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摘要：鉴于电力电子课程教学过程中出现的难题，本文将Multisim仿真软件引入课堂。通过对软件的简要介绍，结合电力电子课程教学中的困难，分别以整流、斩波、逆变、交交变换四种电路中的典型应用为例，重点探讨了Multisim应用于电力电子课程的方法和功能。通过该软件的应用，可形成一种新型教学模式，显著提高教学效果，促进电力电子技能型人才的培养。
关键词：Multisim软件；电力电子课程；仿真教学
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）35-0104-03
电力电子技术作为电气工程相关专业的一门重要基础课程，其实践性很强，在电力系统、交通运输、通信系统以及新能源发电中的应用都极为广泛[1]。尤其是随着科技的发展，譬如电动汽车、高铁、光伏、风力发电、高压直流输电以及各种直流电源、变频设备等技术的应用，都是以电力电子技术为核心。所以对于电气相关专业的学生，学好电力电子技术尤为重要。但是据多年的教学经历，不论是从学生还是教师的角度，电力电子课程的学习和讲授都存在极大的难度。由于电路结构的多变，波形的复杂，采用传统板书教学必然浪费大量时间且精度不够；多媒体动态演示则制作复杂且参数固定，无法动态调节对比分析；实验教学又存在理实脱节，学生只知其然而不知所以然。考虑到EAD（电子设计自动化）技术基本已成为电气类学生的一门必修课，所以本文就结合武汉电力职业技术学院学生所普遍学习的电路仿真软件Multisim，来探讨电力电子技术课程的教学。
一、Multisim软件简介
目前常见的EDA软件[2]有很多，譬如Pspice、Protel 、IsSpice、Or-CAD等。其中诸多软件用于教学均存在模型库元件较少、无法施加多种控制环节、从而难以实现较复杂的仿真等缺陷。Matlab/Simulink程序功能强大，也是目前认可度极高的一款软件，但较适合于专业的模拟分析，对于高职院校学生还存在有一定的难度，且文件大，安装复杂。Multisim软件[2]则相对简单，安装快捷，仿真功能较强，且和实际器件结合紧密，更适合于高职院校应用型人才的教学和培养。
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有良好的界面和丰富的元器件库，可以仿真各种模拟、数字和高频电路的工作状态；它还具有多种虚拟仪器以及分析功能，能够进行电路的虚拟实验和仿真测量。只需轻点鼠标，就可以将各种各样的元器件和仪器仪表放置工作界面，并完成导线的连接。其仪器仪表种类齐全，使教学不再受制于实验器材不足的影响。并且仪表操作面板与实物相似，观察极具直观性。另外各种器件参数都可以动态调节，方便学生对比分析，不再受困于传统实际器件的更换麻烦。将该软件应用于教学，不仅仅利于学生掌握电路的基本构成，同时还可以强化其对基本概念、基本原理的认知和印证，并充分调动学生的积极性，对电力电子课程的教学起到良好的促进作用。目前Multisim软件的版本较多，本文的电路仿真均采用Multisim12搭建，其具体的操作使用不再赘述。
二、电力电子课程教学困难分析
电力电子课程[1]从基础电路划分，主要包含整流、斩波、逆变和交交变换等四类基本变流模式。但是各种电路的工作情况又比较复杂。譬如器件选择的不同：不控、相控、全控；负载类型：纯电阻、电容性、感性、反电动势负载；电路结构：单相、三相、多重化、半控桥、全控桥等等，每一种变化，其输出的波形都会有很大差别。学生在学习时往往感到波形复杂，头脑混乱，难以理解，从而影响学习兴趣和效果。教师的讲授也多以电路结构为主线，通过分析不同器件的通断，配合其输出电压电流波形，理解各种电路的工作原理。波形的分析对于电力电子课程的讲解必不可少。考虑到波形的复杂多变，传统的教学常常会浪费大量的时间在电路图和波形的绘制上，且由于板书的局限和精度的不足，都会影响到教学效果和学生的理解。为此，一些教师采用多媒体课件动态演示。虽然确实比较形象生动，但是动画制作复杂，且无法动态调节参数，学生思维对比性不强。
目前大多高校对于该课程的教学，均采用理论教学与动手实验的教学模式[4]。实验室普遍配备挂件结构或实验箱，所有电路结构或控制系统均为封闭式。学生在老师或实验指导书的指导下机械连线、读取实验数据，记录实验结果和波形。即使不了解电路的工作原理，只要连线正确、实验仪器完好，也能顺利完成实验。但是为什么是这样的结果或者结果正确与否，自己都无法定论。当设备或连线出现异常，学生普遍做法即询问教师，而不能独立分析解决问题。
