Multisim8 在电力电子技术实验中的应用

Multisim8Multisim8 在电力电子技术实验中的应用在电力电子技术实验中的应用 雷 跃 谭永红 摘摘 要要 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 Multisim81 Multisim8 简介简介 Multisim8由EWB Eletronics Workbench即虚拟电子实验室 发展而来 它经历了EWB 5 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 Multisim82 Multisim8 应用实例应用实例 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 Multisim 8 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 Fourier Analysis 在 Fourier Analysis 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 Output variables 中选择节点 16 为仿真分析变量 然后 单击 Fourier Analysis 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 U3 LMC555CH GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 U4 1uF U5 0 01uF VCC 5V V2 15 V R4 4k R7 10k R8 10k U6A 74HC74N 6V 1D 2 1Q 5 1Q 6 1CLR 1 1CLK 3 1PR 4 R2 Key A 10k 49 A B C XSC2 AB G T V1 15 V R1 1k C1 10uF XSC3 AB G T Q3 ZVN3310F Q4 ZVN3310F U2 AC 10M 70 545 V U1 DC 10M 7 769 V 10 0 0 0 4 2 VCC 1 0 0 XSC1 AB G T T1 TS PQ4 12 6 7 8 U7 AC 1e 009 0 248 A 9 0 Q1 MJ16010 Q2 MJ16010 12 5 0 0 14 3 13 XFC1 123 L2 0 5mH 1516 图 1 带滤波器的 DC AC 数控逆变电路 图 2 负载的频率 图 3 A B 点的波形 图 4 Q3 Q4 栅极的波形 图 5 Q4 栅极波形 负载波形 图 6 傅里叶分析结果 2 2 IGBT 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 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 Pulse Width 脉冲宽度 参数 可以改变 IGBT 的导通时间 例如 Pulse Width 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 V1 220 V 50 Hz 0Deg T1 NLT PQ 4 56 D1 1N4007 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 C1 220uF D5 1N4148 R1 10k C2 33uF Q1 IRG4BC40W V2 1 V V XSC1 AB G T V3 0 V 15 V 1 5msec 3msec U4 98 1 X1 120 V D6 1N4148 U1 DC 10M 81 338 V U2 DC 10M 41 359 V 0 2 06 10 4 3 7 图 7 IGBT 斩波实验电路 表 1 不同负载 不同占空比的波形记录 占空比 50 占空比 100 负载 灯泡 U0 V UA波形U0波形 U0 V UA波形U0波形 100W43V74V 60W44V 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 T50 70 100 U0 V24V27V29V 图 8 V3 对话框 3 3 结语结语 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 Multisim 8 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 Multisim 8 与 Protel 2004 北京 清华大学出版