陳媛媛

摘 ?要 在電工電子學(xué)課程的電工學(xué)部分引入Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別以直流電路部分的基爾霍夫定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、交流電路部分的RLC串聯(lián)諧振電路的研究實(shí)驗(yàn)、電機(jī)和電氣控制部分的三相電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)控制電路仿真實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明Multisim仿真完全可以在電工學(xué)部分得到有效應(yīng)用，幫助提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 電工電子學(xué);電工學(xué);Multisim;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)室;基爾霍夫定律;交流電路;RLC串聯(lián)諧振電路

中圖分類號(hào)：G642.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）15-0010-04

0 ?前言

電工電子學(xué)是針對(duì)工科非電類專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，課程包含電工技術(shù)和電子技術(shù)兩大部分。其中，電工技術(shù)的主要內(nèi)容有直流電路、交流電路、電機(jī)和電氣控制，電子技術(shù)的主要內(nèi)容有模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。在電工電子學(xué)課程中，實(shí)驗(yàn)是不可或缺的重要組成部分。Multisim仿真軟件是美國(guó)NI公司推出的一款電子電路仿真軟件，具有豐富的元器件庫(kù)和強(qiáng)大的仿真能力，利用其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常有效的輔助手段。Multisim仿真軟件在電子技術(shù)中的應(yīng)用非常廣泛[1]，但在電工學(xué)中使用的例子還比較少。本文重點(diǎn)介紹在電工電子學(xué)課程的電工學(xué)部分引入Multisim仿真的一些應(yīng)用實(shí)例，包括在直流電路、交流電路以及電機(jī)和電氣控制部分使用Multisim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的范例。

1 ?Multisim仿真在直流電路中的應(yīng)用實(shí)例：基爾霍夫定律驗(yàn)證

在直流電路部分，學(xué)生剛剛開(kāi)始接觸電路知識(shí)，對(duì)于電路分析的方法還不熟悉。利用Multisim仿真可以幫助學(xué)生盡快熟悉電路元件的性質(zhì)，理解電路的基本理論和基本概念。進(jìn)行一些電路仿真實(shí)驗(yàn)可以作為到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行元件實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)前的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生深入理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容會(huì)很有好處。而且做一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為熟悉Multisim軟件仿真的入手性實(shí)驗(yàn)也十分合適。學(xué)生初次學(xué)習(xí)Multisim軟件仿真時(shí)最好在計(jì)算機(jī)機(jī)房中進(jìn)行，一邊操作軟件，一邊聽(tīng)教師進(jìn)行統(tǒng)一講解，實(shí)際效果比較好。在安裝完成Multisim軟件后，教師可指導(dǎo)學(xué)生打開(kāi)軟件界面，對(duì)軟件工具欄的各項(xiàng)內(nèi)容逐一進(jìn)行講解，特別是重點(diǎn)介紹元器件庫(kù)和虛擬儀器儀表庫(kù)中各種元器件和測(cè)量?jī)x器的圖形符號(hào)、功能，讓學(xué)生對(duì)常用的電路元器件和測(cè)量?jī)x器有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。介紹完基本功能欄之后，可以讓學(xué)生嘗試搭建一個(gè)簡(jiǎn)單電路，比如直流電壓源接負(fù)載電阻，講解仿真電路的接線方法和規(guī)則;電路搭建完成后，再在電路中加入測(cè)量?jī)x表如直流電壓表，講解仿真運(yùn)行方法。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)操作，學(xué)生對(duì)于Multisim軟件的使用就有了初步的概念，之后可以自行在課外時(shí)間進(jìn)一步摸索Multisim軟件的使用。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)度安排給學(xué)生布置Multisim仿真實(shí)驗(yàn)題目要求。

下面以基爾霍夫定律驗(yàn)證的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行介紹。Multisim軟件豐富的元件庫(kù)可以提供各種參數(shù)的元器件，對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)十分方便?；鶢柣舴螂娏鞫桑↘CL）指出：在集總電路中，任何時(shí)刻，對(duì)任一結(jié)點(diǎn)，所有流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零?；鶢柣舴螂妷憾桑↘VL）指出：在集總電路中，任何時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。在理論課學(xué)習(xí)完基爾霍夫定律之后，就可以要求學(xué)生在Multisim仿真中搭建電路來(lái)驗(yàn)證定律。具體描述如下：

設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基爾霍夫電流、電壓定律。要求：測(cè)出電路中流入和流出某一結(jié)點(diǎn)的各支路電流，驗(yàn)證基爾霍夫電流定律的正確性;測(cè)出某一回路各部分的電壓，驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律的正確性。

實(shí)驗(yàn)表格可由學(xué)生自擬。仿真電路范例如圖1所示。學(xué)生在仿真后也可以將仿真測(cè)量值和電路的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)室中實(shí)物搭建電路的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)照比較。類似的直流電路的其他實(shí)驗(yàn)，如疊加原理、戴維寧定理的驗(yàn)證，都可以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行仿真預(yù)備實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生加深對(duì)定律的理解，避免進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之后出現(xiàn)實(shí)物電路連接的錯(cuò)誤操作。

