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        Proteus仿真軟件在《電工基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用

        2016-11-19 19:49:40劉春龍
        師道·教研 2016年4期
        關(guān)鍵詞:基爾霍夫電工基礎(chǔ)端電壓

        劉春龍

        Proteus軟件是由英國(guó)Lab Center Electronics公司開(kāi)發(fā)的EDA軟件,我們可以在其主頁(yè)上免費(fèi)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(jìn)行學(xué)習(xí)。與其他仿真軟件相比較(如Mutisim2001、PROTEL)Proteus的優(yōu)點(diǎn)更突出。

        一、借助Proteus仿真,創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

        《電工基礎(chǔ)》課程中的概念多、分析計(jì)算多,較多的理論講授和數(shù)學(xué)推導(dǎo)很難引起學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。Proteus中具有常見(jiàn)的電路元器件及儀表,如交直流信號(hào)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(chǔ)》課程仿真實(shí)驗(yàn)的需要。將Proteus應(yīng)用于《電工基礎(chǔ)》課程中,可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路的感性認(rèn)識(shí),加深學(xué)生對(duì)電路基本定理的理解,學(xué)會(huì)電路分析的基本方法,使枯燥無(wú)味的理論教學(xué)變得直觀生動(dòng)。

        例如,一階動(dòng)態(tài)電路的分析是《電工基礎(chǔ)》課程中的一個(gè)難點(diǎn),理論的推導(dǎo)枯燥且不直觀。在分析電路之前,通過(guò)Proteus仿真演示可以顯示一階電路的充、放電響應(yīng)過(guò)程,使學(xué)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(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)。

        電容的充放電現(xiàn)象的理解。在仿真時(shí),我們可以見(jiàn)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(shí)負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表的計(jì)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(chǔ)》教學(xué)中采用Proteus仿真軟件,創(chuàng)造了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件,讓學(xué)生在仿真中獲得理論知識(shí),在虛擬實(shí)驗(yàn)中提高動(dòng)手能力。

        下面以幾個(gè)具體實(shí)例來(lái)說(shuō)明一下如何借助Proteus仿真軟件進(jìn)行電工基礎(chǔ)的演示教學(xué)。

        二、直流電路的PROTEUS仿真——基爾霍夫定律

        《電工基礎(chǔ)》課程在介紹了電路的基本概念和基本定律后,重點(diǎn)介紹了直流電路的分析方法。學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)過(guò)簡(jiǎn)單的直流電路,先讓學(xué)生熟悉Proteus仿真軟件,然后讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行畫(huà)Proteus原理圖以及動(dòng)畫(huà)仿真。

        基爾霍夫電流定律(KCL):在電路中,對(duì)任意節(jié)點(diǎn)或閉合面來(lái)說(shuō),流入節(jié)點(diǎn)或閉合面的電流恒等于流出節(jié)點(diǎn)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(shí)針或逆時(shí)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(shí)訓(xùn)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(yùn)用Proteus軟件可以非常容易計(jì)算電路在任一支路的電流,以及任一點(diǎn)的電位,只要我們?cè)谙嚓P(guān)的地方放置電流探針和電壓探針即可。由此可見(jiàn),Proteus軟件可以幫助我們深刻認(rèn)識(shí)電路工作過(guò)程,消除學(xué)習(xí)上的模糊感覺(jué),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。但我們并不希望直接告訴學(xué)生一個(gè)答案,而是讓Proteus作為一個(gè)學(xué)習(xí)的輔助工具,學(xué)生知道電流、電壓的計(jì)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(fù)載構(gòu)成的電路,包括對(duì)稱三相電路和不對(duì)稱三相電路。選擇三相電源(50Hz,220V)、電阻等創(chuàng)建對(duì)稱三相電路(Y-Y接法)。

        負(fù)載端電壓測(cè)量:用模擬分析圖表進(jìn)行測(cè)量,波形如圖(省略)。

        三相電路的功率測(cè)量:若為對(duì)稱三相電路,則其功率測(cè)量較簡(jiǎn)單,只要測(cè)出一相負(fù)載功率,就很容易得到三相負(fù)載的功率。若為不對(duì)稱三相電路,則需分別測(cè)量三相負(fù)載的功率。本文以不對(duì)稱三相電路為例,說(shuō)明三相電路的功率測(cè)量方法。

        創(chuàng)建不對(duì)稱三相電路,如圖6所示。線路阻抗為500Ω,三相負(fù)載分別為1kΩ、2kΩ、5kΩ。選用交流電壓表分別測(cè)量負(fù)載R2、R4、R6的兩端電壓,測(cè)量結(jié)果為有效值。負(fù)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(fù)載R2吸收的有功功率為20.16W,負(fù)載R4吸收的有功功率為14.62W,負(fù)載R6吸收的有功功率為8W,則三相負(fù)載吸收的功率為42.78W。

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

        上述以電工基礎(chǔ)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(jìn)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(zé)任編輯 潘孟良

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