摘 要：為了能直觀、全面了解對稱三相電路的特點(diǎn)并加深理解中線在不對稱三相電路中的作用，采用Multisim軟件對三相電路仿真的方法，通過萬用表的測量值以及示波器的實(shí)時(shí)波形，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并驗(yàn)證理論；與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作相比，該方法不僅無危險(xiǎn)性，而且具有許多實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作無可比擬的優(yōu)勢，對提高教學(xué)效果具有十分重要的作用。

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關(guān)鍵詞：三相電路； Multisim； 電路仿真； 中線； 教學(xué)效果

中圖分類號：TN710-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0189-03

Application of Multisim in three-phase circuit

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JI Ming-xia， CHEN Shi-xia， GAO Yu-zhang

(Qingdao Branch， Navy Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266041， China)

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Abstract：

In order to understand the characteristics of three-phase circuit visually and roundly， and make students understand the effects of midline in asymmetry three-phase circuit， The Multisim was used to simulate three-phase circuit. The results of experiment are analyzed and the theory is validated through the value of multimeter and the waves of oscillograph. It is safe and has many advantages by contrast to actual management in the experiment lab. It is very important to improve the effect of teaching.

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Keywords： three-phase circuit; Multisim; simulation; midline; effect of teaching

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收稿日期：2011-07-29

0 引 言

三相電路在工程上和日常生活中應(yīng)用廣泛，在電路課程中也是重要的一部分內(nèi)容[1-3]，為加深對三相電路特性的了解，尤其是對中線在非對稱三相電路中的作用的理解，在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，往往在理論分析的基礎(chǔ)上，安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但是由于三相電路供電電壓都在220 V以上，所以實(shí)際操作危險(xiǎn)性較高，尤其是對于非對稱三相三線制中一相短路的情況，若要驗(yàn)證其他兩相的工作情況，不僅會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲甚至?xí)p壞裝置。若用Multisim軟件對其仿真，不僅安全可靠，克服實(shí)物實(shí)驗(yàn)的許多不足，而且形象直觀，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4-5]。

1 Multisim的簡介

Multisim是加拿大IIT公司推出的電子線路仿真軟件EWB的升級版，它把電路圖的創(chuàng)建、電路的測試分析和仿真結(jié)果等內(nèi)容集成在一個(gè)電路窗口中。Multisim的元器件庫提供了數(shù)千種類型的元器件，其中的虛擬元器件可根據(jù)需要任意修改元件參數(shù)，甚至用戶還可以創(chuàng)建新元件。Multisim還提供了眾多的虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、安捷倫儀器、信號發(fā)生器等，其功能與實(shí)際儀表相同，可方便地進(jìn)行電路的仿真測試分析。Multisim的電路分析功能十分強(qiáng)大，能進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、交流分析、傅里葉分析、噪聲分析等多種分析[6-7]。

將Multisim引入電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，利用其強(qiáng)大的仿真功能，對課程的重點(diǎn)難點(diǎn)電路進(jìn)行電路仿真是一條行之有效的思路。

2 三相電路的仿真

三相電路主要有三相四線和三相三線制兩種連接形式，由于電源一般是對稱的，所以根據(jù)負(fù)載是否對稱又分為對稱和非對稱三相電路[2]。日常生活中應(yīng)用的電路，譬如照明電路，由于很難保證負(fù)載對稱，所以常采用三相四線制，即必須加中線。課程設(shè)計(jì)中安排三相電路實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)除了驗(yàn)證對稱三相電路中各相電壓和電流是對稱的外，還有兩個(gè)主要目的：一是有中線情況下，驗(yàn)證負(fù)載對稱和不對稱條件下各相負(fù)載的變化情況；二是無中線情況下，驗(yàn)證負(fù)載對稱和不對稱條件下各相負(fù)載的變化情況，以便讓學(xué)生更深入了解日常生活應(yīng)用中必須加中線的意義。

