Multisim在三相電路基本要點(diǎn)的概括

三相電路在工程上和日常生活中應用廣泛，在電路課程中也是重要的一部分內容，為加深對三相電路特性的了解，尤其是對中線(xiàn)在非對稱(chēng)三相電路中的作用的理解，在課程教學(xué)設計中，往往在理論分析的基礎上，安排實(shí)驗進(jìn)行驗證。但是由于三相電路供電電壓都在220 V以上，所以實(shí)際操作危險性較高，尤其是對于非對稱(chēng)三相三線(xiàn)制中一相短路的情況，若要驗證其他兩相的工作情況，不僅會(huì )燒毀保險絲甚至會(huì )損壞裝置。若用Muhisim軟件對其仿真，不僅安全可靠，克服實(shí)物實(shí)驗的許多不足，而且形象直觀(guān)，可以提高學(xué)生的學(xué)習興趣。

1 Multisim的簡(jiǎn)介

Multisim是加拿大IIT公司推出的電子線(xiàn)路仿真軟件EWB的升級版，它把電路圖的創(chuàng )建、電路的測試分析和仿真結果等內容集成在一個(gè)電路窗口中。Multisim的元器件庫提供了數千種類(lèi)型的元器件，其中的虛擬元器件可根據需要任意修改元件參數，甚至用戶(hù)還可以創(chuàng )建新元件。Multisim還提供了眾多的虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、安捷倫儀器、信號發(fā)生器等，其功能與實(shí)際儀表相同，可方便地進(jìn)行電路的仿真測試分析。Multisim的電路分析功能十分強大，能進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析、交流分析、傅里葉分析、噪聲分析等多種分析。

將Multisim引入電路實(shí)驗的教學(xué)中，利用其強大的仿真功能，對課程的重點(diǎn)難點(diǎn)電路進(jìn)行電路仿真是一條行之有效的思路。

2 三相電路的仿真

三相電路主要有三相四線(xiàn)和三相三線(xiàn)制兩種連接形式，由于電源一般是對稱(chēng)的，所以根據負載是否對稱(chēng)又分為對稱(chēng)和非對稱(chēng)三相電路。日常生活中應用的電路，譬如照明電路，由于很難保證負載對稱(chēng)，所以常采用三相四線(xiàn)制，即必須加中線(xiàn)。課程設計中安排三相電路實(shí)驗環(huán)節除了驗證對稱(chēng)三相電路中各相電壓和電流是對稱(chēng)的外，還有兩個(gè)主要目的：一是有中線(xiàn)情況下，驗證負載對稱(chēng)和不對稱(chēng)條件下各相負載的變化情況;二是無(wú)中線(xiàn)情況下，驗證負載對稱(chēng)和不對稱(chēng)條件下各相負載的變化情況，以便讓學(xué)生更深入了解日常生活應用中必須加中線(xiàn)的意義。

2.1 對稱(chēng)三相電路正常工作時(shí)的仿真

分別按照圖1、圖2搭建對稱(chēng)三相四線(xiàn)制電路和對稱(chēng)三相三線(xiàn)制電路，三相負載采用3個(gè)100W/220V的燈泡連接成“Y”型接法，三條火線(xiàn)上接1 A的保險絲，并分別串聯(lián)萬(wàn)用表，以便同時(shí)觀(guān)察三相電流以及中線(xiàn)電流的情況。

搭電路時(shí)需注意：萬(wàn)用表應設置成交流AC模式，且選擇電流檔位;選燈泡時(shí)不能選擇實(shí)際器件LAMP，而應該選擇虛擬器件VIRTUAL-LAMP，并將其Property改為需要的參數。

