基于Multisim的電網電壓異常報警電路設計與仿真

張觀山，魯曉慶，尹義蕾，施國英，宋占華，張傳洋，宋月鵬

（1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安，271018；2.山東省泰安英雄山中學，山東泰安，271021；3.農業農村部規劃設計研究院，北京，100125）

隨著計算機和微電子技術的發展，電子設計自動化EDA領域已成為電子技術發展的主體[1]。Multisim是具有豐富仿真分析能力的EDA工具[2]，配置有豐富的信號源、電子元件、儀器儀表，具有速度快、精度高、仿真準確形象等優點[3]。

隨著國民經濟的快速發展，人們對電力的需求和依賴越來越強，對電能質量提出了更高的要求，而電壓質量是反映電能質量的重要指標[4]。電網電壓不在正常的范圍內將會影響設備壽命，甚至威脅人身安全，因此對電網電壓進行實時監測，并對電網電壓異常狀況進行監測和報警，對保障電網正常運轉和居民用電安全具有重要的意義[5]。

本文針對山東農業大學《電子技術綜合訓練》課程要求，提出了基于Multisim的電網電壓異常報警電路的設計與仿真實訓項目。學生基于Multisim軟件，利用《數字電子技術基礎》、《模擬電子技術基礎》、《電力電子技術》等理論課程中學習的比較電路、穩壓電路、整流電路等知識，完成該項目的設計及仿真。

1 系統概述

本文設置電網交流電壓正常工作范圍為190V至250V，該電壓指單相交流電壓有效值。如果電網電壓在190~250V范圍之內，則不發出報警。如果不在該范圍內，則發出報警，且電網電壓低于190V或高于250V，電路發出不同的報警聲音。工作人員根據報警聲音區分電網電壓高于250V或低于190V，以便及時采取正確的處理措施。在設計該電路時，僅允許使用交流電源供電，不得使用直流電源供電。為了檢驗學生綜合應用《數字電子技術基礎》、《模擬電子技術基礎》、《電力電子技術》等基礎理論課程進行電路設計的能力，該項目要求不得使用具有編程功能的數字芯片（如單片機、DSP、FPGA等）進行電路設計。

在應用該項目開展實驗教學的過程中，采用由簡單到復雜的思路逐步完成電網電壓異常報警電路的設計，具體按照以下思路完成該項目的設計：

(1)講解電網電壓異常報警電路的總體設計方案和實現思路，明確每一個模塊之間的邏輯關系，并向學生演示該電路的仿真運行結果。

(2)講解和回顧降壓電路的實現方法及工作原理，并要求學生使用Multisim軟件進行降壓電路仿真，并檢查仿真結果。

(3)講解和回顧整流電路的工作原理和仿真注意事項，學生使用Multisim軟件對整流電路進行仿真。將降壓電路的輸出作為整流電路的輸入，使用Multisim內置的示波器觀察整流電路的輸入、輸出曲線，并分析仿真結果。

(4)講解和回顧穩壓電路的工作原理，使用Multisim軟件進行穩壓電路的仿真，將整流電路輸出作為穩壓電路的輸入，使用Multisim內置的示波器觀察穩壓電路的輸入、輸出曲線，分析仿真結果。

(5)對采樣電路進行仿真，使用采樣電路獲取上限和下限電壓，并使用Multisim內置的電壓表測量上限和下限電壓。

(6)講解和回歸比較電路的工作原理，使用Multisim對比較電路進行仿真，將比較電路輸出連接LED燈，觀察比較電路工作運行結果。

(7)講解和回歸報警電路的工作原理，使用Multisim仿真報警電路，并研究報警電路發出不同報警聲音的實現方法。

(8)完成整體電路設計，對電路進行整體功能仿真測試，并根據仿真結果對電路進行優化設計。

2 電路設計及仿真

本文根據以上設計要求，提出了電路總體設計方案，并分別從降壓電路設計、整流電路設計、穩壓電路設計、比較電路設計、報警電路設計等方面提出了電網電壓異常報警電路的設計過程。

2.1 總體設計方案

電路整體設計方案如圖1所示。該電路由降壓電路、整流電路、穩壓電路、采樣電路、比較電路、報警電路等組成。本文采用降壓電路對電網電壓進行降壓處理，將電網電壓降低到整流電路能夠處理的電壓范圍之內。隨后，采用整流電路對降壓后的交流電壓信號進行整流處理，將交流電壓整流為直流電壓。采用穩壓電路將經過整流之后的直流電壓信號進行穩壓處理，獲取波動幅度更小的直流電壓信號。通過分壓電路對直流電壓進行處理，得到上下限交流電壓對應的直流電壓。采用采樣電路采集整流之后的電網電壓信號。通過比較電路將采樣電壓信號與設定的交流電壓上限、下限電壓對應的直流電壓比較，如果該采樣電壓高于上限電壓或低于下限電壓，則驅動報警電路發出不同的報警聲音。工作人員根據不同的報警聲音判斷電網電壓高于上限電壓或低于下限電壓，以便于及時采取處理措施。

