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1、电工电子综合实验（I）仿 真 论 文实验名称： 裂相电路的仿真研究 姓 名： 班 级： 学 号： 专 业： 电子信息工程 学 院： 电子工程与光电技术学院 裂相电路的仿真研究摘要：本文主要研究利用Multisim 11.0仿真设计软件模拟的裂相电路。通过设定一定参数的R-C两相电路，将单相交流电源（220V/50Hz）分裂成相位差为90的两相电源（155V/50 Hz）。并从R-C两相电路出发，简单的通过输出电压、功耗与裂相电路负载参数之间的关系，研究了电压负载（阻性、感性、容性）特性曲线，同时验证所设计的电路在空载时功耗最小。关键词：裂相电路，单相电源，两相电源，负载特性曲线1 引言随着电子
2、科技的发展，物理学与电工学教学演示越来越多的进入人们的日常生活。可是在大多数家庭民用场合，往往没有两相动力电源，而只有单相电源，如何利用单相电源为两相负载供电，成为了值得深入研究的问题，此时裂相技术就体现了它很大的实用价值。笔者从一些电工学教科书提到的R-C裂相电路出发，在参考了一些资料后，对其进行了仿真研究。在将单相交流电源分裂成相位差为90的两相电路的实验中，通过仿真测量，记录多组负载的数据，并作出电压负载（两负载相等，分别有电阻，电感，电容）的特性曲线，并进行了简单的分析，以研究其性质（输出电压、功耗与裂相电路负载参数之间的关系），同时验证所设计的电路在空载时功耗最小。2 正文1.1 实
3、验原理如下：把电源US分裂成U1和U2两个输出电压。如下图所示为RC桥式分相电路原理的一种，它可将输入电压US分裂成U1和U2两个输出电压，且使U1和U2的相位差为90。 daccU1U2UsU1U2dUsC2R1C11R2Ul1111123l111U2dcabRC桥式分项电路原理1.2 RC桥式分相电路原理将电源US分裂成U1和U2两个输出电压：利用R-C串并联电路它可将输入电压路US分裂成U1和U2两个输出电压，且使U1和U2相位差为90。如上图所示电路中输出电压U1和U2分别与输入电压US为 对输入电压US而言，输出电压U1和U2的相位是或 因此若则必有一般而言，和与角频率无关，但为使U
4、1和U2数值相等，可令1.3 实验元件：序号名称型号与规格数量1单相交流电源220V/50Hz12电阻器31.8323电容100F24示波器XCS115万用表XMM1,XMM226功率表XWM1,XWM227线形电位器28可变电感29可变电容21.4 实验电路图：在空载情况下运行时： 万用表测得两相电压源空载时的电压值：示波器观察到两相电压源输出的相位差：由示波器图像可知，裂相后的两相电源输出的相位差约为90功率表测得电压源空载时的功率：2.在两相电源的每一相上分别接一个虚拟线性电位器，调节两电位器使得阻值相等。分别测量记录不同阻值时二相电源的电压和此时的负载功率，然后绘制电压负载特性曲线（其
5、中输出电压到150（1-10%）；相位差为90（1-5%）、以及功率负载特性曲线。R1=R2/102030405075100U1/V51.14879.19496.029107.026114.698126.400132.947U2/V51.14779.19296.026107.023114.694126.396132.943R1=R2/200300500700100030005000U1/V143.697147.529150.682152.057153.097154.729155.058U2/V143.692147.524150.677152.052153.092154.725155.053R1
6、=R2/70001000015000200003000050000100000U1/V155.199155.305155.387155.429155.470155.503155.528U2/V155.194155.300155.383155.424155.465155.498155.523电压负载特性曲线R1=R2/1510203050100P1/W44.857175.148261.613313.587307.385263.112176.750P2/W44.854175.138261.597313.568307.367263.096176.739R1=R2/200300500100015002
7、0003000P1/W103.24372.54945.41023.43915.79211.9077.980P2/W103.23772.54545.40723.43715.79111.9077.980R1=R2/50001000015000200003000050000100000P1/W4.8092.4121.6101.2080.8050.4830.242P2/W4.8082.4121.6101.2080.8050.4830.242功率负载特性曲线3. 讨论裂相后电源接负载接电感或容性时的情况，并做电压-负载特性曲线。3.1 讨论裂相后电源接负载接电感时的情况，并做电压-负载特性曲线。两相电源