從理論上講對稱(chēng)三相電路，不管是三線(xiàn)制還是四線(xiàn)制，各相負載兩端電壓以及通過(guò)的電流都是對稱(chēng)的，即大小是相等的，四線(xiàn)制中中線(xiàn)電流應為零。為了分析方便，只仿真電流，仿真的結果如圖1，圖2所示，可知兩種情況下三相負載中的電流相等皆為454.583 mA，中線(xiàn)電流為0.512 fA也約等于零(主要是誤差造成的)。由測量結果學(xué)生很容易得到這樣的結淪：對于對稱(chēng)的三相電路在電路正常工作的情況下，不管是否加中線(xiàn)三相負載中的電流或電壓都沒(méi)有發(fā)上變化，即中線(xiàn)不起作用，可去掉。

2.2 對稱(chēng)三相電路某一相發(fā)生故障時(shí)的仿真

對于不對稱(chēng)三相電路有多種情況，著(zhù)重通過(guò)分析其中某一相負載斷路或短路兩種情況加以仿真，從而說(shuō)明實(shí)際生活中為什么都采用加中線(xiàn)的形式。

2.2.1 一相短路三相負載的變化情況

理論上，對于有中線(xiàn)的三相四線(xiàn)制電路短路相會(huì )出現燒壞保險絲的現象，而其余兩相不會(huì )受影響;對于無(wú)中線(xiàn)的三相三線(xiàn)制電路，則另外兩相也會(huì )受到嚴重影響，即由于一相短路，加在負載上的電壓由原來(lái)的額定相電壓220 V變?yōu)榫€(xiàn)電壓380 V，導致另外兩相的保險絲燒毀。為了驗證這一現象，分別按照圖3、圖4搭建三相四線(xiàn)制電路和三相三線(xiàn)制電路，對于三相三線(xiàn)制電路，按圖4搭建電路時(shí)省去保險絲，以便通過(guò)燈泡的工作情況更明顯觀(guān)察無(wú)中線(xiàn)對電路的影響。

實(shí)驗仿真的結果如圖3，圖4所示。對于圖3仿真的數據可以看出，對于有中線(xiàn)的三相電路，發(fā)生短路一相的的保險絲被燒斷，燈泡不亮，其余兩相的燈泡正常發(fā)光，萬(wàn)用表測得兩端電壓約為220 V，即非故障的兩相正常工作;而對于圖4仿真的結果可以明顯看到若沒(méi)有中線(xiàn)，在其中一相短路時(shí)，另外兩相的燈泡全部燒毀，即非故障兩相受到嚴重影響，不能正常工作。2.2.2 一相斷路三相負載的變化情況

理論上，對于有中線(xiàn)的三相四線(xiàn)制電路，如果出現一相斷路，另外兩相由于每相的工作電壓不變，所以皆不受斷路相影響，能正常工作，但由于三相電流不對稱(chēng)故中線(xiàn)電流不再為零。對于無(wú)中線(xiàn)的三相三線(xiàn)制電路則當一相發(fā)生斷路時(shí)，其余兩相負載相串聯(lián)加在線(xiàn)電壓380V上，故各自的電壓小于額定電壓220 V，雖然不能燒壞電路，但是通過(guò)的電流減少，負載也不能正常工作。

圖5，圖6分別是三相四線(xiàn)制和三相三線(xiàn)制一相斷路時(shí)的仿真電路以及仿真結果，從圖5可以看出當A相斷路時(shí)，B、C兩相的燈泡正常閃爍，從其兩端的電壓波形可以看出B、C兩相端電壓與圖1完全相同，但是由于負載不對稱(chēng)，所以中線(xiàn)電流不為零，約為430mA。圖6可以看出，B、C兩相的燈泡雖然也閃爍，但是與圖5的波形圖相對比，可以看出其兩端的電壓值比正常值小了很多，有效值約為190V左右。

從圖3～圖6仿真結果可以看出，對于負載不對稱(chēng)的三相電路，若采用三相三線(xiàn)制，則各相之間相互影響，會(huì )導致不能正常工作，若采用三相四線(xiàn)制，則三相之間互不影響，所以實(shí)際應用中對于電源為星形接法的三相電路，常采用三相四線(xiàn)制接法，即必須加中線(xiàn)，同時(shí)為了保證負載可以正常工作，在中線(xiàn)上不能安裝開(kāi)關(guān)和熔斷器。