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1、【标题】基于Multisim三相电路的仿真分析 【作者】贾 云 红 【关键词】三相电路电压电流 Multisim软件仿真 【指导老师】彭 厚 德 【专业】电子信息科学与技术 【正文】1绪论在工业、农业、医疗卫生、国防科技和人民生产、生活中，三相电路得到了最为广泛的三应用，发电和输配电一般也多采用三相制。在生产和生活中，多数负载是三相制（如三相交流电动机），即使为单相负荷（如电灯）也尽量地接为对称的三相电路形式。通常三相交流电的电压较高，因此针对三相电路的实验不仅危险性较大，而且有些故障性试验（如负载短路）较难进行。加拿大 Interactive Image Technologies(IIT)公
2、司开的 EDA仿真软件Multisim，提供了适用于三相电路的各种元器件模型(如三相交流电压源、开关、电阻、电容、电感等)、测试仪表和分析方法,可以进行多种三相电路的特性实验。利用该软件在电路仿真上的优越性,对不对称三相电路进行仿真分析，使分析过程更加方便简单，结果更加清楚明了1。1.1 Multisim软件的发展历史MultiSiM软件是众多电子仿真软件中的佼佼者，且该软件近年来在不断地更新和升级，功能越来越完善，具有强大的生命力。20世纪80年代，加拿大Interactive Image Technologies公司(简称IIT公司)推出了颇具特色的电子仿真软件EWB5.0(Electro
3、nics workbench)，曾经风靡世界。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代就在我国得到了迅速推广，受到了电子行业技术人员的青睐。跨入21世纪初，加拿大IIT公司在保留原版本优点的基础上，增加了更多的功能和内容，特别是改进了EWB5.0软件虚拟仪器调用有数量限制的缺陷。将EWB软件更新换代推出EWB6.0版本，并取名MultiSim(意为多重仿真)，也就是Multisim2001版本。2003年升级为Multisim7.0版本。电子仿真软件Multisim7.0功能已相当强大，能胜任各种电子电路的分析和仿真实验。它有十分丰富的电子元器件库，
4、可供用户调用组建仿真电路进行实验；它提供18种基本分析方法，可供用户对电子电路进行各种性能分析；它还有多达17台虚拟仪器仪表和一个实时测量探针，可以满足一般电子电路的测试和实验。但它有一个缺点，就是将电阻的单位用“Ohm”三个字母表示，使用起来不方便。除了这一点之外，电子仿真软件Multisim7.0已经相当成熟和稳定，是加拿大IIT公司在开拓电子仿真软件领域中的一个里程碑。以后加拿大IIT公司又相继推出Multisim8.0、8.3.30等版本，将Multisim7.0的缺点，即电阻的单位“Ohm”三个字母改为用表示。Multisim8.0版本除了增加了一些元件库品种、一台“泰克”示波器和其
5、它一些功能之外，给人的印象与Multisim7.0相比并没有太大的区别。2005年以后，加拿大IIT公司已经隶属于美国国家仪器公司(National Instrument，简称NI公司)，美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本，2007年初，美国NI公司又推出最新的NI Multisim10版本，在原来的Multisim前冠以NI，启动画面右上角有美国国家仪器公司的徽标和英文“NATIONAL INSTRUMENTSTM”字样2。1.2 Multisim软件的应用情况 Multisim软件具有直观、方便的操作界面，创建电路、选用元器件和虚拟测试仪器等，均可直接从屏幕图形中
6、选取，而且提供的虚拟测试仪器非常齐全，其外观与实物外形基本相似，操作这些虚拟设备如同操作真实的设备一样。NI Multisim10软件极大地扩充了元器件数据库，特别是大量新增的与现实元件对应的元件模型，增强了仿真电路的实用性，同时还可以新建或扩充已经有的元器件库，建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到。NI Multisim10软件具有较为完善的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳定分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零、极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法。此外，还可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障，以便观察
