蒲曉湘

(重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053)

電路與磁路課程是重慶電力高等?？茖W(xué)校電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，開設(shè)這門課程的目的是為后續(xù)的電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但由于本課程理論性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)方式重在理論推導(dǎo)和演繹，課程內(nèi)容不僅難懂，而且也很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，所以教學(xué)效果一直不理想。

在教學(xué)中引入電路仿真軟件后，能讓電路與磁路課程中晦澀的理論知識(shí)變得形象直觀，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能加深學(xué)生對(duì)課程的理解，從而提高教學(xué)質(zhì)量。另一方面，電路仿真軟件豐富的功能和友好的界面，也可以激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)的熱情及對(duì)電路設(shè)計(jì)的開發(fā)和創(chuàng)新能力。

目前市面上有很多優(yōu)秀的電路仿真軟件，如Proteus，Muhisim，Protel，Tina，EWB，PSPice，MATLAB等，都具有電路設(shè)計(jì)與仿真的功能，各有所長(zhǎng)。其中Proteus是英國(guó)Labcenterelectronic公司開發(fā)的一款著名的EDA工具軟件，具有非常豐富的元件庫(kù)、圖表模式、虛擬儀器、仿真模型等資源，可以對(duì)電路進(jìn)行交互式仿真，為教學(xué)提供了很大的方便。下面以Proteus為例，介紹Proteus 仿真軟件在電路與磁路課程教學(xué)中的幾個(gè)典型應(yīng)用。

1 在疊加定理中的應(yīng)用

1.1 知識(shí)點(diǎn)

疊加定理，即在線性電路中，當(dāng)有多個(gè)電源共同作用時(shí)，任一瞬間、任一支路的電流或電壓響應(yīng)，恒等于各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)在該支路中所產(chǎn)生的電流或電壓響應(yīng)的代數(shù)和。疊加定理是線性電路中十分重要的定理，它是分析線性電路較常用的方法。

1.2 電路設(shè)計(jì)與仿真

從元件庫(kù)中選用1個(gè)電壓源，電壓值設(shè)置為10 V；1個(gè)電流源，電流設(shè)置為5 A；3個(gè)電阻，阻值設(shè)置為10 Ω；2個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)以及電流探針。電路圖及仿真結(jié)果如圖1至圖3所示。

圖1 當(dāng)電壓源與電流源同時(shí)作用時(shí)

仿真結(jié)果分析如下：

1)當(dāng)電壓源與電流源同時(shí)作用時(shí)，仿真如圖1所示，R6支路電流為I=-2.014 93 A；

2)當(dāng)電壓源單獨(dú)作用時(shí)，仿真如圖2所示，R6支路電流為I1=0.315 616 A；

3)當(dāng)電流源單獨(dú)作用時(shí)，仿真如圖3所示，R6支路電流為I2=2.512 44 A。

根據(jù)上述結(jié)果，有I≈I1+I2，從而對(duì)疊加定理進(jìn)行了驗(yàn)證。傳統(tǒng)教學(xué)中，都只從理論上進(jìn)行講解和分析，學(xué)生理解起來很抽象。引入Proteus后，形象和直觀的表述使學(xué)生更容易理解，學(xué)習(xí)效果更好。而且，Proteus電路中，各元件的參數(shù)是可調(diào)的，既簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)運(yùn)算，又使抽象難懂的理論知識(shí)立刻變得形象生動(dòng)。

2 在基爾霍夫定律中的應(yīng)用

2.1 知識(shí)點(diǎn)

基爾霍夫電流定律，即任何一個(gè)瞬時(shí)，流入任何電路任一節(jié)點(diǎn)的各個(gè)支路電流的代數(shù)和為零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

∑i=0

2.2 電路設(shè)計(jì)與仿真

在圖1中，只需增加2個(gè)電流探針便可以驗(yàn)證KCL和KVL，如圖4所示。

電路支路電流也可以用圖表來直觀顯示，如圖5所示。

圖4 基爾霍夫電流定律驗(yàn)證電路圖

圖5 電路圖4中各支路電流的圖表表示

仿真結(jié)果分析如下：

1)圖4中，I1=2.985 07 A，I2=5 A，I3=-2.014 93 A，滿足I2+I3-I1=0，即流入任何電路任一節(jié)點(diǎn)的各個(gè)支路電流的代數(shù)和為零；

