宮亞梅，陳興業(yè)，李洪達(dá)，王二化

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備學(xué)院，江蘇常州，213164）

0 引言

三相交流電路作為工業(yè)企業(yè)及生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用的電路形式，非常有必要讓學(xué)生正確掌握它的工作原理和特征，因此在電工學(xué)課程體系中將該部分知識(shí)列為教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。另一方面，從知識(shí)點(diǎn)的橫向比較來(lái)分析，三相交流電路相對(duì)于直流電路、單相交流電路而言，特征多而且復(fù)雜，理論更抽象、更晦澀，對(duì)于初學(xué)者而言理解起來(lái)相當(dāng)困難，因此它也是教學(xué)中的難點(diǎn)。這部分知識(shí)如果老師僅僅是照本宣科理論講解，對(duì)于學(xué)生來(lái)講被動(dòng)接受，難以做到理解深入，概念清晰，不利于知識(shí)的真正吸收。因此，為了彌補(bǔ)在教學(xué)過(guò)程中純理論學(xué)習(xí)的動(dòng)力不足，效果不佳，迫切地需要尋求借助其他手段或資源，與理論教學(xué)二者相輔相成一起用于三相電路的重點(diǎn)和難點(diǎn)的實(shí)施，讓學(xué)生學(xué)起來(lái)不再枯燥、容易理解。目前，隨著教學(xué)改革的不斷深入，越來(lái)越多新的教學(xué)手段和模式用于課堂實(shí)施，并取得了很好的成效[1-3]。

1 仿真軟件引入教學(xué)改革的緣由

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生，也逐漸成為輔助教學(xué)的重要手段[2,6～8]。在三相交流電路教學(xué)中引入仿真軟件，第一，考慮到三相交流電路的電壓高，危險(xiǎn)性大，直接在實(shí)驗(yàn)室演示或者操作難度比較大，而且不安全，應(yīng)用軟件仿真，是安全、可靠的。第二，針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題難理解，長(zhǎng)時(shí)間聽不懂，學(xué)生容易失去聽課興趣，通過(guò)引入互動(dòng)性強(qiáng)的仿真軟件，學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)保持較集中的注意力，提高學(xué)習(xí)的積極性。第三，軟件仿真過(guò)程中根據(jù)需要可以隨時(shí)調(diào)整電路參數(shù)、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方案，直觀、逼真的現(xiàn)象以及精確、誤差小的測(cè)量數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生輕松熟悉三相電路的特征、加深電路理論的理解，提高學(xué)習(xí)效率。第四，因仿真軟件運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)只需要一臺(tái)電腦，不僅易于在課堂中實(shí)施，在課外學(xué)生也可以不受時(shí)間和空間限制多次重復(fù)課內(nèi)的操作內(nèi)容，還可以根據(jù)自己的思考嘗試重新設(shè)計(jì)新的電路來(lái)測(cè)試新功能和新要求，增加成就感，為學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了便捷的平臺(tái)和手段[4～5]。

2 Proteus在三相交流電路中應(yīng)用方案實(shí)施

在眾多仿真軟件中選擇Proteus，是因?yàn)樗鼞?yīng)用的廣泛性和綜合性，不僅可以繪制電路原理圖，還可以繪制PCB圖，而且可以加載程序進(jìn)行軟硬件的聯(lián)調(diào)。借助Proteus仿真軟件輔助三相交流電路教學(xué)，考慮的關(guān)鍵問(wèn)題是針對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)如何設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)碾娐吠瓿商卣黠@示和數(shù)據(jù)測(cè)量，不僅通過(guò)仿真的結(jié)果幫助學(xué)生掌握基本概念和基本電路知識(shí)，而且通過(guò)測(cè)試電路的巧妙設(shè)計(jì)傳達(dá)給學(xué)生具備扎實(shí)電路設(shè)計(jì)技能的必要性，從理論和實(shí)踐兩方面讓學(xué)生明白學(xué)好本門課程的重要性。