7、到故障情况下的电路工作状态2,3。三相电路是日常生活和生产中应用广泛的电路系统,也是电工技能考核的一项重要内容,因此在电子电工教学和实验中,三相电路占有重要的地位。但是因为三相电路的电压较高,对实验人员可能造成一定的危险,同时由于某些故障性实验可能会对元器件造成损伤,因此对三相电路的实验、实习难以实施。随着 EDA(Electronic Design Automation)技术的发展,应用计算机软件对电路系统进行仿真不仅可以得到与真实情况相同的结果,而且更加直观形象,同时避免故障原因对元器件造成的损伤,节约了实验成本,提高了实验人员的安全性。目前在电子电路设计和辅助分析中,常用的仿真工具有 M
8、ultisim,Pspice, Protel等,其中Multisim由于具有界面友好、操作简便、直观生动等特点,广泛使用于电子电路实验的形象化教学和三相电路的仿真研究,在国内外的大、中专院校中得到了极其广泛的使用4。1.3小结本节主要对Multisim软件的发展历史、特点及其应用进行了介绍。2三相电路的基本概念2.1三相电路的基本概念目前,世界各国的电力系统中电能的生产、传输和供电方式绝大多数都采用三相制。三相电力系统是由三相电源、三相负载和三相输电线路三部分组成。三相电路是日常生产和生活中应用广泛的电路,通过实验方法研究和分析三相电路的运行情况显得很有必要,但由于三相电路的实验有一定的危险性
9、,而且某些故障性实验可能会对元件甚至整个电力系统造成破坏,因此三相电路的实验难以实施.大量文献资料通过三相负载对电路的影响的理论分析,阐述了供电系统中什么时候采用三相三线制和三相四线制的原因5。三相电路分为对称三相电路和不对称三相电路。在三相电路中，只要三相负载不完全相等，就称为不对称三相电路，例如，对称三相电路的某一条端线断开，或某一相负载发生短路或开路，它就失去了对称性，成为不对称的三相电路5,6。2.2三相电源的连接目前，世界各国的电力系统中电能的生产，传输和供电方式绝大多数都采用三相制。三相电源由三个频率相同，振幅相等，而相位彼此相差的正弦电动势组成。如果将三个电源的末端连接在一起，这
10、一连接点称为中性点或零点，用N表示。这种连接方式称为星形（Y）连接，如图2.1所示。从中性点引出的导线称为中性线或零线。从始端引出的三根线A、B、C称为相线或端线，俗称火线。端线与中性线之间的电压叫相电压，有效值一般用表示，任意两端线之间的电压叫线电压，有效值一般用表示。可见，三相电源星形连接，可以获得两种电压。如果将三个电源的始末端相连接，构成闭合的三角形，这种连接方式称为三角形（）连接，如图2.2所示。可见，三相电源三角形连接，只能获得一种电压。这三相电源依次称为A（或U）相、B(或V)相、C(或W)相。设它们的电压分别为7式(2-1)对应的相量形式为：式(2-2)在三相电源星形连接中，式
11、(2-3)在三相电源三角形连接中，式(2-4)2.3三相电路负载的连接三相电路的负载，是指使用交流电流的用电器的总称。例如三相异步电动机是必须接在三相电源上才能工作的。其它各种家用电器，常用的无线电测量仪器及电动工具等都是连接在三相电源的任意一相上工作的。一般在使用时，尽可能把它们分成相等的三组分别连接在三相电源的各相上。如果三相电路的每相负载阻抗相等、而且性质相同，这种负载称为三相电路的对称负载；否则，就是三相电路的不对称负载5。2.3.1三相负载的星形连接三相负载的星形连接如图2.3所示，三相负载、的一端连在一起并接至电源的中线上，另一端分别与三根端线A、B、C相接。如果忽略输电线阻抗，这
12、时加在各相负载上的电压就等于电源的相电压，即：式(2-5)在三相电路中，流过每相负载的电流称为相电流，用、表示；流过端线的电流称为线电流，用、表示。当负载作星形连接时，各相线电流等于相应的相电流，即式(2-6)根据欧姆定律可得每相负载中的电流为:式(2-7)对负载的中性点应用可得中性线上电流为：当三相负载对称时，三个相电流、也是对称的，即有效值相等，相位互相相差，此时中性线的电流为零，因此可以省去中性线构成三相三线制电路8。2.3.2三相负载的三角形连接三相负载作如图2.4所示的三角形连接时，从图中可以看出，各负载实际上是接在三相电源的两相线之间，所以负载上所加的电压等于电源的线电压。由于三相
