电路的结构也是变化繁多。学生听起来晦涩难懂，枯燥乏味，易混淆各种电路结构。授课教师如何利用有限的课时进行有效的讲解是该课程需要研究和解决的问题。
应用EDA（电子设计自动化）工具软件Multisim对电力电子技术课程进行辅助教学[2]，使抽象的概念讲解分析变得直观、生动，可以提高学生的学习兴趣和能动性，培养学生的自主学习能力，而且实现实验与理论的有机结合，提高课堂教学效率。本文选择两种电力电子技术典型电路为例，演示利用Multisim软件辅助课堂教学过程。
1 Multisim介绍
Multisim是一种常用的EDA工具软件。Multisim的前身是EWB（Electronic Workbench虚拟电子工作平台），主要应用于板级数字和模拟电路的仿真分析和设计[3-5]。软件提供了丰富的电子元器件和仪器仪表，另外还有十几种分析电路的方法。软件界面简单，操作便捷，仿真形象逼真。
Multisim特别适合于电子自动化类本科生的涉电相关内容的学习，仿真和设计开发。电力电子技术是自动化专业一门涉强电的课程，实际的电路操作有一定的危险性，器件也容易损坏。利用Multisim只需点动鼠标，选择元器件搭建电路，利用合适的虚拟仪器和分析方法进行各种测试完成对电路的仿真分析和设计。过程中不用担心元件的损坏，仿真速度快，效率高。对于电力电子技术的课程而言是一个很好的教学辅助软件。本文选择Multisim 10.0版本来进行仿真分析。
2 Multisim在电力电子技术典型变流电路中的应用
2.1 Multisim在单相桥式整流电路中的应用
整流电路是电力电子技术中最早出现的一种变流电路[6]。各种整流电路中，单相桥式整流电路在实际应用中较广，纹波小，同时也是三相桥式整流电路的基础。
教学过程中，首先在Multisim工作区搭建如图1单相桥式整流电路（带阻感负载）。在Diodes库的SCR类中选择4个晶闸管BT150，晶闸管对驱动脉冲要求比较严格，本例中选择脉冲（V2、V4、V5、V3）加电压控制电压源（V6、V7、V8、V9）的形式构成驱动脉冲， 220V 、50Hz的交流电V1作为电路的输入源，这三种元件选自Sources库，电阻R1，电感L1选自Basic库。
参数设置主要涉及触发脉冲。触发角α的设置在图中是通过改变脉冲的延迟时间来改变。一个周期20ms对应2π（360°）。V2，V3的设置为Delay Time为2ms即36度，V4，V5的Delay Time设置为12ms即36度，由于V4，V5是在输入源负半周导通，在时间上要延迟半个周期即10ms。
在工作区右边仪器栏选择双通道示波器来观察电路的输出波形（蓝色）以及晶闸管两端的电压的波形（橙色），如图2所示。在教学过程中，将仿真的结果与理论分析的结果进行比较分析。可以看出，仿真结果与理论分析是一致的。教学中可通过改变延迟时间来达到改变触发角的目的，来分析不同触发角下电路的波形，研究移相范围。同样可以去掉电感，仿真纯电阻负载时电路的工作情况。
2.2 Multisim在全桥逆变电路中的应用
逆变即把直流电变成交流电。逆变电路是电力电子技术中非常重要的一种变流电路，广泛应用于风力发电，太阳能发电，UPS（不可间断电源）等场合。电力电子技术早期是整流时代，而后进入逆变器时代。全桥逆变电路是逆变电路中非常重要的一种电路结构，为课程重点内容，下面以此为例利用Multisim来进行分析。
教学过程中，首先在Multisim工作区搭建如图3单相全桥逆变电路（带RLC负载）。在Transistor库的POWER_MOS（电力MOS管）类中选择4个MOS管ZVN3310。本例中选择脉冲（V2、V4、V6、V8）加电压控制电压源（V7、V9、V5、V3）的形式构成MOS管的驱动脉冲，100V的直流流电压V1作为电路的输入源，这三种元件选自Sources库，电阻R1，电感L1，电容C1选自Basic库。
参数设置主要涉及驱动脉冲。驱动脉冲的参数只要设置V6，V4的一致，V2，V8一致即可。V2，V8设置Delay Time为2ms，V4，V6的Delay Time设置为12ms。而输出交流电的周期由脉冲的Period（周期）控制，这里设置为20ms即输出电压的频率为50Hz。输出不经过处理是一略带谐波的方波，为了得到正弦波输出，在负载侧加上LC滤波选频后为50Hz的正弦波。
在工作区右边仪器栏选择双通道示波器来观察电路的输出波形（棕色）以及滤波选频后输出电压的波形（蓝色），如图4所示。可以从示波器读到输出正弦波周期为20ms即50Hz。在教学过程中，将仿真的结果与理论分析的结果进行比较分析。可以看出，仿真结果与理论分析是一致的。
3 结束语
本文借助于Multisim软件来对电力电子技术中两个重点内容进行仿真分析，课堂教学实践表明能有效解决电力电子技术课程教学过程中存在的难题。通过课堂讲授和软件仿真相结合，使得枯燥难懂的课程内容更易于理解，帮助学生更好的掌握课程中抽象的内容并激发学生的学习兴趣。此外，利用Multisim软件，学生还可以在课下复习课程中的重难点内容并进行独立创新设计。
参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2]从宏寿，李绍铭.电子设计自动化：Multisim在电子电路与单片机中的应用[M].北京：清华大学出版社，2008.
[3]聂典，丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京：电子工业出版社，2009.
[4]李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用[J].浙江工业大学学报，2007，35（5）：543-546.
[5]姜凤利.Multisim仿真在电工与电子技术实验中的应用[J].实验室科学，2015，18（5）：89-91.
[6]杨威，左月明.基于Multisim的整流滤波电路仿真分析[J].山西农业大学学报（自然科学版），2012，32（3）：281-284
作者简介
杨伟（1984-），男，安徽安庆人，硕士，安庆师范大学，研究方向：嵌入式系统，网络控制系统，深度学习。
