Multisim8在电力电子技术实验中的应用

....Multisim8在电力电子技术实验中的应用雷跃谭永红[摘要]通过实例介绍了Multisim8在电力电子技术实验中的应用。Multisim8可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，设计与实验可以同步进行。实验中所需元器件的种类和数量不受限制，可方便地对电路参数进行修改和调试。与传统的设计、实验方法相比，Multisim8必将成为电气工程设计人员理想的设计工具，也是高等院校电类专业学生必须掌握的工具软件。[关键词]Multisim8数控逆变斩波电路电力电子技术实验是配合电力电子技术课程教学的一个非常重要的教学环节，通过实验能够巩固电力电子技术基础理论知识，培养学生的实践技能、动手能力和分析问题、解决问题的能力，启发学生的创新意识及创新思维。随着电力电子技术的不断发展，电力电子技术已成为高科技的一个分支，而且还是许多高科技的支撑。因此，我们应该打破传统的教学手段，引入新的教学辅助手段——计算机设计与仿真技术，以提升电力电子技术实验的教学水平。在目前应用的计算机设计与仿真软件当中，Multisim8是一款功能强大、最容易推广的工具软件。1.Multisim8简介Multisim8由EWB（EletronicsWorkbench即虚拟电子实验室）发展而来，它经历了EWB5.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8的升级过程。Multisim8不仅继承了EWB界面直观、操作方便、易学易用的优点，还大大地丰富了器件库和仪器库，增强了软件的仿真测试和分析功能。更重要的是Multisim8使电路原理图的仿真与完成PCB设计的Ultiboard8仿真软件结合构成了新一代的EWB软件。由于Multisim8具有19种虚拟仿真仪器仪表、18种分析方法、以及强大丰富的元器件库。将其引入电力电子技术实验教学，不仅能够替代实验室中的多种传统仪器，而且可以实现“软件虚拟实验室”，即只要有一台计算机并安装上Multisim8软件，就可以构成一个虚拟的实验工作台。这样在实验项目的开发上与传统的方法相比具有灵活多样，低成本高效率的优势。2.Multisim8应用实例Multisim8将原理图创建，电路的测试分析和结果的图表显示全部集成到一个电路窗口中，整个操作界面就像一个实验工作台。在这个实验台上有元件库，有测试仪器库，有进行仿真分析的各种操作命令。下面以数控逆变电路、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）斩波电路为例介绍Multisim8在电力电子技术实验中的应用。2.1Multisim8在数控逆变电路中的应用在电力电子技术应用中逆变是最活跃的研究领域。逆变电路分为有源逆变和无源逆变。电路的交流侧与电网直接相连，直流电逆变成与电网同频率的交流电反送回电网，这种逆变称为有源逆变。有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线式转子异步电动机的串级调速以及高压直流输电等领域；无源逆变是将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电直接供给负载。无源逆变主要用于变频电路、不间断电源UPS、开关电源和逆变电焊机等方面。图1是在Multisim8中创建的一种带滤波器的DC-AC数控逆变电路，为无源逆变。2个MOSFET功率开关管的栅极与数字逻辑驱动电路连接。数字逻辑驱动电路是由555集成时基振荡器和D触发器二分频电路组成，经Q1、Q2放大送到Q3、Q4的栅极。当电路起振时，Q3、Q4的栅极分别产生高、低电平，使它们轮流导通，在逆变变压器的次级负载得到交变电压，实现逆变。振荡频率取决于555集成时基振荡器的电阻、电容，调节R2就能使负载得到频率可调的交变电压。选择合适的变压器就可得到所需的电压值。2.1.1创建仿真电路过程....（1）在桌面上双击“Multisim8”图标进入Multisim8的主窗口。（2）在工作电路区放置元器件。从相应元器件库选取元器件，双击元器件便可进行相应的参数设置。（3）连接元器件。将鼠标移动到所需连接的器件的某一引脚上，这时鼠标指针会变成中间有实心黑点的十字型。单击鼠标后，再次移动鼠标，就会拖出一条黑虚线，将此黑虚线移动到所要连接的元件的引脚时，再次单击鼠标，这时就会将两个元器件的引脚连接起来。2.1.2仿真测试与分析图1中的R2设置为4.9K，使负载的频率为50.311Hz。RP调节的方法：双击R2在其对话框中设置：Key=A、Increment为1%、Resistance为10K，然后，直接按键盘A键一次，R2就按1%的步进增加；同时按Shift键和A键，R2就按1%的步进减少。启动Multisim8的仿真开关，或单击Simulate/Run，图1的电路仿真开始。分别双击数字频率计图标XFC1、双踪示波器图标XSC1、XSC2、XSC3，就可得到负载的频率、振荡器、分频器、Q3、Q4的栅极、负载的波形如图2、图3、图4、图5所示。可以看出电路的仿真结果：负载两端的交流电压有效值为70.545伏（U2的读数）、频率为50．311Hz；A点振荡器输出波形的频率是B点分频器输出波形的两倍；Q3、Q4栅极波形的相位正好相差1800；负载输出电压近似为正弦波。关闭Multisim8的仿真开关，或再单击Simulate/Run，仿真结束。利用Multisim8的傅里叶分析方法对图1的16节点输出信号进行分析。