田清華, 李巾帥
(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,河北 石家莊 050081)
三相交流電路星型連接是電路連接的重要形式.為加深學(xué)生對(duì)三相電路星型連接特性的理解,教師一般會(huì)通過三相交流負(fù)載電路的測(cè)量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證中線的作用.通常,實(shí)驗(yàn)采用三相四線制供電系統(tǒng),相電壓220 V,線電壓380 V,測(cè)量電壓高,測(cè)量數(shù)據(jù)多,稍有不慎會(huì)造成電源短路.對(duì)于初學(xué)的學(xué)生來說,理解中線的作用非常困難,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行三相交流電路實(shí)驗(yàn)不僅有較大的危險(xiǎn)性,操作難度也比較大,且實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差也較大,數(shù)據(jù)處理非常麻煩.而用Multisim(美國(guó)國(guó)家儀器有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件)仿真,不僅安全、可靠,能避免實(shí)際操作中的許多不足,而且能直觀、形象地展示精確的測(cè)量值,分析方便,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和增加其完成實(shí)驗(yàn)的成就感.
本文通過Multisim仿真實(shí)驗(yàn),分析三相交流負(fù)載星型連接時(shí),對(duì)稱負(fù)載和不對(duì)稱負(fù)載情況下,線電壓與相電壓、線電流與相電流的關(guān)系,以及中線的重要作用.
Multisim是一款自動(dòng)化軟件,主要用于電路教學(xué)、電子電路的設(shè)計(jì)及仿真模擬[1].這款軟件的基礎(chǔ)是Windows,具有強(qiáng)大的仿真能力.它的操作界面是一個(gè)虛擬的電工電子實(shí)訓(xùn)臺(tái),該實(shí)訓(xùn)臺(tái)包含設(shè)計(jì)電路所需的17 000多種元器件和22種測(cè)試儀器,其中,元器件的參數(shù)可以根據(jù)需要修改.所有的元器件均可通過鼠標(biāo)直接拖動(dòng),操作簡(jiǎn)單.軟件中包含18種分析手段.
在實(shí)際教學(xué)中,電子電路課程的理論教學(xué)和學(xué)生的動(dòng)手操作環(huán)節(jié)存在一定程度的脫節(jié)現(xiàn)象,而Multisim軟件很好地解決了這一問題,學(xué)生可以把教師講的理論知識(shí)通過軟件呈現(xiàn)出來[2].
在Multisim中,按圖1搭建三相交流負(fù)載星型電路.電路中的三相電源V1為星型三相對(duì)稱交流電源,相電壓為220 V,線電壓為380 V,相位差為120°,頻率為50 Hz.三相交流負(fù)載的每相安裝2個(gè)燈泡,燈泡的額定電壓為220 V,額定功率為220 W.U1-U3為交流安培計(jì),用來測(cè)量線電流;U4-U6為交流安培計(jì),用來測(cè)量相電流;U7-U9為交流伏特計(jì),用來測(cè)量線電壓;U10-U12為交流伏特計(jì),用來測(cè)量相電壓;U13為交流安培計(jì),用來測(cè)量中線電流[3].
圖1 三相負(fù)載星型接法仿真電路
3.1.1 負(fù)載對(duì)稱時(shí)的電路仿真
3.1.2 負(fù)載不對(duì)稱時(shí)的電路仿真
3.1.3 負(fù)載一相斷路時(shí)的電路仿真
3.1.4 負(fù)載有一相短路時(shí)的電路仿真
3.2.1 負(fù)載對(duì)稱時(shí)的電路仿真
星型連接負(fù)載對(duì)稱時(shí)的仿真結(jié)果見表1.
表1 負(fù)載對(duì)稱時(shí)的測(cè)量結(jié)果
3.2.2 負(fù)載不對(duì)稱時(shí)的電路仿真
星型連接負(fù)載不對(duì)稱時(shí)的仿真結(jié)果見表2.