8、的每一相上分别接一个可变线性电感，调节使得两电感显值相等。负载为感性的裂相电路实验线路如下：L1=L2/mH102025303540U1/V23.94652.53868.47985.295102.674120.188U2/V23.94652.53668.47785.293102.671120.184L1=L2/mH50607080100200U1/V153.511181.175200.798212.562219.962197.277U2/V153.507181.170200.792212.555219.955197.271L1=L2/mH300500800100030005000U1/V183
9、.409172.000165.690163.620158.201157.136U2/V183.403171.995165.685163.615158.196157.132表格如下：电压负载特性曲线结论：负载为两相同电感值的电感时，随着电感值增加，所测电压先增大后减小，且在L=R(20)，即L=80mH时，电压取得极大值。越过最大值之后，电压值随电感值增加而增加。3.2 讨论裂相后电源接负载接电容时的情况，并做电压-负载特性曲线。两相电源的每一相上分别接一个可变电容，两电容值相等。负载为容性实验线路如下：表格如下： C1=C2/F1102030405060U1/V154.777147.98714
10、0.831134.127127.864122.026116.592U2/V154.724147.983140.827134.123127.860122.022116.589C1=C2/F7080901003005001000U1/V111.502106.835102.45898.38153.35536.16619.917U2/V111.498106.831102.45598.37853.35336.16519.916电压负载特性曲线结论：负载为两相同电容值的电容，电容小于一定值时，各相电压基本平稳保持在空载电压值附近，大于该值后随着电容容性的增加，电压明显降低。三 实验结果分析 1.裂相电路的
11、作用是将单相的电源裂变为两相电源，电路的原理非常简单。空载时的电压有效值分别是155.552V和155.548V，满足试验所需值150V10%；由示波器图像可知，裂相后的两相电源输出的相位差在902%范围内。又根据我的数据设计，即R1=R2=31.83；C1=C2=100uF。通过代入数据计算可得U1=U2理论值为155.551V，与实验值较为吻合。，当接上负载以后，随着负载电阻的增大，负载上的电压U1,U2也增大。当负载增大到远大于C1或R2的阻抗值时，U1,U2基本保持155V左右，相当于空载时的电路。 2.当负载为电阻时，功率和负载关系为随着阻值的慢慢增大，负载消耗的功率先增大(增大速度
12、较快)后减小，且当负载趋向于无穷大的时候（即空载的时候）功耗趋近于0，可知空载时功耗最小。当阻值从1到12这一段功率增长比较明显，之后又逐渐变缓，当阻值取100000时，功率为0.242W。因此，当阻值趋向于即我们要讨论的空载情况时，功率最小（逐渐趋向于0）。从而可以得出空载时电路功耗最小这个结论。 3.当负载为电感时，我们同样可以作出分析。对于U1，当L=时，即L=80mh时，电路发生串联谐振R1被短路，此时L1两端的电压U2应为单相电源电压值220V。对于U2，同理当L=，即L=80mh时，电路发生并联谐振，R2断路，L两端电压亦为最大220V。观察实验所测数据以及所画特征曲线，在63.7
13、mh左右取得峰值，理论计算和仿真测量结果较一致。 4.负载为电容时电压随电容的变化关系和接电阻时的变化关系基本一致，不同的是，随着电容值增大，并联阻抗值是减小的，所以UR曲线是呈下降趋势。四 裂相电路应用 随着电子技术的飞速发展，裂相技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。例如：1：在单相电动机里头,需要不同的相位的电源以形成移进磁场,或者旋转磁场才能使鼠笼转子转起来.采用的电源是单相的,内部却要多相的.这就要靠分相电路了。2：电子电路中,有时由于电路性能指标的需要,也要设计分相电路.例如彩电中的色度处理,要将付载频分相。3：简单的电路结构进行分相器输出绕组断线等故障诊断，降低分相器故障诊断
14、电路的成本及提高可靠性，而且降低分相器故障诊断电路的功耗。实现上述目的的手段是，在接受来自随着转子的旋转从输出绕组输出与旋转角度相对应的旋转角度信号的分相器的信号的分相器信号输入电路中，在上述输出绕组的输出振幅为规定值以下，而且输出电压的中心电压与正常动作时的中心电压的偏差超过允许范围时，判定上述输出绕组有故障。五 总结本次实验通过mutisim11.0软件仿真主要研究了将单相交流电源分裂为相位差为90的两相电源，绘制其电压负载特性曲线并讨论了电路在什么情况下功耗最小。同时将分裂成的两相电阻负载改为感性和容性负载并绘制其电压负载特性曲线。最后通过讨论、查阅资料和上网搜索了解了分相电路的用途。通过这次实验不仅让我对分相电路有了具体而详细的了解，也对mutisim11.0软件功能更加了解，使用更加熟练，同时让我进一步地接触实际问题，将理论应用于实际，并学会处理遇到的问题，尝试解决和解释了理论与实际有差异的的地方。参 考 文 献 1 马鑫金.电工仪表与电路实验技术.机械工业出版社. 2010.22 黄锦安.电路.机械工业出版社.2007.83 胡翔俊.电路分析.电子科技大学出版社4 张喜军.许军.王新忠等.Multisim10电路仿真及应用.机械工业出版社2010.0211