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Proteus仿真軟件在《電工基礎》教學中的應用

文/珠海市理工職業(yè)技術(shù)學校劉春龍

Proteus軟件是由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA軟件，我們可以在其主頁上免費下載試用版。Proteus包括原理圖編輯（SCH）、印制電路板（PCB）布線、電路虛擬仿真（VSM）等功能，而我們這里主要使用其虛擬仿真功能，其他功能可與PROTEL99結(jié)合進行學習。與其他仿真軟件相比較（如Mutisim2001、PROTEL）Proteus的優(yōu)點更突出。

一、借助Proteus仿真，創(chuàng)設虛擬實驗環(huán)境

《電工基礎》課程中的概念多、分析計算多，較多的理論講授和數(shù)學推導很難引起學生主動學習的興趣。Proteus中具有常見的電路元器件及儀表，如交直流信號發(fā)生器、交流電壓表、交流電流表、直流電壓表、直流電流表、示波器等，這些電路元器件完全可以滿足《電工基礎》課程仿真實驗的需要。將Proteus應用于《電工基礎》課程中，可以增強學生對電路的感性認識，加深學生對電路基本定理的理解，學會電路分析的基本方法，使枯燥無味的理論教學變得直觀生動。

例如，一階動態(tài)電路的分析是《電工基礎》課程中的一個難點，理論的推導枯燥且不直觀。在分析電路之前，通過Proteus仿真演示可以顯示一階電路的充、放電響應過程，使學生獲得直觀的了解。在Proteus仿真環(huán)境中繪制一階RC電路圖，開關(guān)處于閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)。

電容的充放電現(xiàn)象的理解。在仿真時，我們可以見到電容兩端“+”和“-”不斷增加和減少，表示電荷的增加或減少，同時負載兩端并聯(lián)一個電壓表的計數(shù)也不斷增大或減小，這表明電容C正在充電或放電。

在《電工基礎》教學中采用Proteus仿真軟件，創(chuàng)造了虛擬實驗環(huán)境條件，讓學生在仿真中獲得理論知識，在虛擬實驗中提高動手能力。

下面以幾個具體實例來說明一下如何借助Proteus仿真軟件進行電工基礎的演示教學。

二、直流電路的PROTEUS仿真——基爾霍夫定律

《電工基礎》課程在介紹了電路的基本概念和基本定律后，重點介紹了直流電路的分析方法。學生在初中物理學習過簡單的直流電路，先讓學生熟悉Proteus仿真軟件，然后讓學生在教師的指導下進行畫Proteus原理圖以及動畫仿真。

基爾霍夫電流定律（KCL）：在電路中，對任意節(jié)點或閉合面來說，流入節(jié)點或閉合面的電流恒等于流出節(jié)點或閉合面的電流。

基爾霍夫電壓定律（KVL）：在任意瞬間，在任意閉合回路中，沿任意環(huán)形方向（順時針或逆時針）回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于0。

基爾霍夫電壓和電流定律實訓電路如圖（省略）。

基爾霍夫電流定律（KCL）：

由仿真電路圖的仿真結(jié)果可知，I2=1.45mA、I1=0.14mA、I3= 1.32mA

I2=I1+I3=0.14mA+1.32mA=1.45mA

基爾霍夫電壓定律（KVL）：

由仿真電路圖的仿真結(jié)果可知，E1=4.5V、E2=7V、UR1=0.14V、UR2=4.36V、UR3=2.64V

E1=UR1+UR2=0.14V+4.36V=4.5V

E2=UR2+UR3=4.36V+2.64V=7V

顯然，運用Proteus軟件可以非常容易計算電路在任一支路的電流，以及任一點的電位，只要我們在相關(guān)的地方放置電流探針和電壓探針即可。由此可見，Proteus軟件可以幫助我們深刻認識電路工作過程，消除學習上的模糊感覺，激發(fā)學生學習的興趣。但我們并不希望直接告訴學生一個答案，而是讓Proteus作為一個學習的輔助工具，學生知道電流、電壓的計算方法還是非常必要的。

三、三相電路的PROTEUS仿真分析

三相電路是指三相電源和三相負載構(gòu)成的電路，包括對稱三相電路和不對稱三相電路。選擇三相電源（50Hz，220V）、電阻等創(chuàng)建對稱三相電路（Y-Y接法）。

創(chuàng)建不對稱三相電路，如圖6所示。線路阻抗為500Ω，三相負載分別為1kΩ、2kΩ、5kΩ。選用交流電壓表分別測量負載R2、R4、R6的兩端電壓，測量結(jié)果為有效值。負載R2兩端電壓的有效值為142V；同理，R4兩端電壓的有效值為171V，R6兩端電壓的有效值為200V。經(jīng)換算得到，負載R2吸收的有功功率為20.16W，負載R4吸收的有功功率為14.62W，負載R6吸收的有功功率為8W，則三相負載吸收的功率為42.78W。

說明：因Proteus仿真軟件未提供瓦特表，故可用電壓表測量負載電壓（或用電流表測量負載電流），再換算為功率。

上述以電工基礎中典型的定律、定理和電路為例，并選擇合適的仿真分析方法進行仿真，有一定的代表性并起到拋磚引玉的作用，力求使讀者受到啟發(fā)。

責任編輯潘孟良

負載端電壓測量：用模擬分析圖表進行測量，波形如圖（省略）。

三相電路的功率測量：若為對稱三相電路，則其功率測量較簡單，只要測出一相負載功率，就很容易得到三相負載的功率。若為不對稱三相電路，則需分別測量三相負載的功率。本文以不對稱三相電路為例，說明三相電路的功率測量方法。