Multisim在三相電路中的應用

摘要：為了能直觀、全面了解對稱三相電路的特點并加深理解中線在不對稱三相電路中的作用，采用Multisim軟件對三相電路仿真的方法，通過萬用表的測量值以及示波器的實時波形，分析實驗結果并驗證理論；與實驗室實際操作相比，該方法不僅無危險性，而且具有許多實驗室實際操作無可比擬的優(yōu)勢，對提高教學效果具有十分重要的作用。
關鍵詞：三相電路；Multisim；電路仿真；中線；教學效果

0 引言
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(nèi)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220 V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(chuàng)建、電路的測試分析和仿真結果等內(nèi)容集成在一個電路窗口中。Multisim的元器件庫提供了數(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、信號發(fā)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(jù)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(huán)節(jié)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1 A的保險絲，并分別串聯(lián)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(shù)。
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454．583 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(fā)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(fā)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(xiàn)燒壞保險絲的現(xiàn)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220 V變?yōu)榫€電壓380 V，導致另外兩相的保險絲燒毀。為了驗證這一現(xiàn)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(shù)據(jù)可以看出，對于有中線的三相電路，發(fā)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(fā)光，萬用表測得兩端電壓約為220 V，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。