Multisim仿真在感性負載功率因數(shù)改善實驗中的應(yīng)用

張俊利 王曉燕

（西安建筑科技大學 陜西省西安市 710055）

電工電子技術(shù)是工科院校面向非電專業(yè)開設(shè)的課程，對于需要掌握現(xiàn)代化機械及自動化知識和技能的機械工程專業(yè)的學生而言，電工電子課程是一門必修的基礎(chǔ)課。在電工電子技術(shù)課程的實踐教學中，會遇到這么幾個問題：

（1）實驗臺數(shù)量有限而學生人數(shù)較多時，不能做到讓每位學生都能動手實踐操作，甚至會出現(xiàn)小組成員為此產(chǎn)生爭執(zhí)的情況。

（2）基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容完成之后，往往還有學生意猶未盡，想要更多練習和驗證自己對電工理論知識的理解，但這與實驗室有限的開放時間、有限的實驗設(shè)備和有限的實驗元器件相矛盾。

（3）由于理論知識點較多，內(nèi)容抽象、難懂，因此在實驗操作中，學生在不十分清楚理論的情況下貿(mào)然接線，存在一定的安全隱患。

在此基礎(chǔ)上，我們引入了不需要實物元器件就能操作完成實驗的Multisim 仿真軟件，讓學生隨時、隨地就能完成實驗、驗證結(jié)果，并激發(fā)學生更大的學習熱情和滿足大家的不同需求。

1 Multisim仿真軟件簡介

Multisim 是美國國家儀器(NI)公司推出的一款虛擬仿真軟件，它是基于SPICE 標準的電路仿真軟件，具有直觀化和圖像化的操作界面，含有豐富的虛擬元器件，操作安全，并能快速地顯示仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果，適用于各種電路的仿真和設(shè)計工作[1]。

Multisim 提供了上千種元器件和各種電路測量儀器和儀表，如萬用表、示波器、信號發(fā)生器、頻譜儀等。各種儀器、儀表的控制面板和操作方式與實物相似，測量的數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣[2]。元器件與測量儀表不但種類較多，在使用時也無使用次數(shù)和數(shù)量的限制。

由于Multisim 操作簡便，學生經(jīng)過簡單的學習后就可以進行基本操作，因此在高校電類課程教學中應(yīng)用廣泛。

2 Multisim仿真軟件在電工電子實驗中的應(yīng)用

下面以感性負載功率因數(shù)的改善這個傳統(tǒng)的電工電子實驗為例，說明Multisim 仿真軟件是如何在電工電子實驗中展開仿真教學的。

通常在實踐教學中，我們是先從原理開始分析的。

2.1 感性負載功率因數(shù)的改善理論

生產(chǎn)中，感性負載較為常見，如工頻爐、電焊變壓器等生產(chǎn)設(shè)備都是感性負載。感性負載由于其中含有電感元件，因此感性負載的端電壓與其中的電流二者之間有相位差φ，這個相位差的余弦值cosφ 就是感性負載的功率因數(shù)，其值在0～1 之間，φ 也稱為功率因數(shù)角。

感性負載接在交流電路中時，由于儲能元件電感需要無功功率，因此電源的能量不能完全轉(zhuǎn)換為有功功率，導致電路的功率因數(shù)cosφ 一般會比較低，通常在0.5 左右。功率因數(shù)低將主要造成這么兩個問題：

（1）線路中的損耗較大；

（2）電源由于需要提供電感所需要的無功功率，導致電源的利用率較低。

因此，通過在感性負載兩端并聯(lián)電容的方法來解決上面兩個問題，從而提高整個電路的功率因數(shù)[3]，電路如圖1所示。

圖1

一般將功率因數(shù)cosφ 提高到接近1 即可。并聯(lián)的補償電容的容量并不是越大越好，如果電容容量太大，會出現(xiàn)過補償現(xiàn)象，此時電路的功率因數(shù)可能不升反降，得不償失。

通過并聯(lián)電容改變電路功率因數(shù)的過程也可以通過相量圖更直觀的看出。從圖2(a)可知，功率因數(shù)角從補償前的φ1減小為φ，對應(yīng)的功率因數(shù)從補償前的cosφ1提高到cosφ。圖2(b)中的補償電容容量較大，使得功率因數(shù)角從補償前的φ1變化為φ，而電路從感性變?yōu)槿菪粤恕１容^圖2(a)和(b)可以看出，并聯(lián)的電容容量較大時，電路的功率因數(shù)不增反降，既沒有達到提高功率因數(shù)的目的，又需要更大容量的電容，反而增加了經(jīng)濟成本。

圖2

2.2 通過Multisim仿真驗證功率因數(shù)改善的理論

在仿真實驗中，通過對感性負載分別并聯(lián)接入四組不同容量的電容進行功率因數(shù)的測量，進而比較出接入多大容量的電容較為合適，達到有效改善電路功率因數(shù)的目的。用Multisim 仿真軟件建立的電路如圖3所示。仿真電路中的XWM1 是功率表，可以直接從表中讀出電路的功率及功率因數(shù)。XMM1、XMM2、XMM3 都是萬用表，分別測量圖1 中對應(yīng)的電流I、IL、IC。

圖3

按照下面給出的電容參數(shù)依次搭建仿真電路，電路如圖4所示。

圖4

（1）不接電容，即C=0；

（2）接入電容C=2.2μF；

（3）接入電容C=4.7μF；

（4）接入電容C=6.9μF；

測量的仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

從表1 中可見，當電容容量C=0 時，功率因數(shù)cosφ=0.504，此時電路的功率因數(shù)較低。當電容容量C=2.2μF 時，功率因數(shù)cosφ=0.775，與C=0 時的功率因數(shù)相比，功率因數(shù)得到了提高。當電容容量C=4.7μF 時，功率因數(shù)cosφ=0.98，此時電路的功率因數(shù)接近為1，說明這個電容的容量將該電路的功率因數(shù)補償?shù)妮^高。而當電容容量繼續(xù)增大到C=6.9μF 時，功率因數(shù)cosφ=0.672，與C=4.7μF 時的功率因數(shù)相比，功率因數(shù)反而下降了，說明此時出現(xiàn)了過補償。

另外，從表中還可以看出，由于感性負載的參數(shù)沒有改變，因此電流IL、功率P 沒有變化；又由于萬用表所測的電流都是有效值，因此連接在同一結(jié)點處的三個電流I、IL和IC的有效值并不符合基爾霍夫電流定律。

這與線下實驗測量的數(shù)據(jù)基本一致，說明仿真結(jié)果如實的反映了真實的情況。

3 結(jié)束語

在電工電子實驗中引入Multisim 仿真技術(shù)，可以將抽象的教學內(nèi)容以直觀的方式展現(xiàn)，加深學生對理論知識的理解，提高學生分析問題的能力。同時，仿真軟件的應(yīng)用，彌補了實驗資源的不足，解決了實際操作中的安全風險性問題。