下面從四個(gè)知識(shí)模塊來(lái)探討應(yīng)用實(shí)施過(guò)程。

■2.1 三相交流電的波形特征

三相交流電是三個(gè)單相交流信號(hào)的組合，要想正確掌握其三個(gè)單相彼此特殊的關(guān)系，必須通過(guò)可視化的儀器觀察三相輸出的波形，從而根據(jù)波形去比對(duì)它們實(shí)際的聯(lián)系，因此，設(shè)計(jì)電路的思路就是把三相交流電產(chǎn)生的三路電信號(hào)送入示波器不同的通道同步顯示，這樣三路信號(hào)的大小關(guān)系、頻率關(guān)系、相位關(guān)系就會(huì)一目了然地呈現(xiàn)在示波器的屏幕上。具體的實(shí)施步驟如下：

首先，從軟件元器件庫(kù)中選擇組成測(cè)試電路的元器件：三相電源V3PHASE、接地GROUND、示波器OSCILLOSCOPE，搭建電路如圖1所示，三相電源的三根相線L1、L2、L3與示波器ABC通道分別相連，中線與接地相連；然后，雙擊三相電源，如圖2所示，將參數(shù)Amplitude mode選擇為Rms模式，其他均為默認(rèn)值；最后，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，測(cè)試電路開始工作，示波器窗口彈出，如圖3所示，調(diào)整D通道到OFF擋關(guān)閉顯示，調(diào)整ABC三通道縱向幅值以及橫向周期顯示的粗調(diào)和細(xì)調(diào)旋鈕，使得三路波形在屏幕上同步顯示1個(gè)周期完整波形。觀察三個(gè)單相波形：(a)三個(gè)波形縱向格子數(shù)均為相同的12格，右側(cè)ABC通道標(biāo)尺顯示縱向每個(gè)格子均為50V，因此幅值相同；(b)三個(gè)波形橫向一個(gè)周期所占橫向格子數(shù)相同為20格，因此周期（或頻率）相同；(c)三個(gè)波形波峰相差6.6格，也就是一個(gè)周期的1/3（20/3格），即相位彼此相差120°。綜上所述，三個(gè)單相幅值相同、頻率相同、相位互差120°，這也就是三相交流電的特征。軟件仿真過(guò)程中波形顯示特征具體直觀，給學(xué)生留下深刻的印象，掌握起來(lái)輕松不抽象。

圖1 三相波形顯示電路

圖2 三相交流電源參數(shù)設(shè)置

圖3 三相波形示波器顯示

■2.2 三相交流電的輸出電壓測(cè)試

三相交流電最常用的是三相四線制的供電系統(tǒng)，有三根相線L1、L2、L3和一根中線N，這些電壓怎么用，輸出是多大，需要設(shè)計(jì)的電路是能夠用電壓表逐個(gè)測(cè)量顯示，并與我們常識(shí)中的市電220V和工業(yè)用電380V進(jìn)行聯(lián)系，具體的實(shí)施步驟如下：

（1）相電壓的測(cè)試

首先，選擇組成測(cè)試電路的元器件：三相電源V3PHASE（參數(shù)設(shè)置同圖2）、接地GROUND、交流電壓表ACVOLTMETER和單刀三擲開關(guān)SW-ROT-3，搭建電路如圖4所示，單刀三擲開關(guān)的單刀端與電壓表一端相連，三擲端分別與三根相線相連，電壓表另一端與中線和接地連接，通過(guò)切換開關(guān)三擲端可以依次將電壓表連接在相線L1（或L2或L3）和中線之間，也就是測(cè)量三相交流電源的三個(gè)相電壓；接著，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，如圖5所示，當(dāng)開關(guān)撥到最上方，測(cè)量的是L1-中線之間的相電壓，此時(shí)電壓表測(cè)量值為220V，這也是目前所用市電的電壓值，依次向下切換開關(guān)可以測(cè)量L2-中線和L3-中線之間的電壓，操作和顯示與測(cè)試L1和中線方法相似，這里不再贅述。在軟件仿真過(guò)程中，電壓表顯示的相電壓數(shù)值會(huì)讓學(xué)生更容易接受及牢記，并了解了日常生活中一直所用的220V電源電壓的來(lái)源；開關(guān)從上往下依次切換連接到不同相線上的重復(fù)操作，讓學(xué)生清楚地看到每次切換其實(shí)就是測(cè)量不同相線和中線之間的相電壓，對(duì)相電壓概念的進(jìn)一步掌握起到了重要的作用。同時(shí)，在該測(cè)試電路中添加了一個(gè)單刀三擲開關(guān)，達(dá)到了不重新調(diào)整電壓表的接線，只通過(guò)切換開關(guān)就可以一氣呵成完成三個(gè)相電壓的測(cè)量，讓學(xué)生真切地感受到了巧妙電路設(shè)計(jì)方法的重要性。