表2 負(fù)載不對(duì)稱時(shí)的測(cè)量結(jié)果
由表2可知,有中線時(shí),線電壓為380 V,相電壓為220 V,由于負(fù)載不對(duì)稱,相電流不再相等,中線電流不再為0;無中線時(shí),由于負(fù)載不對(duì)稱,相電壓、相電流不再相等.負(fù)載電阻越大,對(duì)應(yīng)的相電壓越高,當(dāng)某相電壓超過額定電壓時(shí),會(huì)燒壞負(fù)載,影響電路正常工作.因此,中線是保持負(fù)載相電壓對(duì)稱和負(fù)載正常工作的關(guān)鍵,在三相負(fù)載星形連接電路中,中線必須連接.
3.2.3 負(fù)載一相斷路時(shí)的電路仿真
星型連接負(fù)載有一相斷路時(shí)的仿真結(jié)果見表3.
表3 負(fù)載有一相斷路時(shí)的測(cè)量結(jié)果
由表3可知,有中線時(shí),線電壓為380 V,相電壓為220 V,各相負(fù)載能正常工作,但由于負(fù)載不對(duì)稱,相電流不再相等,中線電流不再為0,此時(shí)各相負(fù)載不對(duì)稱程度加大,中線電流變大;無中線時(shí),由于負(fù)載不對(duì)稱,相電壓、相電流不再相等,負(fù)載電阻越大,對(duì)應(yīng)的相電壓越高,當(dāng)某相電壓超過額定電壓時(shí),會(huì)燒壞負(fù)載,影響電路正常工作.為保證負(fù)載正常工作,中線必須連接.
3.2.4 負(fù)載有一相短路時(shí)的電路仿真
將圖1所示電路中的開關(guān)G斷開,其他所有開關(guān)均閉合,此時(shí)為三相不對(duì)稱負(fù)載電路,且無中線連接.此時(shí)A相負(fù)載短路,B相、C相負(fù)載均為440 W,觀察安培計(jì)和伏特計(jì)讀數(shù)可以發(fā)現(xiàn),三相的線電壓不再存在與相電壓的倍數(shù)關(guān)系,無中線電流.觀察仿真電路發(fā)現(xiàn),A相短路時(shí),B相、C相燈泡均被燒毀,不能正常工作.其原因在于,當(dāng)A相短路時(shí),B相、C相燈泡承受的電壓均為380 V,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定電壓220 V.
星型連接負(fù)載有一相短路時(shí)的仿真結(jié)果見表4.
表4 負(fù)載有一相短路時(shí)的測(cè)量結(jié)果
由表4可知,有中線時(shí),線電壓為380 V,相電壓為220 V,各相負(fù)載能正常工作,但由于負(fù)載不對(duì)稱,相電流不再相等,中線電流不再為0,此時(shí)各相負(fù)載不對(duì)稱程度加大,中線電流進(jìn)一步變大.無中線時(shí),由于負(fù)載一相短路,其他兩相的相電壓直接變?yōu)榫€電壓380 V,超過負(fù)載的額定電壓,負(fù)載被燒毀,影響電路正常工作.因此,為保證負(fù)載正常工作,中線必須連接.
通過仿真實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步驗(yàn)證,當(dāng)三相交流負(fù)載星型連接電路的負(fù)載對(duì)稱時(shí),每相負(fù)載上的相電壓相等,均為額定值,各相負(fù)載正常工作,中線不起作用.三相負(fù)載不對(duì)稱或某一相電路出現(xiàn)故障(極端不對(duì)稱)時(shí),有中線可保證其他兩相電壓正常;若沒有中線,各相負(fù)載上的電壓不再等于額定值,各相負(fù)載均不能正常工作,甚至被燒毀.因此,中線是保持負(fù)載相電壓對(duì)稱和負(fù)載正常工作的關(guān)鍵.三相交流負(fù)載星型連接電路中不能沒有中線,也不能在中線上安裝開關(guān)或保險(xiǎn)絲.這也是生活中常用的三相交流負(fù)載電路為保持各相電壓不變一般采用三相四線制的原因[6].