Multisim在三相电路中的应用

    三相电路在工程上和日常生活中应用广泛，在电路课程中也是重要的一部分内容，为加深对三相电路特性的了解，尤其是对中线在非对称三相电路中的作用的理解，在课程教学设计中，往往在理论分析的基础上，安排实验进行验证。但是由于三相电路供电电压都在220 V以上，所以实际操作危险性较高，尤其是对于非对称三相三线制中一相短路的情况，若要验证其他两相的工作情况，不仅会烧毁保险丝甚至会损坏装置。若用Muhisim软件对其仿真，不仅安全可靠，克服实物实验的许多不足，而且形象直观，可以提高学生的学习兴趣。

1 Multisim的简介
    Multisim是加拿大IIT公司推出的电子线路仿真软件EWB的升级版，它把电路图的创建、电路的测试分析和仿真结果等内容集成在一个电路窗口中。Multisim的元器件库提供了数千种类型的元器件，其中的虚拟元器件可根据需要任意修改元件参数，甚至用户还可以创建新元件。Multisim还提供了众多的虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、安捷伦仪器、信号发生器等，其功能与实际仪表相同，可方便地进行电路的仿真测试分析。Multisim的电路分析功能十分强大，能进行直流工作点分析、交流分析、傅里叶分析、噪声分析等多种分析。
    将Multisim引入电路实验的教学中，利用其强大的仿真功能，对课程的重点难点电路进行电路仿真是一条行之有效的思路。

2 三相电路的仿真
    三相电路主要有三相四线和三相三线制两种连接形式，由于电源一般是对称的，所以根据负载是否对称又分为对称和非对称三相电路。日常生活中应用的电路，譬如照明电路，由于很难保证负载对称，所以常采用三相四线制，即必须加中线。课程设计中安排三相电路实验环节除了验证对称三相电路中各相电压和电流是对称的外，还有两个主要目的：一是有中线情况下，验证负载对称和不对称条件下各相负载的变化情况；二是无中线情况下，验证负载对称和不对称条件下各相负载的变化情况，以便让学生更深入了解日常生活应用中必须加中线的意义。
2．1 对称三相电路正常工作时的仿真
    分别按照图1、图2搭建对称三相四线制电路和对称三相三线制电路，三相负载采用3个100W／220V的灯泡连接成“Y”型接法，三条火线上接1 A的保险丝，并分别串联万用表，以便同时观察三相电流以及中线电流的情况。

    搭电路时需注意：万用表应设置成交流AC模式，且选择电流档位；选灯泡时不能选择实际器件LAMP，而应该选择虚拟器件VIRTUAL-LAMP，并将其Property改为需要的参数。
    从理论上讲对称三相电路，不管是三线制还是四线制，各相负载两端电压以及通过的电流都是对称的，即大小是相等的，四线制中中线电流应为零。为了分析方便，只仿真电流，仿真的结果如图1，图2所示，可知两种情况下三相负载中的电流相等皆为454．583 mA，中线电流为0．512 fA也约等于零(主要是误差造成的)。由测量结果学生很容易得到这样的结沦：对于对称的三相电路在电路正常工作的情况下，不管是否加中线三相负载中的电流或电压都没有发上变化，即中线不起作用，可去掉。
2．2 对称三相电路某一相发生故障时的仿真
    对于不对称三相电路有多种情况，着重通过分析其中某一相负载断路或短路两种情况加以仿真，从而说明实际生活中为什么都采用加中线的形式。
2．2．1 一相短路三相负载的变化情况
    理论上，对于有中线的三相四线制电路短路相会出现烧坏保险丝的现象，而其余两相不会受影响；对于无中线的三相三线制电路，则另外两相也会受到严重影响，即由于一相短路，加在负载上的电压由原来的额定相电压220 V变为线电压380 V，导致另外两相的保险丝烧毁。为了验证这一现象，分别按照图3、图4搭建三相四线制电路和三相三线制电路，对于三相三线制电路，按图4搭建电路时省去保险丝，以便通过灯泡的工作情况更明显观察无中线对电路的影响。
    实验仿真的结果如图3，图4所示。对于图3仿真的数据可以看出，对于有中线的三相电路，发生短路一相的的保险丝被烧断，灯泡不亮，其余两相的灯泡正常发光，万用表测得两端电压约为220 V，即非故障的两相正常工作；而对于图4仿真的结果可以明显看到若没有中线，在其中一相短路时，另外两相的灯泡全部烧毁，即非故障两相受到严重影响，不能正常工作。2．2．2 一相断路三相负载的变化情况
    理论上，对于有中线的三相四线制电路，如果出现一相断路，另外两相由于每相的工作电压不变，所以皆不受断路相影响，能正常工作，但由于三相电流不对称故中线电流不再为零。对于无中线的三相三线制电路则当一相发生断路时，其余两相负载相串联加在线电压380V上，故各自的电压小于额定电压220 V，虽然不能烧坏电路，但是通过的电流减少，负载也不能正常工作。
    图5，图6分别是三相四线制和三相三线制一相断路时的仿真电路以及仿真结果，从图5可以看出当A相断路时，B、C两相的灯泡正常闪烁，从其两端的电压波形可以看出B、C两相端电压与图1完全相同，但是由于负载不对称，所以中线电流不为零，约为430mA。图6可以看出，B、C两相的灯泡虽然也闪烁，但是与图5的波形图相对比，可以看出其两端的电压值比正常值小了很多，有效值约为190V左右。

    从图3～图6仿真结果可以看出，对于负载不对称的三相电路，若采用三相三线制，则各相之间相互影响，会导致不能正常工作，若采用三相四线制，则三相之间互不影响，所以实际应用中对于电源为星形接法的三相电路，常采用三相四线制接法，即必须加中线，同时为了保证负载可以正常工作，在中线上不能安装开关和熔断器。

3 应用Multisim仿真三相电路的优点
3．1 安全可靠，经济效益高
    三相电路中的电源为市电，远远大于人体安全电压，在实验室操作时，学生搭电路不可避免会出现线路连接错误或者仪器仪表使用操作不当的情况，轻则烧毁保险丝，重则烧坏测量仪表等设备，甚至稍有不慎易造成人身触电。应用Multisim进行仿真，即使连接错误或操作不当，也只需根据软件的提示修改线路即可，既无危险性又提高实验效率，且节省了大量的实验资源。
3．2 弥补实际操作的不足
    对于三相三线制中一相短路的实验，由于肯定会烧毁另外两相的保险丝，所以在实验室是不进行实际的操作，仅是从理论上进行分析。但是利用Multisim则可以进行仿真，学牛可以形象直观地观测到灯泡烧坏的现象，更有助于加深他们对中线作用的理解。
3．3 同时测量多变量，便于分析
    充分利用Multisim中的虚拟仪器，仿真过程中可根据需要利用多块仪表同时测量三相负载中的电压或电流量，甚至于可以利用示波器观察每相电压、电流的波形，便于学牛比较分析，加深理解。但是实际实验室操作由于硬件条件的限制，每个人只能有一块万用表，若要测量三相电流则需要分三次测量依次记录，再根据记录结果进行比较，显然没有Multisim仿真形象、直观、方便。

4 结语
    将Multisim仿真应用于三相电路的实验，不仅实验过程接近实际操作，而且形象、直观、无危险性，不仅可以解决实际实验中无法操作的难点，而且可以提高学生的兴趣，加深学生对理论知识的理解，对于改进实验手段，提高教学效果也具有非常重要的作用，是进行电路分析的一个有效手段。