圖1 系統整體設計方案

2.2 降壓電路設計

降壓電路以變壓器為核心電路元件進行設計，實現對電網交流電壓的降壓處理。本文所選擇的變壓器的匝數比為10:1，根據變壓器電壓比計算公式，通過該降壓電路可將電網電壓降低10倍。在使用Multisim對降壓電路進行仿真設計時，選擇使用電源模塊AC_POWER模擬電網電壓。在POWER_SOURCE選項中，選中AC_POWER電壓源，并設置AC_POWER電壓源的交流有效電壓，電壓頻率等參數，即完成該電源模塊的調用。圖2為降壓電路設計及電路輸入輸出電壓對比曲線，降壓電路輸入、輸出對比曲線由Multisim內置的示波器測量獲取。由降壓電路輸入、輸出對比曲線得出，本文設計的降壓電路能夠有效的對電網電壓進行降壓處理。

圖2 降壓電路及輸入輸出對比曲線

2.3 整流電路設計

整流電路為把交流電能轉換為直流電能的電路[6]。本設計選用整流二極管組建整流橋構建整流電路。整流二極管選用的型號為MDA990-3，整流電路及整流前后電壓信號對比曲線如圖3所示。圖3中，左圖為整流電路Multisim仿真圖，右圖為整流電路輸入、輸出對比曲線，右圖下半區域曲線為整流電路輸入曲線，上半區域為整流電路輸出曲線。由圖3得出，經過降壓處理之后的電網電壓負半周曲線被整流到正半周，從而完成了電網電壓交流信號的整流處理。

圖3 整流電路及輸入輸出對比曲線

2.4 穩壓電路設計

本文以LM317三端可調輸出正電壓穩壓器為核心進行穩壓電路設計。LM317是可調節的三端正電壓穩壓器，其輸出電壓通過公式(1)計算。

通過設置電阻R2和R3的阻值，設置穩壓電路輸出5V的直流電壓。該直流電壓一方面為比較器等數字芯片提供供電電壓，另一方面，提供了與電網電壓上下限電壓對應的直流基準電壓。

圖4 穩壓電路設計圖

2.5 比較電路設計

比較電路的功能為實現電網電壓與上限電壓和下限電壓的比較，如果電網電壓高于上限電壓或者低于下限電壓，則向報警電路發送不同的報警信號。本文采用LM393電壓比較器為核心進行比較電路的設計，LM393在弱信號檢測方面具有較好的性能[7]。

該項目的比較電路使用了兩個LM393電壓比較器，其中一個電壓比較器的正向輸入端接電網電壓，反向輸入端接電網上限電壓。當電網電壓高于上限電壓（即正向輸入端高于反向輸入端），代表電網電壓高于上限，LM393電壓比較器輸出高電平，并將該信號發送給報警電路，報警電路發出電網電壓高于上限的警示音。當電網電壓低于上限電壓（即正向輸入端低于反向輸入端），代表電網電壓低于上限電壓，LM393電壓比較器輸出低電平，報警電路不工作。另外一個電壓比較器的反向輸入端接電網電壓，正向輸入端接電網電壓下限電壓，當電網電壓低于下限電壓（即正向輸入端高于反向輸入端），代表電網電壓低于下限，LM393電壓比較器輸出高電平，報警電路發出電網電壓低于下限的警示音。當電網電壓高于下限電壓（即反向輸入端低于正向輸入端），代表電網電壓高于上限，LM393電壓比較器輸出低電平，報警器不工作。圖5為使用Multisim對LM393電壓比較器的典型工作電路進行仿真。

圖5 LM393電壓比較器仿真電路

2.6 報警電路設計

報警電路為以555定時器為核心設計的多諧振蕩器。通過多諧振蕩器產生方波驅動蜂鳴器發出報警聲音，多諧振蕩器產生的方波周期T通過以下公式計算。

本文使用兩個由555定時器組成的多諧振蕩器實現判斷電網電壓低于下限或者高于上限。通過設置兩個多諧振蕩器不同的電路參數，使其輸出不同周期的方波，并通過輸出的不同周期的方波驅動蜂鳴器產生不同的報警聲音，進而實現根據聲音判斷電網電壓是否異常，且能夠根據報警聲音的不同判斷電網電壓高于上限電壓或者低于下限電壓。圖6為以由555定時器組成的多諧振蕩器為核心設計的報警電路。

圖6 報警電路設計

3 電路功能測試

本文使用Multisim軟件對電網電壓異常報警電路進行了功能仿真測試，將電網電壓下限設置為190V，上限設置為250V。通過設置AC_POWER電壓源不同的電壓值檢測電路的工作效果。首先將電網電壓設置為150V，啟動運行仿真電路，報警電路發出報警聲音，該報警聲音提示電網電壓低于下限電壓。隨后，將電網電壓設置為220V，啟動運行仿真，報警電路未發出報警聲音，說明電網電壓在正常的工作范圍之內。最后，將電網電壓設置為300V，啟動仿真運行，此時，報警電路發出報警聲音，且該報警聲音與電網電壓設置為150V時發出的報警聲音不同，說明此時的電網電壓高于上限電壓。

4 結束語

本文設計了電網異常電壓報警電路，該電路能夠實現對電網異常電壓的監測。當電網電壓高于上限或者低于下限，報警電路發出不同的報警聲音，從而實現根據報警聲音判斷電網電壓低于下限還是高于上限。仿真結果表明，本文設計的電網電壓異常報警電路能夠實現對電網電壓異常狀況的監測。將該項目應用于自動化、電氣工程及自動化等專業的綜合實踐教學，對于培養和提高學生電路分析和設計能力具有重要的意義。