13、电源的线电压是对称的，所以无论负载是否对称，各相负载上的电压总是对称的。分析三相负载三角形连接的电路时，常以电压为参考相量，即5,6：式(2-8)流过每相负载的电流、称为负载相电流，它们取决于各相负载的阻抗，流过相线的电流、称为线电流。式(2-9)式(2-10)如果三相负载对称，则三个相电流是对称的，它们的相位互相相差，且有效值相等，由表示7，即：，式中为每相负载的电压有效值，在负载三角形连接时，各相负载的相电压等于电源的线电压，即。线电流、也是对称的，它们在相位上分别滞后于相应的相电流，三个线电流的有效值相等，可用表示，即：，线电流的有效值与相电流的有效值有确定的关系，即9。2.4小结本章对
14、三相电路的基本概念，三相电源的连接，三相负载的连接分别作了介绍和分析，对三相电路有了相应的了解，有助于对三相电路的进一步分析与计算。3负载星形联接的三相电路的计算与仿真3.1对称负载星形联接三相电路的计算与仿真对称三相电路，是指由对称三相电源与对称三相负载所组成的三相电路。这种电路的特点是各相的相电流和相电压都是对称的，由于对称三相电路的连接方法不同，计算方法也有差异。但其中比较典型的连接方法是（即电源和负载均为星形三相四线制）连接。这是因为星形连接的三相对称电源，当给定线电压时能方便地求得相电压，同时对于负载阻抗，不论怎样连接，又可通过变换最终化成Y连接组成三相四线制电路10。3.1.1对称
15、负载星形联接三相电路的计算图3.1所示三相电源为对称星形连接，负载为对称星形连接，如图所示为一对称的三相四线制Y-Y连接电路，设为线路阻抗，为中线阻抗,为负载阻抗。假设电路各参数均已知，要求各支路电流、负载的相电压和线电压。因为电路结构具有节点少的特点，所以采用节点分析法11。设电源的中性点N为参考节点，可得式(3-1)故式(3-2)由于三相电源电压对称，即式(3-3)故有式(3-4)即与是等电位点。而对称的三相电流为其中式(3-5)中线电流为负载各相电压为6式(3-6)负载各线电压为式(3-7)从上分析计算可知，在对称星形电路中，负载中性点和电源中性点是等电位点，即，中性线没有电流。因此，不
16、论中线阻抗为多少或有无中性线，中性点和之间可以用一条没有阻抗的理想导线连接起来而不影响电路的工作状况，而各相电流仅由本相电压和阻抗所决定。由于对称三相线电流、相电流以及三相线电压、相电压均构成了对称组，可以任意选取其中的一相（例如相）来分析计算，而其他两相的电压、电流就能按对称性原则写出。图3.1所示电路的一相计算电路如图3.2所示12。设图3.1所示的对称三相电路中,三相电源线电压为380V,星形负载阻抗,线路阻抗,试计算,及各负载阻抗的电压，。根据所以设，取相电路计算，如图 3.2所示。根据对称性有由于串联，相电流与线电流相等。所以同理：3.1.2对称负载星形联接三相电路仿真对上面的星形对
17、称三相电路进行仿真，从元件库中调取所需元件，对其进行设置，由于，所以三相交流电压有效值为220V，相位互相相差，频率设为50HZ。由于，且为串联，所以、，、将各元件连接成星形对称电路，将电流表串联在电路中13，运行结果如图3.3。图3.3将电压表并联在电路中，运行结果如图3.4。图3.4本结首先对负载星形连接的对称三相电路进行了理论分析，然后举实例进行了计算分析，计算了电路的电流与负载电压，然后用Multisim仿真软件对电流和负载电压作了仿真，仿真结果与计算结果相差不大，误差很小，基本可以忽略，可见，用Multisim仿真软件对电路进行仿真既简单又方便，结果可靠。3.2不对称负载星形联接三相
18、电路的计算与仿真3.2.1不对称负载星形联接三相电路的计算所谓星形不对称三相电路是指三相负载阻抗不完全相等，即或或三相不对称负载星星连接时，中性线电流为，因此，中性线不可以省掉。所以，应采用三相四线制，如图3.5所示14。计算时可将三相负载视为三个单相负载分别分析计算。由于每相负载所承受的电压为电源相电压，所以线电流等于每相负载的相电流，有，式(3-8)可见，中性线电流不为零，即。在负载不对称的三相四线制供电系统中，若中性线断开，中性线电流无法通过，迫使负载改变原来的工作状态，中性点与之间出现中性点电压。根据结点电压法得10：式(3-9)此时负载上的相电压、与电源的相电压、之间的关系可根据KV
