Multisim在三相電路中的應(yīng)用

摘要：為了能直觀、全面了解對(duì)稱(chēng)三相電路的特點(diǎn)并加深理解中線在不對(duì)稱(chēng)三相電路中的作用，采用Multisim軟件對(duì)三相電路仿真的方法，通過(guò)萬(wàn)用表的測(cè)量值以及示波器的實(shí)時(shí)波形，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并驗(yàn)證理論；與實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作相比，該方法不僅無(wú)危險(xiǎn)性，而且具有許多實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高教學(xué)效果具有十分重要的作用。
關(guān)鍵詞：三相電路；Multisim；電路仿真；中線；教學(xué)效果

0 引言
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(chēng)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(chēng)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(lèi)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(hù)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(chēng)的，所以根據(jù)負(fù)載是否對(duì)稱(chēng)又分為對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)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(chēng)，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(chēng)三相電路中各相電壓和電流是對(duì)稱(chēng)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(chēng)和不對(duì)稱(chēng)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(chēng)和不對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)三相四線制電路和對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)三相電路某一相發(fā)生故障時(shí)的仿真
對(duì)于不對(duì)稱(chēng)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。