2 ?Multisim仿真在交流電路中的應(yīng)用實(shí)例：RLC串聯(lián)諧振電路研究

利用Multisim仿真不僅可以作為實(shí)驗(yàn)室中可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)的前置預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，而且可以利用Multisim軟件豐富的虛擬儀器庫(kù)做一些實(shí)驗(yàn)室中不具備條件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不必受到儀器資源有限的限制，也不用擔(dān)心元器件損毀問(wèn)題，十分方便。相比直流電路，學(xué)生對(duì)交流電路的概念理解更加困難，實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的印象，幫助其理解知識(shí)難點(diǎn)。下面以交流電路中RLC串聯(lián)諧振電路的研究為例，說(shuō)明Multisim仿真在交流電路中的應(yīng)用。一般在實(shí)驗(yàn)室中很難有條件大量配備波特圖儀供學(xué)生使用，仿真實(shí)驗(yàn)則有效地避免了這個(gè)問(wèn)題。

諧振現(xiàn)象是交流電路中的一種特定工作狀態(tài)。利用Multisim仿真可以對(duì)串聯(lián)諧振電路的諧振條件和特點(diǎn)進(jìn)行分析。RLC串聯(lián)諧振電路的仿真電路如圖2所示，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)諧振頻率為時(shí)，電路電流達(dá)到最大值。電容和電感上的電壓大小相等，方向相反，互相抵消，電路發(fā)生串聯(lián)諧振，表現(xiàn)出純電阻性。

在電路中接入波特圖儀（XBP）對(duì)電路的頻率特性進(jìn)行觀測(cè)。RLC串聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性分別如圖3和圖4所示。由于電阻上電壓電流同相，當(dāng)頻率達(dá)到諧振頻率時(shí)，電路中電流達(dá)到最大值，電阻上電壓的幅值最大，幅頻特性達(dá)到峰值。同樣，當(dāng)頻率達(dá)到諧振頻率時(shí)，電阻上電壓就等于電源電壓，故相角為0°。

若改變電路元件電阻R、電容C和電感L的參數(shù)，可以觀測(cè)到電路諧振頻率的變化，同時(shí)電路的頻率曲線也會(huì)發(fā)生變化，品質(zhì)因數(shù)Q隨之改變。減小電阻R可以增大品質(zhì)因數(shù)Q，提高電路選頻特性。具體參數(shù)改變和波形圖觀測(cè)可自行完成。對(duì)交流電路部分的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，如交流電路元件參數(shù)的測(cè)量、日光燈管電路功率因素的提高、三相電路等實(shí)驗(yàn)，同樣可以進(jìn)行相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和擴(kuò)展。

3 ?Multisim仿真在電機(jī)和電氣控制中的應(yīng)用實(shí)例：三相電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)控制電路仿真

利用Multisim仿真可以進(jìn)行三相電動(dòng)機(jī)的基本控制電路仿真[2]，主要控制電器元件位于機(jī)電類元件庫(kù)中。線圈KM所用電源為直流電，與實(shí)驗(yàn)室所用電源不同，但其工作原理和實(shí)驗(yàn)室所用的接觸器是一樣的。線圈通電，各觸點(diǎn)動(dòng)作;線圈斷電，各觸點(diǎn)恢復(fù)常態(tài)，因此可以用它來(lái)仿真實(shí)際接觸器。

圖5為三相電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)控制電路仿真，控制電路可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。電路包含主電路和控制電路兩部分，其中控制電路由1 V直流電壓源供電。仿真過(guò)程如下。

先合上隔離開(kāi)關(guān)，再按下按鈕SB2，接觸器線圈KM通電，使受接觸器線圈KM控制的主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)同時(shí)閉合。主回路電動(dòng)機(jī)通電運(yùn)行，三塊電流表讀數(shù)分別為104.951 A（A相上串聯(lián)了熱繼電器FR發(fā)熱元件）、108.676 A、108.676 A。

控制電路部分輔助觸點(diǎn)的閉合使得SB2松開(kāi)后控制電路仍然導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)自鎖作用，故電動(dòng)機(jī)可以維持連續(xù)運(yùn)行。需要停止電動(dòng)機(jī)時(shí)，按下按鈕SB1，接觸器線圈KM斷電，主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)同時(shí)斷開(kāi)，電路回到初始狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中如果電流超過(guò)160 A，則熱繼電器FR起作用，F(xiàn)R觸點(diǎn)斷開(kāi)，電路斷電，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。

如果想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制，只需要在節(jié)點(diǎn)20處去掉連接KM輔助觸點(diǎn)的導(dǎo)線，使得輔助觸點(diǎn)從控制回路中斷開(kāi)，失去自鎖控制。點(diǎn)動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)控制電路仿真如圖6所示。此時(shí)的仿真過(guò)程顯示：按下按鈕SB2，接觸器線圈KM通電，主觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行;松開(kāi)按鈕SB2，接觸器線圈KM斷電，主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)停止。

對(duì)于電機(jī)部分的其他實(shí)驗(yàn)，如電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、順序控制和時(shí)間控制等，同樣可以利用Multisim仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)，就不再一一舉例詳述。

4 ?結(jié)語(yǔ)

在以往的教學(xué)過(guò)程中，Multisim仿真軟件多被用于電工電子學(xué)課程的電子技術(shù)部分，在電工技術(shù)部分使用較少，但實(shí)際上完全可以在電工技術(shù)部分就引入Multisim仿真。Multisim仿真實(shí)驗(yàn)既可以作為前置的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備和掌握實(shí)驗(yàn)原理，也可以作為進(jìn)一步的拓展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行深入的探究實(shí)驗(yàn)，解決部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、操作安全風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題。而通過(guò)電工技術(shù)部分對(duì)于Multisim仿真的使用，學(xué)生在電子技術(shù)部分運(yùn)用Multisim軟件時(shí)會(huì)更容易入手，使用更熟練。Multisim軟件的使用范圍非常廣，文章難以贅述，還有待使用者慢慢挖掘體會(huì)。

參考文獻(xiàn)

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