正弦信號激勵下RL電路暫態過程的Multisim仿真實驗分析

王艷梅

（渤海大學 信息科學與技術學院，遼寧 錦州121000）

正弦信號激勵下RL電路暫態過程的Multisim仿真實驗分析

王艷梅

（渤海大學 信息科學與技術學院，遼寧 錦州121000）

正弦信號激勵下的RL一階電路，正弦激勵信號的初相位角和電路的阻抗角滿足一定關系時其換路瞬間的暫態過程會出現過電流現象。由于硬件實驗儀器的正弦信號發生器不能隨意設置初相位角，無法對這種過電流現象進行實驗驗證。基于探索RL一階電路過電流現象仿真實驗技術的目的，用Multisim14軟件對RL一階電路的過電流現象進行了仿真實驗驗證，并給出實驗原理和方法，結論是仿真實驗可直觀形象地描述暫態過程及過電流現象，有利于系統地研究電路元件參數的選擇。

正弦激勵信號；RL電路；暫態過程；過電流；Multisim

由電阻、電感構成的RL一階電路，在換路時由于儲能元件中的能量不能突變，電路的響應會出現暫態過程。正弦激勵下的RL一階電路，正弦激勵信號的初相角和電路的阻抗角滿足一定關系時其換路瞬間的暫態過程會出現過電流現象[1]。一些文獻，對這種過電流現象僅從理論上進行了分析而缺少實驗驗證，原因是硬件實驗儀器的正弦信號發生器不能隨意設置初相位角，用Multisim軟件仿真可解決上述問題。

仿真實驗的目的，是給出正弦信號激勵下RL一階電路在換路瞬間的暫態過程中電感元件過電流現象的實驗原理和方法。

以下分析用Multisim14版本，所述方法亦適于其他版本。

1 RL一階Multisim仿真電路的構建及工作原理

在Multisim14軟件[2-15]中構建的正弦信號激勵RL一階仿真電路如圖1所示。其中，uS（t）為輸入正弦激勵信號，XSC1為雙蹤示波器，R為電阻元件，L為電感元件。uL（t）為電感兩端電壓，uR（t）為電阻兩端電壓，電感電流即RL串聯回路的電流iL（t）為響應電流。

圖1 RL一階Multisim仿真測試電路

Multisim仿真測試電路的構建關鍵要點如下。

1）Multisim仿真測試電路沒有設置換路開關，用Multisim仿真軟件的仿真開始按鈕Run或計算機鍵盤的F5按鍵替代換路開關，按下Run按鈕或F5按鍵電路開始工作，相等于換路開關閉合。按下Multisim仿真軟件的Stop按鈕結束仿真。

2）信號電壓源的選擇

產生最大過電流時對正弦激勵信號的初相角有要求，仿真實驗電路中的信號電壓源必須能設置初相角。

Multisim14軟件虛擬儀器庫中的函數信號發生器，輸出產生正弦波時只能對工作頻率、幅度和直流偏置等參數進行設置，不能設置初相角。因此，不能選用虛擬儀器庫中的函數信號發生器。

Multisim14軟件的元器件庫（元器件工具欄）中的電源/信號源庫的信號電壓源為虛擬器件，可通過自身的屬性對話框對其相關參數進行設置，由Voltage（RMS）設置有效值、Frequency（F）設置頻率、Phase設置初相角。

3）電流量的測試

RL一階電路中電感元件中的電流量即RL串聯回路的電流量是過電流現象的主要測試電量，而顯示儀器示波器只能顯示和測量電壓量，不能顯示和測量電流量。因此，實驗測試電流量iL（t）由暫態過程到穩態過程的變化情況只能通過電壓量間接進行。RL一階電路中，電阻R又是電流檢測電阻，其兩端電壓的波形與電感中電流的波形形狀相同，再用歐姆定律將電壓量轉換成電流量。考慮到示波器要求所測量的電壓量必須是一端接地，因此，仿真實驗測試電路中電阻R必須是一端接地。

4）顯示儀器的選擇

仿真測試時，需用波形顯示的方式直觀地反映電路由暫態到穩態的變化過程，需要同步顯示的信號有輸入正弦激勵電壓信號和電阻兩端的電壓，因此選用Multisim14軟件虛擬儀器庫中的雙蹤示波器、四蹤示波器（用其中的2路）均可。圖1中，雙蹤示波器XSC1用于觀測正弦激勵輸入信號uS（t）、電阻兩端電壓uR（t）的波形。

2 正弦信號激勵下RL一階電路的完全響應及過電流現象

圖1所示電路，設正弦激勵信號為

其中：Usm為輸入正弦激勵信號的最大值；ω為角頻率；為接通電源時的初相角，以按下仿真開始按鈕Run或計算機鍵盤的F5按鍵作為t≥0仿真開始的時刻為電路換路時刻。

以電感電流iL（t）為變量，建立t≥0開關閉合電路微分方程，可求出在初始條件為iL（0）=0的條件下，由正弦穩態分量和暫態分量上相疊加的電路存在過電流現象的完全響應為[1]

其中，ILm為RL一階電路穩態時電感電流的最大值，θ為RL一階電路的阻抗角。

分析式（2），顯然接通電源換路時若初相角為

電路的完全響應為

3 正弦信號激勵下RL一階電路完全響應的Multisim仿真實驗分析

圖1所示仿真實驗電路的參數選取及理論計算結果如下。

電阻：R=100 Ω。電感：L=0.1 H。電路初始條件：iL（0）=0。

圖2 時的仿真波形

圖3 時的仿真波形

圖2、圖3中表明，換路后暫態過程中電路產生了過電流現象，經過約5個輸入信號變化周期暫態過程結束；時正弦穩態分量疊加在負向暫態分量上，時，正弦穩態分量疊加在正向暫態分量上。

Multisim仿真測試的結果與理論分析相一致。

4 結束語

文中的討論，可以清楚地全面了解正弦信號激勵下RL一階電路的完全響應情況，以及接通電源換路后在暫態過程中正弦信號初相角與過電流現象的關系。

RL一階電路的過電流現象雖然時間很短暫，但在工程上卻有著十分重要的意義，在實際工程中應引起足夠的重視。

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Multisim simulation experiment analysis of transient process of RL circuit under sinusoidal excitation

WANG Yan-mei
（College of Information Science and Technology，Bohai University，Jinzhou 121000，China）

Sinusoidal excitation signal RL first order circuits，sinusoidal excitation circuit and the initial phase angle signal impedance angle satisfy certain relations，in transient circuit changing moment will appear over-current phenomenon.Since the hardware laboratory instruments sinusoidal signal generator can not arbitrarily set the initial phase angle，can not this over-current experimental verification. Objective To explore based on the first order RL over-current circuit simulation technology with Multisim14 software over-current RL first order circuits simulation experiments，and experiments are given principles and methods，concluded that the simulation can describe the visual image transient and over-current phenomenon is conducive to systematic study of the selection circuit element parameters.

sinusoidal excitation signal；RL circuit；transient process；over-current；Multisim

TN702

A

1674-6236（2017）09-0046-03

2016-04-01稿件編號：201604004

遼寧省教育廳一般項目（L2015007）

王艷梅（1972—），女，遼寧錦州人，副教授。研究方向：計算機應用技術。