故基于以上常规教学中出现的难题或不足，本文基于本校学生能力水平及教学安排，提出采用Multisim仿真软件辅助教学，变抽象为具体，化枯燥为生动，更加形象直观地进行电力电子理论教学，激发学生学习兴趣， 提高教学质量。
三、Multisim在电力电子技术课程中的典型应用
电力电子技术从基本电路拓扑结构上主要包括四大类：交流变直流整流电路、直流变交流逆变电路、直流变直流斩波电路以及交流变交流的电压或频率变换。下面将结合Multisim仿真软件[5]分别对各种换流电路中的典型结构和波形进行分析。
1.Multisim在整流电路中的典型应用
3.Multisim在逆变电路中的典型应用
逆变电路，与整流电路相对应，可将直流电变成交流电。其应用非常广泛，如蓄电池、太阳能电池等直流电源，需要向交流负载供电时，就需要逆变电路。根据直流侧电源性质的不同，可分为电压源型和电流源型。本文以电压源型逆变电路为例，探讨Multisim在逆变电路中的应用，如图3（a）所示三相电压型逆变电路仿真模型。主电路由直流侧电压源400V，6个全控型器件IGBT构成的逆变桥以及电阻型负载组成。此处IGBT采用双极性正弦脉冲宽度调制SPWM，其脉冲发生器参数设置如图3（b）：调制波频率50HZ，载波频率1KHZ，调制比为0.8。图3（c）为采用四通道示波器观测的S1、S2、S3、S4 4个开关的控制脉冲。逆变输出交流电压波形可通过Multisim软件中的瞬态分析实现，如图3（d），输出电压为多个等幅不等宽的方波近似等效的正弦波。其电压有效值大小的调节可通过调制比设置，频率由调制波频率所决定。Multisim软件还可以对输出波形进行傅里叶分析，测算出所含各次谐波含量，总畸变率等。 4.Multisim在交交变换电路中的典型应用
交流-交流变流电路，可把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，其可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。根据改变目的用途的不同可分为交流调压、调功、调频控制等。目前广泛应用于异步电机的调速、启动控制的变频器，其核心就是交交变频电路。根据中间是否参与直流环节，交交变频又可分为直接变频和间接变频电路，也即交直交变频电路。考虑到全控型器件的大量涌现及其控制性能的优越性，本文以图4（a）所示的电压型交直交变频电路为例，探讨Multisim在交-交变换电路中的应用。图中三相交流电源首先通过三相不控整流生成六脉波直流，经电容稳压后，再通过三相全控桥式逆变电路输出电压、频率均可变的三相交流电源，供三相异步电机调速控制。图4（b）为电路中间直压及输出三相交流电压波形。图4（c）为中间直压波形放大图。从图中可看出原六脉波直压经电容稳压之后，波形变化幅度已大大减小，近似平稳。该交直交变换电路输出交流电压、频率的调节如同逆变电路，通过电压频率的有效控制实现电机各种运行状态的高效调节。
在Multisim仿真软件中，还可以将各种基本电路组合、构造，构成更加复杂的电路，譬如多重化结构等，此处不再一一详述。
四、结语
考虑到电力电子课程教学过程中出现的电路结构复杂、波形多变、种类繁多等教学难题，本文将Multisim仿真软件引入课堂，通过软件建模和仿真，方便学生观察理解和验证课程理论知识。文中结合电力电子课程中四种主要变换电路，通过每种电路中的典型应用重点介绍了Multisim仿真软件在电力电子课程教学过程中的功能、操作及使用。该方法操作简单便捷，不仅可动态的调整参数、结构，实时显示电路各环节波形数值特征，并可以进行多种对比分析，还可以设置故障，帮助学生理解判断问题所在。相比于传统静态手绘式教学，大大提高了教学效率和学生的学习效果。与常规的硬件实验相比较，其元器件丰富，仿真波形精确逼真，且不受空间、时间和物质条件的限制。既不担心元器件的损坏，也没有任何危险性，可充分调动学生的积极性和创造灵感，是一款理想的辅助教学软件。通过该软件的应用，可形成一种新型教学模式，显著提高教学效果，促进电力电子技能型人才的培养。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].第四版.北京：机械工业出版社，2006.
[2]王晓刚，王佳庆.Matlab/Simulink在电力电子交互式教学中的应用[J].电气电子教学学报，2004，26（5）：104-106.
[3]王连英.基于Multsim 10的电子仿真实验与设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.
[4]邓娜，曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应用[J].装备制造技术，2008，（1）：124-125.
