Multisim在三相電路基本要點(diǎn)的概括

三相電路在工程上和日常生活中應(yīng)用廣泛，在電路課程中也是重要的一部分內(nèi)容，為加深對(duì)三相電路特性的了解，尤其是對(duì)中線在非對(duì)稱三相電路中的作用的理解，在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，往往在理論分析的基礎(chǔ)上，安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但是由于三相電路供電電壓都在220 V以上，所以實(shí)際操作危險(xiǎn)性較高，尤其是對(duì)于非對(duì)稱三相三線制中一相短路的情況，若要驗(yàn)證其他兩相的工作情況，不僅會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲甚至?xí)p壞裝置。若用Muhisim軟件對(duì)其仿真，不僅安全可靠，克服實(shí)物實(shí)驗(yàn)的許多不足，而且形象直觀，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 Multisim的簡(jiǎn)介

Multisim是加拿大IIT公司推出的電子線路仿真軟件EWB的升級(jí)版，它把電路圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試分析和仿真結(jié)果等內(nèi)容集成在一個(gè)電路窗口中。Multisim的元器件庫(kù)提供了數(shù)千種類型的元器件，其中的虛擬元器件可根據(jù)需要任意修改元件參數(shù)，甚至用戶還可以創(chuàng)建新元件。Multisim還提供了眾多的虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、安捷倫儀器、信號(hào)發(fā)生器等，其功能與實(shí)際儀表相同，可方便地進(jìn)行電路的仿真測(cè)試分析。Multisim的電路分析功能十分強(qiáng)大，能進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、交流分析、傅里葉分析、噪聲分析等多種分析。

將Multisim引入電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，利用其強(qiáng)大的仿真功能，對(duì)課程的重點(diǎn)難點(diǎn)電路進(jìn)行電路仿真是一條行之有效的思路。

2 三相電路的仿真

三相電路主要有三相四線和三相三線制兩種連接形式，由于電源一般是對(duì)稱的，所以根據(jù)負(fù)載是否對(duì)稱又分為對(duì)稱和非對(duì)稱三相電路。日常生活中應(yīng)用的電路，譬如照明電路，由于很難保證負(fù)載對(duì)稱，所以常采用三相四線制，即必須加中線。課程設(shè)計(jì)中安排三相電路實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)除了驗(yàn)證對(duì)稱三相電路中各相電壓和電流是對(duì)稱的外，還有兩個(gè)主要目的：一是有中線情況下，驗(yàn)證負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱條件下各相負(fù)載的變化情況;二是無(wú)中線情況下，驗(yàn)證負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱條件下各相負(fù)載的變化情況，以便讓學(xué)生更深入了解日常生活應(yīng)用中必須加中線的意義。

2.1 對(duì)稱三相電路正常工作時(shí)的仿真

分別按照?qǐng)D1、圖2搭建對(duì)稱三相四線制電路和對(duì)稱三相三線制電路，三相負(fù)載采用3個(gè)100W/220V的燈泡連接成“Y”型接法，三條火線上接1 A的保險(xiǎn)絲，并分別串聯(lián)萬(wàn)用表，以便同時(shí)觀察三相電流以及中線電流的情況。

搭電路時(shí)需注意：萬(wàn)用表應(yīng)設(shè)置成交流AC模式，且選擇電流檔位;選燈泡時(shí)不能選擇實(shí)際器件LAMP，而應(yīng)該選擇虛擬器件VIRTUAL-LAMP，并將其Property改為需要的參數(shù)。

從理論上講對(duì)稱三相電路，不管是三線制還是四線制，各相負(fù)載兩端電壓以及通過(guò)的電流都是對(duì)稱的，即大小是相等的，四線制中中線電流應(yīng)為零。為了分析方便，只仿真電流，仿真的結(jié)果如圖1，圖2所示，可知兩種情況下三相負(fù)載中的電流相等皆為454.583 mA，中線電流為0.512 fA也約等于零(主要是誤差造成的)。由測(cè)量結(jié)果學(xué)生很容易得到這樣的結(jié)淪：對(duì)于對(duì)稱的三相電路在電路正常工作的情況下，不管是否加中線三相負(fù)載中的電流或電壓都沒(méi)有發(fā)上變化，即中線不起作用，可去掉。

2.2 對(duì)稱三相電路某一相發(fā)生故障時(shí)的仿真

對(duì)于不對(duì)稱三相電路有多種情況，著重通過(guò)分析其中某一相負(fù)載斷路或短路兩種情況加以仿真，從而說(shuō)明實(shí)際生活中為什么都采用加中線的形式。

2.2.1 一相短路三相負(fù)載的變化情況

理論上，對(duì)于有中線的三相四線制電路短路相會(huì)出現(xiàn)燒壞保險(xiǎn)絲的現(xiàn)象，而其余兩相不會(huì)受影響;對(duì)于無(wú)中線的三相三線制電路，則另外兩相也會(huì)受到嚴(yán)重影響，即由于一相短路，加在負(fù)載上的電壓由原來(lái)的額定相電壓220 V變?yōu)榫€電壓380 V，導(dǎo)致另外兩相的保險(xiǎn)絲燒毀。為了驗(yàn)證這一現(xiàn)象，分別按照?qǐng)D3、圖4搭建三相四線制電路和三相三線制電路，對(duì)于三相三線制電路，按圖4搭建電路時(shí)省去保險(xiǎn)絲，以便通過(guò)燈泡的工作情況更明顯觀察無(wú)中線對(duì)電路的影響。