19、L写成：式(3-10)各相的相电流（也是线电流）分别为:式(3-11)在图3.6所示电路中，电源为相电压的对称三相电源，、，、，计算,。因为：所以：设，。由于接有中性线，因此，各相电流分别为由所得电流值可以看出，因为负载不对称三相电流也不对称，即三个相电流大小不同，相位差也不是互相相差。因此，三相电流的总和，即中性线电流不为零，由图3.6可知3.2.2不对称负载星形联接三相电路仿真对上面的星形不对称三相电路进行仿真，从元件库中调取所需元件，对其进行设置。由于，所以三相交流电压有效值为220V，相位互相相差，频率设为50HZ。因为：所以：因为：所以：将各元件连接成星形不对称电路，将电流表串联在电
20、路中，运行结果如下：图3.73.3小结本章对负载星形对称和不对称三相电路进行了分析，如果负载不对称，我们必须计算每一相的电流值，相对于对称电路计算起来更加麻烦，同样我们也用了Multisim仿真软件对其进行了仿真，仿真结果与计算结果也基本一致，但相对于计算却简便了很多。4负载三角形联接的三相电路的计算与仿真4.1对称负载三角形联接三相电路的计算与仿真4.1.1对称负载三角形联接三相电路的计算三相负载三角形连接时，每相负载上的电压是电源的线电压。若图4.1所示电路接入三相对称负载，即，当线、相电流正方向如图4.1所示时，各负载中的电流分别为9式(4-1)如果设线电压的初相是，有效值为，则式(4-
21、2)三相对称负载三角形联结，各相负载电流分别为式(4-3)三相对称负载三角形联结时，相电流是一组对称的三相电流，其大小相等，相电流的有效值，相位彼此相差15。三相负载三角形联结的电路如图4.1所示。三相负载三角形连接时，线电流与相电流不相等，由图4.1可以看出式(4-4)以和为邻边作平行四边形，平行四边形的对角线即为线电流。按同样的方法，可得出线电流和。由此可得出，线电流式(4-5)对称三相负载三角形联接时，线电流也是一组对称的电流，线电流是相电流的倍，相位落后相应的相电流。线、相电流的通用关系式为14三相对称负载三角形联接时，只要将某一相的电流计算出来后，其余两相的电流及线电流可根据对称性写
22、出来。在图4.1中，设线电压，各相负载阻抗相同，均为，算出相电流和线电流16。首先计算相的负载电流因为是对称负载，所以和电流值的大小与相同，相位互相相差，即线电流4.1.2对称负载三角形联接三相电路的仿真对上面的对称负载三角形联接的三相电路进行仿真，从元件库中调取所需元件，对其进行设置，由于，所以交流电压有效值为，相位互相相差，频率设为8。在上面计算的三相电路中，因为所以、。图4.2本结首先对对称负载三角形联接三相电路进行了分析和计算，并用Multisim软件对其进行了仿真,通过比较我们可以明显看出运用Multisim软件可以轻松的测出三相电路的线电流和相电流,没有计算那样麻烦。4.2不对称负
23、载三角形联接三相电路的计算与仿真4.2.1不对称负载三角形联接三相电路的计算对于不对称负载三角形联接的三相电路，三相负载阻抗不相等，各相电流间不存在对称关系，线电流与相电流间也不存在相应的大小和相位关系。因此，对于不对称负载三角形联接的三相电路中的电流，应根据以下式子逐相分析计算相电流17：式(4-6)线电流式(4-7)在图4.1所示电路中，设线电压，计算不对称三相电路的相电流和线电流。线电流4.2.2不对称负载三角形联接三相电路的仿真对上面的不对称负载三角形联接的三相电路进行仿真，从元件库中调取所需元件，对其进行设置。由于，所以交流电压为，相位相差，频率设为。因为：所以：因为：所以：将各元件
24、连接成三角形不对称电路，将电流表串联在电路中，测出相电流为：图4.3线电流：图4.44.3小结本章对不对称和对称负载三角形联接的三相电路进行了分析与计算，从以上计算过程可以看出，计算过程非常麻烦，同时我们用Multisim软件对其进行仿真，我们可以很轻松的得出结果。5总结本论文首先对Multisim软件的发展历史、特点及其应用进行了介绍。然后对三相电路的基本概念、三相电源和三相负载的连接分别作了介绍和分析，接下来分别对对称负载星形连接电路和三角形连接电路、不对称负载星形连接电路和三角形连接电路进行了理论计算和仿真。从对三相电路的仿真实验结果可以看出，运用Multisim软件对三相电路进行仿真分析,不仅可以得到精确的实验结果,而且更加直观生动，同时还可避免实验室操作可能对实验人员造成的危险性以及对元器件的损坏,缩短了实验的时间。由此可见，运用Multisim软件对三相电路进行仿真分析是对电路进行分析的一个有效手段。