應用Multisim進行三相電路的仿真與分析

蘭海燕

鄭州電力高等專科學校 河南鄭州 450000

在高職高專院校電力類或電力相關專業教學中，講練結合是非常必要的。在三相交流電路的學習過程中，三相三線制、三相四線制、負載平衡、負載不平衡等多種情況對于學習中的學生來說，有時理解得不是那么透徹，或者理論和實際情況不容易結合到一起。所以本文討論這一部分內容理論與實際相結合的教學研究[1]。本仿真實驗基于學生已學過相應理論基礎的情況下進行。

1 構建實驗電路

為了方便地模擬各種實驗情況，這里采用9個獨立的SPST開關J1～J9控制九盞燈泡X1～X9；電壓采取三相星型電源，380/220 V，50 Hz。考慮到不同實驗條件下燈泡耐壓及功耗問題，這里選取虛擬燈泡元件LAMP-VIRTUAL，并設置最大額定電壓400 V，最大額定功率15 W，三相電路如圖1所示。

圖1 三相實驗電路

2 測量實驗數據

本次實驗共有以下幾種情況，三相四線制Y0接平衡負載，三相三線制Y接平衡負載，三相四線制Y0接不平衡負載，三相三線制Y接不平衡負載。不平衡負載考慮包含短路、斷路的特殊情況。實驗需要測量三相線電壓、負載相電壓、負載線電流、中線電流和中點電壓。圖2為三相四線制Y0接平衡負載情況下所有萬用表的接線及讀數。雙擊儀表，顯示讀數，然后按以下順序放置，便于讀數。左側3塊儀表(XMM1～XMM3)為線電流，中間3塊表(XMM5～XMM7)為線電壓，右側3塊表(XMM8～XMM10)為相電壓。中間及右側最下面2塊表分別為中線電流(XMM4)和中點電壓(XMM11)。不同萬用表需要根據調至不同的測量檔位。

圖2 三相四線制Y0接平衡負載

需要注意的是，當稍后測量三相三線制不同負載的時候，需要去掉中線，即需要去掉XMM4所在的導線，而不能去掉XMM11所在的導線。因為這2塊表XMM11是測量電壓，其內阻非常大，本來這根線就是斷路的情況。去掉該表所在導線后，中線(XMM4所在的導線)仍然存在，無法正確觀察三相三線制情況。三相三線制不平衡負載的一種情況如圖3所示。

表1 三相星型負載的實驗數據

圖3 三相三線制Y接B相短路

本實驗中，一共設計了7種不同的連線及負載情況，其余連線情況不再一一截圖顯示。實驗數據見表1。

3 分析實驗結果

3.1 平衡負載情況

根據表1前兩行數據，很明顯看到只要接的是平衡負載，無論是否有中線，對電路無明顯影響。負載中的電壓和電流都保持不變。說明Y0接平衡負載時，中線電流為20 μA左右，對比負載中毫安級的電流，可以忽略不計，兩次的中點電壓都是非常小的數據，在真實實驗環境下，可能完全測不出來。

3.2 普通不平衡負載情況

控制開關，改變接通燈泡的數量。根據表1第三到第六行數據，可以看出，當接入不平衡負載時，線電壓完全沒有發生改變，說明線電壓是不受負載影響的，只和電源有關。而負載相電壓有所不同。三相四線制Y0時，負載相電壓仍然對稱，都是220 V，三相三線制Y時，由于產生中性點位移，所以負載相電壓不再相等。中點位移電壓分別是64 V和116 V，負載不平衡情況越明顯，中點位移電壓越大。

3.3 某一相負載發生短路情況

根據圖3的接線，通過在B相負載旁加短路線，人為設置短路情況，得到表1最后一行數據。這其實仍然是負載不平衡的情況，不過是比較極端的情況，這里畫出相量圖幫助分析(如圖4所示)。

圖4 三相三線制Y接B相短路的相量圖

設電源中性點為N，當B相負載發生短路時，負載中點O與B點重合，即中點位移電壓等于220∠-120°V，新的負載相電壓在圖中用'和'表示，分別等于380∠30°V和380∠90°V。也就是燈泡上承受了380 V的電壓。實驗前，為了避免燈泡燒毀，設置了較高的耐壓400 V，而在實際工作中，若出現這樣的情況，極易造成負載的損壞。

3.4 中線的重要性

通過上述實驗可以看出，中線在工作中起到了重要的保障作用。當負載不平衡時，中線的存在可以使得中點電壓強制為零，避免了中點位移現象的發生，也就保證了負載的安全工作。所以中線不允許斷開，不允許加裝熔斷器和開關等設備。

4 結語

通過上面的實驗可以看出，在教學過程中，如果能夠合理利用Multisim仿真軟件，可以極大地幫助學生理解所學知識。因為在實驗室環境中，基本都以人員和設備的安全為首要考慮因素，很難在做實驗過程中邊做變分析，而實驗結束后，再次回到教室，不少學生都已經對實驗現象或結果印象不深了，理論聯系實際做得就不是很好。而利用Multisim仿真軟件將實驗搬到課堂，邊做變分析，理論結合實際能夠做得到位，幫助學生理解所學內容，實踐證明，效果比較好。

但也要注意，仿真實驗不能完全代替實際現場動手操作[2]。因為現場環境下，需要考慮接線因素，設備因素等各種情況，是對學生綜合動手能力的鍛煉，所以實際動手做真正的實驗也是非常有必要的。因此將仿真實驗與傳統實驗有機結合在一起，很好地設計在教學過程中，才能更好更有效地促進教學，提高學生的學習效果。