单击Simulate/Analysis/FourierAnalysis,在FourierAnalysis对话框中设置傅里叶分析时的有关采样参数和显示方式。其中，基频设置为50Hz，谐波的次数取9次，选择Estimate，即仿真软件自动给出停止取样的时间，同时在Outputvariables中选择节点16为仿真分析变量。然后，单击FourierAnalysis对话框中的Simulate按钮，就会得出该电路的频谱图如图6所示。创建电路、编辑电路、仿真分析等工作完成后，就可以将电路文件存盘。存盘的方法与其他Windows应用软件一样，第一次保存新创建的电路文件时，默认的文件名为Circuit.ms8,当然，也可以更改文件名和存放路经。....U3LMC555CHGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2U41uFU50.01uFVCC5VV215VR44kR710kR810kU6A74HC74N_6V1D21Q5~1Q6~1CLR11CLK3~1PR4R2Key=A10k49%ABCXSC2ABGTV115VR11kC110uFXSC3ABGTQ3ZVN3310FQ4ZVN3310FU2AC10M70.545V+-U1DC10M7.769V+-1000042VCC100XSC1ABGTT1TS_PQ4_12678U7AC1e-0090.248A+-90Q1MJ16010Q2MJ160101250014313XFC1123L20.5mH1516图1带滤波器的DC-AC数控逆变电路图2负载的频率....图3A、B点的波形图4Q3、Q4栅极的波形....图5Q4栅极波形、负载波形图6傅里叶分析结果2.2IGBT斩波电路在Multisim8中创建IGBT斩波实验电路如图7所示。220V电源经变压器降压到80V左右（U1的读数）,再由二极管桥式整流、电容滤波获得直流电源。控制IGBT通断就可调节占空比（τ/T），从而使输出直流电压得到调节。控制电路采用Multisim8中的电压控制电压源V2控制，电压控制电压源V2受脉冲电压源V3控制。用鼠标双击V3可以打开V3的对话框，如图8所示，在对话框中可以修改脉冲宽度、上升时间、下降时间和脉冲电压等参数。修改PulseWidth(脉冲宽度)参数，可以改变IGBT的导通时间。例如：PulseWidth(脉冲宽度)取1.5msec、Period（周期）取3msec时，占空比为50%。....图7中的负载，可以根据实验的需要改变。比如将100W的灯改为60W，只需用鼠标双击X1弹出VIRTUAL_LAMP对话框，在Value标签页中修改即可。若要将灯泡负载变为电动机负载（空载），只需选定X1，按Delete键即可删除灯泡负载，然后将电动机负载U4接入。电动机参数设置：双击U4，弹出RATED_VIRTUAL对话框，在Value标签页中设置。不同负载、不同占空比的仿真实验结果如表1、表2所示，表中U0为负载两端电压。V1220V50Hz0DegT1NLT_PQ_4_56D11N4007D21N4007D31N4007D41N4007C1220uFD51N4148R110kC233uFQ1IRG4BC40WV21V/VXSC1ABGTV30V15V1.5msec3msecU4981X1120VD61N4148U1DC10M81.338V+-U2DC10M41.359V+-020610437图7IGBT斩波实验电路表1不同负载、不同占空比的波形记录负载（灯泡）占空比50%占空比100%U0/VUA波形U0波形U0/VUA波形U0波形100W43V74V60W44V同上同上77同上同上表2电动机在不同占空比下的直流电压数据τ/T50%70%100%U0/V24V27V29V....图8V3对话框3.结语将计算机设计与仿真软件Multisim8引入高等院校电力电子技术实验教学当中，可以很好地解决电力电子器件日新月异地变化，而实验室的装置不可能即时更新的矛盾。利用计算机仿真的优越性，将一些目前暂时还无法实现的实验装置运用计算机来模拟。通过计算机在这些实验中的应用，提高了学生对电力电子技术实验的兴趣。加深了对该课程的理解，同时也巩固和拓宽了学生对计算机的应用能力，便于学生进行综合性的设计和实验，有利于培养学生的综合分析能力、开发和创新的能力。Multisim8对仿真验证正确的电路图可直接导入Multisim8配套使用的印刷电路板软件Ultiboard8进行PCB板自动布线。参考文献[1]（美）拉希德.电力电子技术手册[M].机械工业出版社，北京,2004.[2]石新春,杨京燕,王毅.电力电子技术[M]，中国电力出版社，北京，2006.[3]王冠华，王伊娜.Multisim8电路设计及应用[M]，北京，国防工业出版社，2006.[4]杨欣,王玉凤,刘湘黔.电路设计与仿真-----基于Multisim8与Protel2004.北京:清华大学出版社，2006.[5]雄伟，候传教，梁青等.Multisim7电路设计及仿真应用[M]，北京：清华大学出版社，2005.[6]陈先荣，EWB在电子技术实验中的辅助教学应用[J].实验技术与管理，2006，23（10）：88-90.[7]王智忠，EWB仿真实验在电工学课程理论教学中的应用[J]，实验技术与管理，2006，（8）：91-94.[8]范爱平，Multisim2001在电力电子仿真技术中的应用[J]，实验室研究与探索，2004，23（5）：11-13.（原刊于《实验技术与管理》2007年第10期）