2.1 對稱三相電路正常工作時(shí)的仿真

分別按照圖1、圖2搭建對稱三相四線制電路和對稱三相三線制電路，三相負(fù)載采用3個(gè)100 W/220 V的燈泡連接成“Y”型接法，三條火線上接1 A的保險(xiǎn)絲，并分別串聯(lián)萬用表，以便同時(shí)觀察三相電流以及中線電流的情況。

搭電路時(shí)需注意：萬用表應(yīng)設(shè)置成交流AC模式，且選擇電流檔位；選燈泡時(shí)不能選擇實(shí)際器件LAMP，而應(yīng)該選擇虛擬器件VIRTUAL-LAMP，并將其Property改為需要的參數(shù)。

從理論上講對稱三相電路，不管是三線制還是四線制，各相負(fù)載兩端電壓以及通過的電流都是對稱的，即大小是相等的，四線制中中線電流應(yīng)為零。為了分析方便，只仿真電流，仿真的結(jié)果如圖1，圖2所示，可知兩種情況下三相負(fù)載中的電流相等皆為454.583 mA，中線電流為0.512 fA也約等于零(主要是誤差造成的)。由測量結(jié)果學(xué)生很容易得到這樣的結(jié)論：對于對稱的三相電路在電路正常工作的情況下，不管是否加中線三相負(fù)載中的電流或電壓都沒有發(fā)上變化，即中線不起作用，可去掉。

圖1 對稱三相四線制電路圖

圖2 對稱三相三線制電路圖

2.2 對稱三相電路某一相發(fā)生故障時(shí)的仿真

對于不對稱三相電路有多種情況，著重通過分析其中某一相負(fù)載斷路或短路兩種情況加以仿真，從而說明實(shí)際生活中為什么都采用加中線的形式。

2.2.1 一相短路三相負(fù)載的變化情況

理論上，對于有中線的三相四線制電路短路相會(huì)出現(xiàn)燒壞保險(xiǎn)絲的現(xiàn)象，而其余兩相不會(huì)受影響；對于無中線的三相三線制電路，則另外兩相也會(huì)受到嚴(yán)重影響，即由于一相短路，加在負(fù)載上的電壓由原來的額定相電壓220 V變?yōu)榫€電壓380 V，導(dǎo)致另外兩相的保險(xiǎn)絲燒毀。為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，分別按照圖3、圖4搭建三相四線制電路和三相三線制電路，對于三相三線制電路，按圖4搭建電路時(shí)省去保險(xiǎn)絲，以便通過燈泡的工作情況更明顯觀察無中線對電路的影響。

實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果如圖3，圖4所示。對于圖3仿真的數(shù)據(jù)可以看出，對于有中線的三相電路，發(fā)生短路一相的的保險(xiǎn)絲被燒斷，燈泡不亮，其余兩相的燈泡正常發(fā)光，萬用表測得兩端電壓約為220 V，即非故障的兩相正常工作；而對于圖4仿真的結(jié)果可以明顯看到若沒有中線，在其中一相短路時(shí)，另外兩相的燈泡全部燒毀，即非故障兩相受到嚴(yán)重影響，不能正常工作。

圖3 三相四線制一相短路電路圖

圖4 三相三線制一相短路電路圖

2.2.2 一相斷路三相負(fù)載的變化情況

理論上，對于有中線的三相四線制電路，如果出現(xiàn)一相斷路，另外兩相由于每相的工作電壓不變，所以皆不受斷路相影響，能正常工作，但由于三相電流不對稱，故中線電流不再為零。對于無中線的三相三線制電路，則當(dāng)一相發(fā)生斷路時(shí)，其余兩相負(fù)載相串聯(lián)加在線電壓380 V上，故各自的電壓小于額定電壓220 V，雖然不能燒壞電路，但是通過的電流減少，負(fù)載也不能正常工作。

