在电力电子技术课程中的应用

　　摘要：针对中职学校电气专业电力电子技术课程教学中的困境，本文介绍了如何运用Multisim进行电路仿真，以仿真实践为例，定性分析为主，简化数学运算，以测量、调试、波形绘制为重点，提高课堂效率，节约操作耗材，为学生进一步实验操作和全面掌握奠定数据和波形基礎的实践做法。
　　关键词：Multisim电力电子技术课应用
　　电力电子技术课程涵盖电力技术、电子技术、机电控制三个领域，采用电力电子相关功能模块对电能进行有效变换和控制的技术，遍及生产和民用的各个领域，专业性强，在学习上注重各种电路数据测量、波形和相位分析。因此，运用Multisim进行电路仿真，通过软件强大的虚拟技术得到不失真的波形和数据，为电路的安装和调试奠定有力的数据基础。一、Multisim仿真软件的特点
　　1。虚拟的电子实验，无限的创造空间
　　软件图形界面直观，形同电子操作台。拖动鼠标，就可以将17000多种常用元件放置于屏幕上，轻点元件端部就可以将元件进行连接，毫不逊色于实际的工作电路，针对不同使用人群分设专业、个人、教育、学生、演示等版本，极大限度地模仿出真实电路的结果，还能创建常用的功能器件以及复杂的子电路。
　　2。丰富的仪器资源，完备的分析手段
　　除了人们常用的万用表、双踪示波器、交直流电压表、电流表、函数信号发生器以外，Multisim软件还含有逻辑转换、四通道示波器、测量探针等22种虚拟仿真的仪器，另外还提供波形失真情况分析、电路灵敏度分析、交流分量分析、瞬态分析等多种分析手段。
　　3。多样的电路模块，详尽的数据报告
　　提供常见基本功能电路的设计和数据分析；软件的MCU功能模块支持四种型号的单片机芯片；对分析结果进行算术运算、指数运算等；能够导出相关的材料清单以及各类元件的详细报告，多余门电路情况等；输出原理图到PCB布线等功能；多种输入输出接口实现各数据的无缝传输。二、学生学习电力电子课程面临的困境
　　1。设备局限，操作机械
　　笔者所在学校的电力电子操作实训台采用模块化的电路、封闭式的结构。学生以小组为单位，在教师和任务书的指引下，机械地连接控制电路和主电路，调试电压或波形，从而得到实验数据。整个过程缺乏创造性。对电路结构认知度不够的学生在实训过程中无论从知识的掌握程度还是仪表的使用来看，都没有达到预期的能力提升，在设备发生故障时缺乏对故障点的分析和判断力。
　　2。操作实践，安全任重
　　电力电子实验操作台所用为交流电源0～250V，各模块连线错误或在仪器仪表测量时产生短路的话，轻则引起跳闸，重则导致仪表或模块的损坏，甚至危及人身安全。操作前需强调安全操作的重要性。在实验进行中，教师也将花较多时间检查线路连接及操作的安全状况。任务完成后，还要检查设备有无损坏、连接线有无安全隐患。一个项目的实施包括课前、课中、课后，安全检查占据较多时间，会导致学生对项目的恐惧心理加重。
　　3。学生疲惫，波形难绘
　　电力电子技术大量的运算、测量、调试对学生来说本来就是一种挑战，特别是高等数学基础相对较弱的学生，很多的计算原理、过程无法理解，积极性会一落千丈，再加上复杂波形图的绘制，如单相交流只有一条按正弦规律变化的波形而三相交流线电压则有6条，这将打击学生学习的积极性。在实训项目实施过程中，由于设备的原因或谐波的干扰，经常会导致波形失真，给波形的绘制工作带来难度和实验数据的偏差。这也会降低学生对本课程学习的兴趣。三、Multisim在电力电子相关课程中的应用举例
　　本文以科学出版社的《电力电子技术与变频器应用》教材为切入口，以电气专业三年级学生为实践对象，在操作前，运用Multisim10进行模拟性搭建，可使学生通过对电路的绘制加深理解，让抽象的波形具体化，起到辅助课程学习的作用。
　　1。调光、调速中的脉冲触发电路设计
　　负阻特性和RC电路的充放电特性是选用单结晶体管的重要原因，由此组成由单结晶体管脉冲触发电路（如图1）。D1、D2、D3、D4组成桥式整流，稳压管VD1完成对信号的稳压功能，产生一个削顶波（如图2），为后面的电路提供一个稳定的直流电压。电阻R3、R4、电容C1和Q1构成触发电路，产生实验需要的具有抗干扰能力，有足够的功率和宽度、幅度，还要具有一定的移相范围的触发脉冲。