2)圖5中sum曲線的表達(dá)式為I1+I2+I3=0，符合KCL，更直觀，兩種方式的對(duì)比，進(jìn)一步加深了對(duì)KCL的內(nèi)容理解。

3 在三相電路中的應(yīng)用

3.1 對(duì)稱三相電源的波形仿真

3.1.1 知識(shí)點(diǎn)

相比單相電路，無論是發(fā)電、輸電、配電等方面，三相電路都具有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前我國(guó)電力系統(tǒng)中主要的供電方式。對(duì)于這一部分知識(shí)，學(xué)生對(duì)三相電源、線電壓、相電壓的理解，很容易混淆。利用Proteus仿真后，這一部分內(nèi)容變得更加生動(dòng)、形象。

對(duì)稱三相電源：是指3個(gè)頻率相同、振幅相同、相位彼此相差1200的正弦交流電源。

3.1.2 電路仿真

在元件庫(kù)中，選用1個(gè)三相電機(jī)，虛擬儀器模式中選取示波器(也可以用圖表模式)，搭建電路，如圖6所示。調(diào)節(jié)各參數(shù)，對(duì)稱三相電源的波形仿真如圖7所示，圖中黃綠紅代表U，V，W三相的電壓。

圖6 三相電機(jī)與示波器的連接

3.2 負(fù)載的星形與三角形連接仿真

3.2.1 知識(shí)點(diǎn)

3.2.2 電路設(shè)計(jì)和仿真

元件庫(kù)中選用三相電機(jī)、電阻、交流電壓表和交流電流表，組建電路并仿真，如圖8、圖9所示。

圖8 對(duì)稱星形連接的三相負(fù)載中線電壓與相電壓的關(guān)系

仿真結(jié)果分析如下：

4 在過渡過程中的應(yīng)用

4.1 意義

過渡過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，比較抽象，學(xué)生難以理解，也一直是電路與磁路教學(xué)過程中的難點(diǎn)，但學(xué)習(xí)它是為電力系統(tǒng)暫態(tài)分析打下重要的基礎(chǔ)。下面以一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)為例，說明如何利用Proteus軟件輔助教學(xué)。

4.2 知識(shí)點(diǎn)

一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)是指換路前電容元件沒有儲(chǔ)存電能，即在uC(0+)=0的零狀態(tài)下，由外加電源激勵(lì)所產(chǎn)生的響應(yīng)。一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)中，電容元件上的電壓變化規(guī)律為

式中：uC(∞)是穩(wěn)態(tài)值；τ=RC是時(shí)間常數(shù)。

4.3 電路設(shè)計(jì)與仿真

電路設(shè)計(jì)如圖10所示，其中的電容C1選用動(dòng)態(tài)電容，可以顯示電荷量的變化。RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)過程，實(shí)際上是電容充電的過程。電壓探針C1顯示的電容器上端到參考點(diǎn)的電位，也就是電容器兩端的電壓，其變化曲線如圖11所示。可以調(diào)整電阻R4和電容C1的參數(shù)，改變時(shí)間常數(shù)τ的值，再觀察電容電壓的變化。

圖10 一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)電路

圖11 一階RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)中電容電壓uc的變化規(guī)律仿真

從上面的仿真來看，一階電路部分比起單純的理論推導(dǎo)，仿真的結(jié)果更直接，更具有說服力，更能吸引學(xué)生的注意力。

5 結(jié)語

本文介紹了Proteus在電路與磁路課程中的幾個(gè)典型應(yīng)用，從應(yīng)用仿真可以看出，電路與磁路課程教學(xué)中引入Proteus仿真軟件，對(duì)于晦澀的理論教學(xué)更加生動(dòng)形象，相比傳統(tǒng)教學(xué)，更直觀，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與激情。另一方面，仿真試驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)室之外完成，拓展了時(shí)間和空間，彌補(bǔ)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)元件不足、時(shí)間不足、工位不足、元件易損等諸多不足，兩者相結(jié)合，必將大大推進(jìn)電路與磁路課程的教學(xué)效果和質(zhì)量。