Multisim在三相電路中的應用

　　摘要：本文介紹了將Multisim仿真應用于三相電路的實驗，不僅實驗過程接近實際操作，而且形象、直觀、無危險性，不僅可以解決實際實驗中無法操作的難點，而且可以提高學生的興趣，加深學生對理論知識的理解，對于改進實驗手段，提高教學效果也具有非常重要的作用，是進行電路分析的一個有效手段。
　　
　　三相電路在工程上和日常生活中應用廣泛，在電路課程中也是重要的一部分內容，為加深對三相電路特性的了解，尤其是對中線在非對稱三相電路中的作用的理解，在課程教學設計中，往往在理論分析的基礎上，安排實驗進行驗證。但是由于三相電路供電電壓都在220V以上，所以實際操作危險性較高，尤其是對于非對稱三相三線制中一相短路的情況，若要驗證其他兩相的工作情況，不僅會燒毀保險絲甚至會損壞裝置。若用Muhisim軟件對其仿真，不僅安全可靠，克服實物實驗的許多不足，而且形象直觀，可以提高學生的學習興趣。
　　
　　1、Multisim的簡介
　　
　　Multisim是加拿大IIT公司推出的電子線路仿真軟件EWB的升級版，它把電路圖的創建、電路的測試分析和仿真結果等內容集成在一個電路窗口中。Multisim的元器件庫提供了數千種類型的元器件，其中的虛擬元器件可根據需要任意修改元件參數，甚至用戶還可以創建新元件。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、信號發生器等，其功能與實際儀表相同，可方便地進行電路的仿真測試分析。Multisim的電路分析功能十分強大，能進行直流工作點分析、交流分析、傅里葉分析、噪聲分析等多種分析。
　　
　　將Multisim引入電路實驗的教學中，利用其強大的仿真功能，對課程的重點難點電路進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，由于電源一般是對稱的，所以根據負載是否對稱又分為對稱和非對稱三相電路。日常生活中應用的電路，譬如照明電路，由于很難保證負載對稱，所以常采用三相四線制，即必須加中線。課程設計中安排三相電路實驗環節除了驗證對稱三相電路中各相電壓和電流是對稱的外，還有兩個主要目的：一是有中線情況下，驗證負載對稱和不對稱條件下各相負載的變化情況；二是無中線情況下，驗證負載對稱和不對稱條件下各相負載的變化情況，以便讓學生更深入了解日常生活應用中必須加中線的意義。
　　
　　2．1對稱三相電路正常工作時的仿真
　　
　　分別按照圖1、圖2搭建對稱三相四線制電路和對稱三相三線制電路，三相負載采用3個100W／220V的燈泡連接成“Y”型接法，三條火線上接1A的保險絲，并分別串聯萬用表，以便同時觀察三相電流以及中線電流的情況。　　
　　搭電路時需注意：萬用表應設置成交流AC模式，且選擇電流檔位；選燈泡時不能選擇實際器件LAMP，而應該選擇虛擬器件VIRTUAL-LAMP，并將其Property改為需要的參數。
　　
　　從理論上講對稱三相電路，不管是三線制還是四線制，各相負載兩端電壓以及通過的電流都是對稱的，即大小是相等的，四線制中中線電流應為零。為了分析方便，只仿真電流，仿真的結果如圖1，圖2所示，可知兩種情況下三相負載中的電流相等皆為454．583mA，中線電流為0．512fA也約等于零（主要是誤差造成的）。由測量結果學生很容易得到這樣的結淪：對于對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載中的電流或電壓都沒有發上變化，即中線不起作用，可去掉。
　　
　　2．2對稱三相電路某一相發生故障時的仿真
　　
　　對于不對稱三相電路有多種情況，著重通過分析其中某一相負載斷路或短路兩種情況加以仿真，從而說明實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載的變化情況
　　
　　理論上，對于有中線的三相四線制電路短路相會出現燒壞保險絲的現象，而其余兩相不會受影響；對于無中線的三相三線制電路，則另外兩相也會受到嚴重影響，即由于一相短路，加在負載上的電壓由原來的額定相電壓220V變為線電壓380V，導致另外兩相的保險絲燒毀。為了驗證這一現象，分別按照圖3、圖4搭建三相四線制電路和三相三線制電路，對于三相三線制電路，按圖4搭建電路時省去保險絲，以便通過燈泡的工作情況更明顯觀察無中線對電路的影響。
　　
　　實驗仿真的結果如圖3，圖4所示。對于圖3仿真的數據可以看出，對于有中線的三相電路，發生短路一相的的保險絲被燒斷，燈泡不亮，其余兩相的燈泡正常發光，萬用表測得兩端電壓約為220V，即非故障的兩相正常工作；而對于圖4仿真的結果可以明顯看到若沒有中線，在其中一相短路時，另外兩相的燈泡全部燒毀，即非故障兩相受到嚴重影響，不能正常工作。2．2．2一相斷路三相負載的變化情況
　　
　　理論上，對于有中線的三相四線制電路，如果出現一相斷路，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稱故中線電流不再為零。對于無中線的三相三線制電路則當一相發生斷路時，其余兩相負載相串聯加在線電壓380V上，故各自的電壓小于額定電壓220V，雖然不能燒壞電路，但是通過的電流減少，負載也不能正常工作。
　　
　　圖5，圖6分別是三相四線制和三相三線制一相斷路時的仿真電路以及仿真結果，從圖5可以看出當A相斷路時，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*相同，但是由于負載不對稱，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仿真結果可以看出，對于負載不對稱的三相電路，若采用三相三線制，則各相之間相互影響，會導致不能正常工作，若采用三相四線制，則三相之間互不影響，所以實際應用中對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，同時為了保證負載可以正常工作，在中線上不能安裝開關和熔斷器。
　　
　　3、應用Multisim仿真三相電路的優點
　　
　　3．1安全可靠，經濟效益高
　　
　　三相電路中的電源為市電，遠遠大于人體安全電壓，在實驗室操作時，學生搭電路不可避免會出現線路連接錯誤或者儀器儀表使用操作不當的情況，輕則燒毀保險絲，重則燒壞測量儀表等設備，甚至稍有不慎易造成人身觸電。應用Multisim進行仿真，即使連接錯誤或操作不當，也只需根據軟件的提示修改線路即可，既無危險性又提高實驗效率，且節省了大量的實驗資源。
　　
　　3．2彌補實際操作的不足
　　
　　對于三相三線制中一相短路的實驗，由于肯定會燒毀另外兩相的保險絲，所以在實驗室是不進行實際的操作，僅是從理論上進行分析。但是利用Multisim則可以進行仿真，學牛可以形象直觀地觀測到燈泡燒壞的現象，更有助于加深他們對中線作用的理解。
　　
　　3．3同時測量多變量，便于分析
　　
　　充分利用Multisim中的虛擬儀器，仿真過程中可根據需要利用多塊儀表同時測量三相負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，便于學牛比較分析，加深理解。但是實際實驗室操作由于硬件條件的限制，每個人只能有一塊萬用表，若要測量三相電流則需要分三次測量依次記錄，再根據記錄結果進行比較，顯然沒有Multisim仿真形象、直觀、方便。
　　
　　4、結語
　　
　　將Multisim仿真應用于三相電路的實驗，不僅實驗過程接近實際操作，而且形象、直觀、無危險性，不僅可以解決實際實驗中無法操作的難點，而且可以提高學生的興趣，加深學生對理論知識的理解，對于改進實驗手段，提高教學效果也具有非常重要的作用，是進行電路分析的一個有效手段。