圖4 相電壓測(cè)量電路

圖5 相電壓測(cè)量值顯示

（2）線電壓的測(cè)試

首先，選擇組成測(cè)試電路的元器件：三相電源V3PHASE（參數(shù)設(shè)置同圖2）、接地GROUND、交流電壓表ACVOLTMETER和2個(gè)單刀三擲開關(guān)SW-ROT-3，搭建電路如圖6所示，2個(gè)單刀三擲開關(guān)一端分別與電壓表的兩個(gè)端口相連，另一端與三相電源的三根相線L1、L2和L3相連，如圖7所示，當(dāng)下面一個(gè)開關(guān)撥到最下方與L1相連，上面一個(gè)開關(guān)撥到中間與L2相連，就可以實(shí)現(xiàn)電壓表測(cè)量的是L1-L2之間的電壓，切換2個(gè)開關(guān)連接狀態(tài)可以達(dá)到測(cè)量L2-L3或L3-L1之間的電壓，實(shí)際上也就是三相交流電源的三個(gè)線電壓；接著，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，觀察交流電壓表的示數(shù)，測(cè)量值為381V，忽略測(cè)量誤差接近工業(yè)用電380V，依次改變切換開關(guān)的狀態(tài)，可以測(cè)量L2-L3（或L3-L1）的線電壓，操作和顯示與測(cè)量線電壓L1-L2方法相似，這里不再贅述。本測(cè)試方案中軟件仿真起到的作用與1）方案相電壓的測(cè)試相同，另外，該方案中巧妙地添加了2個(gè)單刀三擲開關(guān)，還在開關(guān)與三根相線L1、L2、L3走線上做了規(guī)劃，使得導(dǎo)線連接規(guī)范、清晰，達(dá)到在不改變?nèi)魏谓泳€的情況下，通過(guò)切換開關(guān)的狀態(tài)，一氣呵成地完成三個(gè)線電壓的測(cè)量，也讓學(xué)生明白了電路設(shè)計(jì)巧妙和規(guī)范的必要性。

圖6 線電壓測(cè)量電路

圖7 線電壓測(cè)量值顯示

■2.3 負(fù)載星型連接的電壓特征

三相電路負(fù)載的星型連接模式是三相異步電機(jī)常用工作方式之一，為了讓學(xué)生理解星型連接的定義和掌握該連接實(shí)操接線以及該模式下負(fù)載的工作情況，設(shè)計(jì)的測(cè)試電路中用三個(gè)獨(dú)立電阻代替電機(jī)的三相繞阻，并使用電壓表測(cè)量每相繞阻（即獨(dú)立電阻）的工作電壓，從而根據(jù)連接過(guò)程和電壓表的測(cè)試結(jié)果掌握星型連接負(fù)載的工作性能，具體操作步驟如下：