[5]张艳艳，袁嫒，夏咏梅.Multsim 软件在《电子技术》课程中的应用[J].重庆文理学院学报（自然科学版），2011，30（4）：91-94.
（责任编辑：刘丽娜）
关键词：Multisim软件；电力电子课程；仿真教学
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）35-0104-03
电力电子技术作为电气工程相关专业的一门重要基础课程，其实践性很强，在电力系统、交通运输、通信系统以及新能源发电中的应用都极为广泛[1]。尤其是随着科技的发展，譬如电动汽车、高铁、光伏、风力发电、高压直流输电以及各种直流电源、变频设备等技术的应用，都是以电力电子技术为核心。所以对于电气相关专业的学生，学好电力电子技术尤为重要。但是据多年的教学经历，不论是从学生还是教师的角度，电力电子课程的学习和讲授都存在极大的难度。由于电路结构的多变，波形的复杂，采用传统板书教学必然浪费大量时间且精度不够；多媒体动态演示则制作复杂且参数固定，无法动态调节对比分析；实验教学又存在理实脱节，学生只知其然而不知所以然。考虑到EAD（电子设计自动化）技术基本已成为电气类学生的一门必修课，所以本文就结合武汉电力职业技术学院学生所普遍学习的电路仿真软件Multisim，来探讨电力电子技术课程的教学。
一、Multisim软件简介
目前常见的EDA软件[2]有很多，譬如Pspice、Protel 、IsSpice、Or-CAD等。其中诸多软件用于教学均存在模型库元件较少、无法施加多种控制环节、从而难以实现较复杂的仿真等缺陷。Matlab/Simulink程序功能强大，也是目前认可度极高的一款软件，但较适合于专业的模拟分析，对于高职院校学生还存在有一定的难度，且文件大，安装复杂。Multisim软件[2]则相对简单，安装快捷，仿真功能较强，且和实际器件结合紧密，更适合于高职院校应用型人才的教学和培养。
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有良好的界面和丰富的元器件库，可以仿真各种模拟、数字和高频电路的工作状态；它还具有多种虚拟仪器以及分析功能，能够进行电路的虚拟实验和仿真测量。只需轻点鼠标，就可以将各种各样的元器件和仪器仪表放置工作界面，并完成导线的连接。其仪器仪表种类齐全，使教学不再受制于实验器材不足的影响。并且仪表操作面板与实物相似，观察极具直观性。另外各种器件参数都可以动态调节，方便学生对比分析，不再受困于传统实际器件的更换麻烦。将该软件应用于教学，不仅仅利于学生掌握电路的基本构成，同时还可以强化其对基本概念、基本原理的认知和印证，并充分调动学生的积极性，对电力电子课程的教学起到良好的促进作用。目前Multisim软件的版本较多，本文的电路仿真均采用Multisim12搭建，其具体的操作使用不再赘述。
二、电力电子课程教学困难分析
电力电子课程[1]从基础电路划分，主要包含整流、斩波、逆变和交交变换等四类基本变流模式。但是各种电路的工作情况又比较复杂。譬如器件选择的不同：不控、相控、全控；负载类型：纯电阻、电容性、感性、反电动势负载；电路结构：单相、三相、多重化、半控桥、全控桥等等，每一种变化，其输出的波形都会有很大差别。学生在学习时往往感到波形复杂，头脑混乱，难以理解，从而影响学习兴趣和效果。教师的讲授也多以电路结构为主线，通过分析不同器件的通断，配合其输出电压电流波形，理解各种电路的工作原理。波形的分析对于电力电子课程的讲解必不可少。考虑到波形的复杂多变，传统的教学常常会浪费大量的时间在电路图和波形的绘制上，且由于板书的局限和精度的不足，都会影响到教学效果和学生的理解。为此，一些教师采用多媒体课件动态演示。虽然确实比较形象生动，但是动画制作复杂，且无法动态调节参数，学生思维对比性不强。
目前大多高校对于该课程的教学，均采用理论教学与动手实验的教学模式[4]。实验室普遍配备挂件结构或实验箱，所有电路结构或控制系统均为封闭式。学生在老师或实验指导书的指导下机械连线、读取实验数据，记录实验结果和波形。即使不了解电路的工作原理，只要连线正确、实验仪器完好，也能顺利完成实验。但是为什么是这样的结果或者结果正确与否，自己都无法定论。当设备或连线出现异常，学生普遍做法即询问教师，而不能独立分析解决问题。
故基于以上常规教学中出现的难题或不足，本文基于本校学生能力水平及教学安排，提出采用Multisim仿真软件辅助教学，变抽象为具体，化枯燥为生动，更加形象直观地进行电力电子理论教学，激发学生学习兴趣， 提高教学质量。
三、Multisim在电力电子技术课程中的典型应用
