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Multisim仿真在电力电子教学中的应用

2021-01-12周晓燕

无线互联科技 2020年24期
关键词:器件电路实验教学

张 民,周晓燕

(青岛理工大学 信息与控制工程学院,山东 青岛 266000)

0 引言

当前社会应用型本科人才紧缺,各大高校都普遍加强实践教学,重点培养应用型人才。实践教学是培养学生实践能力和创新能力的重要手段,并且能够很好地提高学生社会职业素养和就业竞争力[1]。“电力电子技术”是一门专业基础课程,与工程应用紧密相关,因此注重专业基础训练和工程素质培养,加强“电力电子技术”应用型改革是课程建设的重要任务之一。

1 教学过程中存在的问题

1.1 缺乏创新性

在传统的“被动”教学模式下,电力电子的课堂气氛不容易活跃起来。此外,电力电子的相关知识比较难以理解消化,特别是“电力电子技术”理论知识无法与工程应用实践有效结合。因此,许多学生在整个过程中无法掌握“电力电子技术”课程知识的整体知识结构以及把握其中的认知规律。传统的教学模式加上抽象的知识体系,会让学生学习这方面的知识感到枯燥和畏怯。因此,学生们学习“电力电子技术”课程有一定的难度。

1.2 对整体的综合教学内容需要进行一定程度的优化

对课程的整体教学内容需要进行一定程度的优化,这是确保理论知识的学习与实际应用衔接的重要方式,对学生的知识体系的构建以及动手能力的培养有显著的作用。然而,这一优化过程需要准备的内容较多,使得教师的工作时间占用较大,进而大大降低教师往这一方向靠近的积极性。为减少工作量,教师们往往每年的实验设计都用同一套题目。随着时间的推移,学生们往往会嫌实验教学题目老旧,提不起学习兴趣,甚至抄袭往届生的实验报告,草草应付了事。教师也因此不能清晰把握学生的实际学习掌握情况。

1.3 未来的实验教学方式

电力电子的实验教学需要的实验设备基本是功率器件,比如三相电源、晶体管、电解电容等。这些器件不仅价格较高,而且如果实验过程中操作不当,容易出现炸机事故,影响学生的人身安全。因此,在实验教学上,要注重利用仿真软件的应用。仿真软件中的元器件和真实的物理工作原理基本一致,学生在计算机上进行仿真可以保证学习过程中的安全性[2]。学生先将设计好的拓扑电路在仿真软件上进行搭建,先验证仿真效果。在仿真效果较好的情况下,再进行实验实际电路的搭建。这样可以保证实验的顺利进行。通过实验与仿真软件的结合,是提升电力电子实验教学未来趋势。

2 Multisim仿真软件

2.1 Multisim仿真软件的特点

电力电子的知识比较抽象,对刚刚开始接触这方面知识的学生来说不好掌握。此外“电力电子电路”是电类学科的基础科目,对其他课程的学习具有前期铺垫的作用,如果“电力电子电路”没有掌握好,则很难继续后续课程的学习。电力电子不仅具有理论知识难,还具备工程实践性强的特征。对学生的学习要求是理论储备和工程实践两手抓。仅靠实验室现有的设备往往会出现设备不足,且设备单一。仿真软件Multisim则可以有效摆脱传统实验教学这一困境,它具备:(1)软件中的器件图形形象直观;(2)具有的器件种类多样;(3)测量器件多;(4)分析实验波形图的方法丰富多样;(5)仿真速度快。利用Multisim进行辅助教学,学生可以根据实际工程指标,设计多种电力电子电路,并且验证设计的效果,为学生的电力电子学习插上飞翔的翅膀,有利于提高教师的教学质量。

2.2 Multisim仿真软件功能

Multisim是一款基于Windows操作系统的电子设计开发软件,使用简单、操作方便,因此得到了广泛的应用[3]。相比于Saber仿真软件,Multisim功能丰富,操作简单,它拥有丰富的电子元器件库,给电子开发工程人员带来了极大的便利。运用Multisim仿真软件可以较为理想的近似于实验环节,既保证了实验理论的真实性,又避免出现实验过程中遇到的安全性问题。

利用普通仿真软件进行仿真电路拓扑的仿真时,经常会使用到虚拟仪表进行相关参数的测量,确定电路结构是否到达预期的要求[4]。但是这些虚拟仪器一般只能进行常规参数的测量,例如电压、电流、频率及仿真波形等,测量结果具有一定的偶然因素,无法全面、系统的反映电路的完整工作特性,具有一定的局限性。而对于Multisim仿真软件而言,它不仅可以提供常规参数的测量功能,还可以进行完成电路结构在工作过程中的动态性能,仿真效果十分明显。

3 仿真实例

3.1 仿真电路模型的搭建

本文仿真实例选择了一种升压电路进行仿真研究,利用Multisim仿真软件建立了如图1所示的仿真原理图,其中各个器件仿真参数如表1所示。

图1 升压电路仿真分析原理

根据图1显示的改进型升压模块原理图,直流侧输入电压为10 V,直通占空比设计为0.45,输出侧电压值经万用表XMM1测量显示为100 V左右,经示波器显示为99.468 V左右,输出侧电压结果满足误差范围,输出电压值满足理论电压升压比分析公式。

表1 器件参数设置

3.2 波形结果显示

如图2所示为PWM驱动信号波形与开关管DS间电压波形,从图中可以看出,本次仿真占空比设定值为0.45,开关管导通电压为48 V。当驱动信号上升沿到来时,MOS管处于导通状态,DS端电压近似为0;当驱动信号下降沿到来时,MOS管关断,DS两端存在一定的管压降,符合实际分析结论。

图2 PWM驱动与开关管ds间压降电压波形对比

4 结语

通过Multisim仿真软件进行仿真时,可以培养学生进行“电力电子技术”的相关设计兴趣,通过仿真原理图搭建,让学生学会电路设计时的参数选型,进一步掌握电路的工作原理。最后引导学生通过一个系统、全面的方案进行一次完整的电路设计,可以进一步加深学生的理论学习效果,同时还可以进一步培养学生的动手能力与兴趣,培养学生的学习兴趣。同时为学生进行创新训练提供了一定的工具平台。在后续搭配适当的实验课程,将会取得事半功倍的教学效果[5]。

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