首先，選擇組成負(fù)載星型連接的元器件：三相電源V3PHASE（參數(shù)設(shè)置同圖2）、接地GROUND、電阻RES（默認(rèn)10kΩ即可），搭建電路如圖8所示，三個(gè)電阻一端連接在一起，另一端分別與三相電源的三根相線相連，這種連接方式就是負(fù)載星（Y）型連接。接著，如圖9所示，在三個(gè)電阻并聯(lián)接上交流電壓表，用來(lái)測(cè)量每相負(fù)載的工作電壓，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，觀察交流電壓表的示數(shù)，分別為219V、218V、220V，忽略測(cè)量誤差，均在220V左右，與圖5中測(cè)試的相電壓是相同的。通過(guò)軟件仿真，學(xué)生不僅掌握了負(fù)載星型連接時(shí)實(shí)際接線方式和過(guò)程，而且可以得出結(jié)論，當(dāng)負(fù)載星型連接時(shí)，每相負(fù)載實(shí)際獲得的電壓就是供電系統(tǒng)中的相電壓，也初步了解了三相異步電機(jī)星型工作的性能。

圖8 星型負(fù)載連接電路

圖9 星型負(fù)載連接電阻的電壓測(cè)量

■2.4 負(fù)載三角型連接的電壓特征

三相電路負(fù)載的三角型連接模式也是三相異步電機(jī)常用工作方式之一，同樣為了讓學(xué)生理解三角型連接的定義和掌握實(shí)操接線過(guò)程以及該模式下負(fù)載的工作情況，設(shè)計(jì)的測(cè)試電路 也用三個(gè)獨(dú)立電阻代替電機(jī)的三相繞阻，并使用電壓表測(cè)量每相繞阻（即獨(dú)立電阻）的工作電壓，就可以掌握三角型連接負(fù)載的工作性能，具體操作步驟如下：

首先，選擇組成負(fù)載三角型連接的元器件：三相電源V3PHASE（參數(shù)設(shè)置同圖2）、接地GROUND、電阻RES（默認(rèn)10kΩ即可），搭建電路如圖10所示，三個(gè)電阻首尾順序相連，然后將三個(gè)連接點(diǎn)分別與三相電源三根相線相連，這種連接方式就是負(fù)載三角型（△）連接。接著，如圖11所示，在三個(gè)電阻并聯(lián)接上交流電壓表，測(cè)量每相負(fù)載的工作電壓，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，觀察交流電壓表的示數(shù)，分別為373V、378V、376V，忽略測(cè)量誤差，均為380V左右，與圖7中測(cè)試的線電壓是相同的。通過(guò)軟件仿真，學(xué)生不僅掌握了負(fù)載三角型連接時(shí)實(shí)際連接方式和過(guò)程，而且得出結(jié)論，當(dāng)負(fù)載三角型連接時(shí)，每相負(fù)載實(shí)際獲得的電壓就是供電系統(tǒng)中的線電壓，也初步了解了三相異步電機(jī)三角型工作的性能。

圖10 三角型負(fù)載連接電路

圖11 三角型連接負(fù)載電阻的電壓測(cè)量

3 結(jié)論

近年來(lái)，源于生源的多樣化，為了取得較好的教學(xué)效果，在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中更應(yīng)該加大教學(xué)改革的力度，摒棄繁瑣的理論推導(dǎo)和計(jì)算，重點(diǎn)放在如何運(yùn)用知識(shí)與實(shí)踐技能方面。目前，將Proteus仿真軟件引入到三相電路教學(xué)中，一些晦澀、難懂、抽象的知識(shí)點(diǎn)實(shí)時(shí)通過(guò)儀器儀表直觀地呈現(xiàn)，加深了學(xué)生對(duì)電路功能、電路特征的理解，教學(xué)效果得到提升。同時(shí)，通過(guò)Proteus仿真軟件虛擬操作，激發(fā)學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)踐操作相融合的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)的能力。當(dāng)然，由于軟件是仿真，與實(shí)際情況還有一些差距，這就需要我們定位軟件是用來(lái)輔助教學(xué)的，合理應(yīng)用軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，電路測(cè)試，電路設(shè)計(jì)，才能有效通過(guò)軟件仿真這個(gè)橋梁，由理論到達(dá)實(shí)踐的彼岸。