电力电子技术从基本电路拓扑结构上主要包括四大类：交流变直流整流电路、直流变交流逆变电路、直流变直流斩波电路以及交流变交流的电压或频率变换。下面将结合Multisim仿真软件[5]分别对各种换流电路中的典型结构和波形进行分析。
1.Multisim在整流电路中的典型应用
3.Multisim在逆变电路中的典型应用
逆变电路，与整流电路相对应，可将直流电变成交流电。其应用非常广泛，如蓄电池、太阳能电池等直流电源，需要向交流负载供电时，就需要逆变电路。根据直流侧电源性质的不同，可分为电压源型和电流源型。本文以电压源型逆变电路为例，探讨Multisim在逆变电路中的应用，如图3（a）所示三相电压型逆变电路仿真模型。主电路由直流侧电压源400V，6个全控型器件IGBT构成的逆变桥以及电阻型负载组成。此处IGBT采用双极性正弦脉冲宽度调制SPWM，其脉冲发生器参数设置如图3（b）：调制波频率50HZ，载波频率1KHZ，调制比为0.8。图3（c）为采用四通道示波器观测的S1、S2、S3、S4 4个开关的控制脉冲。逆变输出交流电压波形可通过Multisim软件中的瞬态分析实现，如图3（d），输出电压为多个等幅不等宽的方波近似等效的正弦波。其电压有效值大小的调节可通过调制比设置，频率由调制波频率所决定。Multisim软件还可以对输出波形进行傅里叶分析，测算出所含各次谐波含量，总畸变率等。 4.Multisim在交交变换电路中的典型应用
交流-交流变流电路，可把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，其可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。根据改变目的用途的不同可分为交流调压、调功、调频控制等。目前广泛应用于异步电机的调速、启动控制的变频器，其核心就是交交变频电路。根据中间是否参与直流环节，交交变频又可分为直接变频和间接变频电路，也即交直交变频电路。考虑到全控型器件的大量涌现及其控制性能的优越性，本文以图4（a）所示的电压型交直交变频电路为例，探讨Multisim在交-交变换电路中的应用。图中三相交流电源首先通过三相不控整流生成六脉波直流，经电容稳压后，再通过三相全控桥式逆变电路输出电压、频率均可变的三相交流电源，供三相异步电机调速控制。图4（b）为电路中间直压及输出三相交流电压波形。图4（c）为中间直压波形放大图。从图中可看出原六脉波直压经电容稳压之后，波形变化幅度已大大减小，近似平稳。该交直交变换电路输出交流电压、频率的调节如同逆变电路，通过电压频率的有效控制实现电机各种运行状态的高效调节。
在Multisim仿真软件中，还可以将各种基本电路组合、构造，构成更加复杂的电路，譬如多重化结构等，此处不再一一详述。
四、结语
考虑到电力电子课程教学过程中出现的电路结构复杂、波形多变、种类繁多等教学难题，本文将Multisim仿真软件引入课堂，通过软件建模和仿真，方便学生观察理解和验证课程理论知识。文中结合电力电子课程中四种主要变换电路，通过每种电路中的典型应用重点介绍了Multisim仿真软件在电力电子课程教学过程中的功能、操作及使用。该方法操作简单便捷，不仅可动态的调整参数、结构，实时显示电路各环节波形数值特征，并可以进行多种对比分析，还可以设置故障，帮助学生理解判断问题所在。相比于传统静态手绘式教学，大大提高了教学效率和学生的学习效果。与常规的硬件实验相比较，其元器件丰富，仿真波形精确逼真，且不受空间、时间和物质条件的限制。既不担心元器件的损坏，也没有任何危险性，可充分调动学生的积极性和创造灵感，是一款理想的辅助教学软件。通过该软件的应用，可形成一种新型教学模式，显著提高教学效果，促进电力电子技能型人才的培养。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].第四版.北京：机械工业出版社，2006.
[2]王晓刚，王佳庆.Matlab/Simulink在电力电子交互式教学中的应用[J].电气电子教学学报，2004，26（5）：104-106.
[3]王连英.基于Multsim 10的电子仿真实验与设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.
[4]邓娜，曹红英.MATLAB仿真技术在电力电子技术教学中的应用[J].装备制造技术，2008，（1）：124-125.
[5]张艳艳，袁嫒，夏咏梅.Multsim 软件在《电子技术》课程中的应用[J].重庆文理学院学报（自然科学版），2011，30（4）：91-94.
（责任编辑：刘丽娜）