圖5，圖6分別是三相四線制和三相三線制一相斷路時(shí)的仿真電路以及仿真結(jié)果，從圖5可以看出當(dāng)A相斷路時(shí)，B、C兩相的燈泡正常閃爍，從其兩端的電壓波形可以看出B、C兩相端電壓與圖1完全相同，但是由于負(fù)載不對稱，所以中線電流不為零，約為430 mA。圖6可以看出，B、C兩相的燈泡雖然也閃爍，但是與圖5的波形圖相對比，可以看出其兩端的電壓值比正常值小了很多，有效值約為190 V左右。

圖5 三相四線制一相斷路電路圖及波形圖

圖6 三相三線制一相斷路電路圖及波形圖

從圖3~圖6仿真結(jié)果可以看出，對于負(fù)載不對稱的三相電路，若采用三相三線制，則各相之間相互影響，會(huì)導(dǎo)致不能正常工作，若采用三相四線制，則三相之間互不影響，所以實(shí)際應(yīng)用中對于電源為星形接法的三相電路，常采用三相四線制接法，即必須加中線，同時(shí)為了保證負(fù)載可以正常工作，在中線上不能安裝開關(guān)和熔斷器。

3 應(yīng)用Multisim仿真三相電路的優(yōu)點(diǎn)

3.1 安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益高

三相電路中的電源為市電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體安全電壓，在實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)，學(xué)生搭電路不可避免會(huì)出現(xiàn)線路連接錯(cuò)誤或者儀器儀表使用操作不當(dāng)?shù)那闆r，輕則燒毀保險(xiǎn)絲，重則燒壞測量儀表等設(shè)備，甚至稍有不慎易造成人身觸電。應(yīng)用Multisim進(jìn)行仿真，即使連接錯(cuò)誤或操作不當(dāng)，也只需根據(jù)軟件的提示修改線路即可，既無危險(xiǎn)性又提高實(shí)驗(yàn)效率，且節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)資源[8-9]。

3.2 彌補(bǔ)實(shí)際操作的不足

對于三相三線制中一相短路的實(shí)驗(yàn)，由于肯定會(huì)燒毀另外兩相的保險(xiǎn)絲，所以在實(shí)驗(yàn)室是不進(jìn)行實(shí)際的操作，僅是從理論上進(jìn)行分析。但是利用Multisim則可以進(jìn)行仿真，學(xué)生可以形象直觀地觀測到燈泡燒壞的現(xiàn)象，更有助于加深他們對中線作用的理解。

3.3 同時(shí)測量多變量，便于分析

充分利用Multisim中的虛擬儀器，仿真過程中可根據(jù)需要利用多塊儀表同時(shí)測量三相負(fù)載中的電壓或電流量，甚至于可以利用示波器觀察每相電壓、電流的波形，便于學(xué)生比較分析，加深理解。但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)室操作由于硬件條件的限制，每個(gè)人只能有一塊萬用表，若要測量三相電流則需要分三次測量依次記錄，再根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行比較，顯然沒有Multisim仿真形象、直觀、方便。

4 結(jié) 語

將Multisim仿真應(yīng)用于三相電路的實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)驗(yàn)過程接近實(shí)際操作，而且形象、直觀、無危險(xiǎn)性[10]，不僅可以解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無法操作的難點(diǎn)，而且可以提高學(xué)生的興趣，加深學(xué)生對理論知識的理解，對于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，提高教學(xué)效果也具有非常重要的作用，是進(jìn)行電路分析的一個(gè)有效手段。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］邱關(guān)源.電路［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

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［2］秦曾煌.電工學(xué)(上冊)［M］.6版.北京:高等教育出版社，2007.

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［3］NILSSON James W， RIEDEL Susan A. Electric circuits [M]. [S.l.]: Prentice Hall， 2001.

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［4］孫曉艷.基于Multisim的電子電路課堂教學(xué)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(24):142-144.

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［5］聶典.Multisim 10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

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［6］常華，袁剛，常敏嘉.仿真軟件教程：Multisim和Matlab［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

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［7］熊偉，侯傳教.Multisim電路的設(shè)計(jì)及其仿真應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

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作者簡介：

紀(jì)明霞 女，1971年出生，山東海陽人，教員。主要從事電子技術(shù)教學(xué)與研究。