實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果如圖3，圖4所示。對(duì)于圖3仿真的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于有中線的三相電路，發(fā)生短路一相的的保險(xiǎn)絲被燒斷，燈泡不亮，其余兩相的燈泡正常發(fā)光，萬(wàn)用表測(cè)得兩端電壓約為220 V，即非故障的兩相正常工作;而對(duì)于圖4仿真的結(jié)果可以明顯看到若沒(méi)有中線，在其中一相短路時(shí)，另外兩相的燈泡全部燒毀，即非故障兩相受到嚴(yán)重影響，不能正常工作。2.2.2 一相斷路三相負(fù)載的變化情況

理論上，對(duì)于有中線的三相四線制電路，如果出現(xiàn)一相斷路，另外兩相由于每相的工作電壓不變，所以皆不受斷路相影響，能正常工作，但由于三相電流不對(duì)稱故中線電流不再為零。對(duì)于無(wú)中線的三相三線制電路則當(dāng)一相發(fā)生斷路時(shí)，其余兩相負(fù)載相串聯(lián)加在線電壓380V上，故各自的電壓小于額定電壓220 V，雖然不能燒壞電路，但是通過(guò)的電流減少，負(fù)載也不能正常工作。

圖5，圖6分別是三相四線制和三相三線制一相斷路時(shí)的仿真電路以及仿真結(jié)果，從圖5可以看出當(dāng)A相斷路時(shí)，B、C兩相的燈泡正常閃爍，從其兩端的電壓波形可以看出B、C兩相端電壓與圖1完全相同，但是由于負(fù)載不對(duì)稱，所以中線電流不為零，約為430mA。圖6可以看出，B、C兩相的燈泡雖然也閃爍，但是與圖5的波形圖相對(duì)比，可以看出其兩端的電壓值比正常值小了很多，有效值約為190V左右。

從圖3～圖6仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于負(fù)載不對(duì)稱的三相電路，若采用三相三線制，則各相之間相互影響，會(huì)導(dǎo)致不能正常工作，若采用三相四線制，則三相之間互不影響，所以實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于電源為星形接法的三相電路，常采用三相四線制接法，即必須加中線，同時(shí)為了保證負(fù)載可以正常工作，在中線上不能安裝開(kāi)關(guān)和熔斷器。

3 應(yīng)用Multisim仿真三相電路的優(yōu)點(diǎn)

3.1 安全可靠，經(jīng)濟(jì)效益高

三相電路中的電源為市電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體安全電壓，在實(shí)驗(yàn)室操作時(shí)，學(xué)生搭電路不可避免會(huì)出現(xiàn)線路連接錯(cuò)誤或者儀器儀表使用操作不當(dāng)?shù)那闆r，輕則燒毀保險(xiǎn)絲，重則燒壞測(cè)量?jī)x表等設(shè)備，甚至稍有不慎易造成人身觸電。應(yīng)用Multisim進(jìn)行仿真，即使連接錯(cuò)誤或操作不當(dāng)，也只需根據(jù)軟件的提示修改線路即可，既無(wú)危險(xiǎn)性又提高實(shí)驗(yàn)效率，且節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)資源。

3.2 彌補(bǔ)實(shí)際操作的不足

對(duì)于三相三線制中一相短路的實(shí)驗(yàn)，由于肯定會(huì)燒毀另外兩相的保險(xiǎn)絲，所以在實(shí)驗(yàn)室是不進(jìn)行實(shí)際的操作，僅是從理論上進(jìn)行分析。但是利用Multisim則可以進(jìn)行仿真，學(xué)?？梢孕蜗笾庇^地觀測(cè)到燈泡燒壞的現(xiàn)象，更有助于加深他們對(duì)中線作用的理解。

3.3 同時(shí)測(cè)量多變量，便于分析

充分利用Multisim中的虛擬儀器，仿真過(guò)程中可根據(jù)需要利用多塊儀表同時(shí)測(cè)量三相負(fù)載中的電壓或電流量，甚至于可以利用示波器觀察每相電壓、電流的波形，便于學(xué)牛比較分析，加深理解。但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)室操作由于硬件條件的限制，每個(gè)人只能有一塊萬(wàn)用表，若要測(cè)量三相電流則需要分三次測(cè)量依次記錄，再根據(jù)記錄結(jié)果進(jìn)行比較，顯然沒(méi)有Multisim仿真形象、直觀、方便。

4 結(jié)語(yǔ)

將Multisim仿真應(yīng)用于三相電路的實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)驗(yàn)過(guò)程接近實(shí)際操作，而且形象、直觀、無(wú)危險(xiǎn)性，不僅可以解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無(wú)法操作的難點(diǎn)，而且可以提高學(xué)生的興趣，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，提高教學(xué)效果也具有非常重要的作用，是進(jìn)行電路分析的一個(gè)有效手段。