　　2。电路工作原理
　　电路工作时，电源经R3、R4对C1进行充电，电容C1两端电压升高，当电压超过Q1的门槛电压UP时，Q1内部的PN结立即导通，电容C1上的电压经由e～b1向电阻R5放电。当电容两端电压下降至电压UV时，单结晶体管的PN结又恢复进入截止状态，如此重复，在C1两端就形成锯齿状的充放电电压，与此同时在R5上得到与之对应的尖脉冲（见图2）。在桥式整流输出的一个半周内，第一个尖脉冲为有效脉冲，调节R3可改变充放电的速度，从而改变尖脉冲的幅度。
　　3。仿真电路搭建
　　交流电源：单击电源库，选择powersources中的ACpower拖动至桌面后双击，修改其参数为220V、50HZ。变压器T1：单击元件库Basic，选择Transformer下的Tsideal理想变压器。拖动至桌面后双击修改其耦合系数为0。1634，保证供给整流电路的交流电源为36V。电阻元件选择基本元件库中的Resistor，经过1K电阻限幅、VD1稳压后加在触发电路上的电压为20V左右。D1～D4选择型号为1N4007，VD1选择型号为1N4748A。软件中并没有常用的单结晶体管BT33，因此选择可编程类的Q1替代。在晶体元件库中，选择UJT，有两种型号可供选择，此处选用2N6027。Q1的分压比由R6、R7决定。分压比（R7R6R7）应控制在0。3～0。8，电路搭建完成后要放置接地符号（见图1），否则仿真无法进行。
　　單击仿真按键RUN，电路进行仿真运行，双击四踪示波器可以同步观测：A通道显示R5上的尖脉冲信号、B通道显示C1上充放电波形、C通道显示稳压管上的梯形波信号。调节R3可观测到波形随之变化。单击中止仿真，各波形静态显示，拖动滚动条，可以看到更多周期内的波形变化，方便观察和数据记录。还可以通过万用表，观测各重要点的电压、电流值，以便更好地调整电路。电路仿真得到了实际操作中元件的参数选择依据，更为电路的成功制作奠定基础。四、教学实践效果
　　实践证明，学生通过动手进行仿真，掌握的知识远大于老师说、学生听的方式。对15级三个电气专业近60名学生实施Multisim仿真实践，对比前一学期的课程实施，最明显的变化是提升了学生学习的积极性，仔细分析实施过程，发现以下几个明显变化。
　　1。点燃质疑，信心提升
　　实施Multisim仿真允许学生在仿真过程中犯错误，并允许他们在仿真中更正之前的错误，不用担心错误所导致的安全问题。仿真后再进行的电路安装，由于对电路原理有了充分的认知，学生的错误率明显降低，特别是连接性错误。另外通过虚拟仪器的显示，波形记录更精准到位，从而增强学习信心，课堂实践气氛更活跃、学生思维更敏锐。
　　2。实践创新，智慧养成
　　教书育人的工作就是挖掘学生的潜能。兴趣一旦被激发出来，创新能力就会源源不断。学生进行自主性探索、研究、学习直至问题被解决，是对他们学习的肯定。实施Multisim仿真，笔者发现了触发信号耦合方式的优缺点、改变张弛振荡电路各参数得到不同幅度触发脉冲等。这些发现在实验操作中往往需要花很长时间。
　　3。展示技能，拓展提升
　　通过Multisim仿真，各小组间建立竞争机制，相互学习的同时，实现学校倡导的激流勇进的学习状态，高质量掌握了该软件的使用，还可以利用业余时间将其拓展应用到模拟电子技术、数字电子电路、单片机的学习以及PCB的制作上。这样能拓展学生的学习能力，也使其对基础知识进行巩固学习。对各软件的应用和技术的创新是电气设计等专业的必备技能，是推动中职学生自动自发、主动学习的一个有力手段。五、小结
　　展望未来，不可否认的是在实践过程中会遇到更多的难点，不同专业、不同班级、不同基础的学生，情况也各不相同。这是对教师教学能力的不断突破与挑战。为此，笔者所在的专业组正着手进行校本教材的编写，依托现有的操作实训设备，结合Multisim仿真软件，力求找到适合本专业学生电力电子技术课程的最佳教学方式。
　　参考文献：
　　〔1〕杨八妹，翟恩民。电力电子及变频器应用〔M〕。北京：科学出版社，2010（9）。
　　〔2〕莫正康。晶闸管变流技术〔M〕。北京：机械工业出版社，1985（6）。
　　〔3〕王兆安，刘进军。电力电子技术〔M〕。北京：机械工业出版社，2009（5）。