電工基礎(chǔ)電路仿真舉例

1、6、電工基礎(chǔ)電路仿真舉例6.1電路基礎(chǔ)理論仿真6.1.1歐姆定律歐姆定律確定了線性電阻兩端的電壓與流過電阻的電流之間的關(guān)系。 歐姆定律的數(shù)學(xué)表達式：V=IR式中，I為流過電阻的電流， 單位為A （安培）；R為電阻元件的阻值， 單位為Q （歐 姆）；V為電阻兩端的電壓，單位為 V （伏特）。圖6.1 1為一歐姆定律測試電路，圖中 M1和M2分別為顯示器件庫中的電壓表和 電流表，讀者可自行改變電壓 V1與電阻R1的數(shù)值，通過觀察電壓表和電流表讀數(shù)的變 化驗證其服從歐姆定律關(guān)系。M2-1： m IR12 a| 佗.00VI12 V圖6.1 1歐姆定律測試電路6.1.2串聯(lián)電路分析串聯(lián)電路的特點是，流

2、過每個串聯(lián)元件的電流相等。串聯(lián)電路的等效電阻等于各串 聯(lián)電阻之和。根據(jù)基爾霍夫電壓定律知，在電路中環(huán)繞任一閉和回路一周，所有電壓降 的代數(shù)和必須等于所有電勢升的代數(shù)和。在圖6.1 2所示的串聯(lián)測試電路中，各串聯(lián)電阻電壓降之和必須等于外加電源電壓，讀者可改變電路參數(shù)，作進一步觀察驗證。| -4.000 y |L4.000 L4000 yj|RRR1 kn1 kn1 kn1P p3.UU4rri 口 _PI|Q|q圖6.1 2串聯(lián)測試電路116.1.3并聯(lián)電路分析并聯(lián)電路的特點是，每個并聯(lián)元件兩端的電壓都相同，電源輸出電流為各并聯(lián)支路 電流之和。并聯(lián)電阻的等效電阻R的倒數(shù)為各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和。根

3、據(jù)基爾霍夫電流定律知，在電路的任何一個接點上，流入節(jié)點的所有電流的代數(shù) 和必須等于流出節(jié)點的所有電流的代數(shù)和。在圖6.1 3所示的并聯(lián)測試電路中，流入各個并聯(lián)電阻支路的電流之和，必須等于流進電阻并聯(lián)電路的總電流。圖6.1 3并聯(lián)測試電路6.1.4串一并聯(lián)電路分析串一并聯(lián)電路是由部分串聯(lián)電路和部分并聯(lián)電路混合組成的電路。這類電路在分析 時，首先應(yīng)分清電路中哪些是串聯(lián)部分，哪些是并聯(lián)部分，然后根據(jù)串并聯(lián)的不同特點 進行分析。圖6.1 4為一串一并聯(lián)測試電路，讀者可根據(jù)串、并聯(lián)特點自行分析各元件之間的電流、電壓依存關(guān)系。圖6.1 4串一并聯(lián)測試電路6.1.5分壓關(guān)系測試分壓關(guān)系是指，串聯(lián)電路中電阻兩

4、端的電壓降之比與電阻值之比相同。這種關(guān)系可 通過圖6.1 5所示分壓關(guān)系測試電路得到驗證。圖6.1 5分壓關(guān)系測試電路6.1.6分流關(guān)系測試分流關(guān)系是指，在并聯(lián)電路中任何兩條并聯(lián)支路的電流之比與兩支路的電導(dǎo)之比相 同。因為電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，因此，電流的分配與電阻值的大小相反，即電阻值大的支 路流過的電流小，而電阻值小的支路流過的電流大。分流關(guān)系可通過圖6.1 5所示分流關(guān)系測試電路得到驗證。M1軸3 12 35 詞I IM4圖6.1 6分流關(guān)系測試電路6.1.7疊加原理在電路分析理論中，疊加原理是指，在一個含有多個獨立源的線性網(wǎng)絡(luò)中，任一元 件上的電流或電壓，應(yīng)等于網(wǎng)絡(luò)中各個獨立源單獨作用時所

5、產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。 對于圖6.1 7所示電路，我們可以令電壓源V1和V2單獨作用時，求得各支路電流和電壓，然后進行疊加，求得各支路的實際電流和電壓，將計算結(jié)果與電流表和電壓表實 測結(jié)果進行對比，進一步加深對疊加原理的理解。M7IL7 k-15 VM61 .口 幣1由 口小 VJI M2| IO .OOR2 r2 koLL?-euum ail Ms3m A| IU|4| 5 OaA rn A|廠 10 Vb dkM3圖6.1 7疊加原理測試電路6.2交流電路仿真6.2.1電感電路分析Ml在EWB主界面內(nèi)，按圖6.21搭接電路，注意將電流表 Mi和電壓表M2置于交流 （AC）工作模式。電路

6、中，輸入交流電壓 Vi的頻率為50Hz，電壓有效值為10V。電感 L的感抗Xl=2 n fL=2 n X 50X 1X 103Q =0.314 Q。因為感抗值遠大于所串電阻 R的阻值， 因此，該電路可視為純電感電路。TL Iroooi a龍u M2圖6.2 1電感電路將電路中輸入電壓 V1接到示波器Va通道，電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道， 閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標(biāo)得兩電壓波形如圖6.22所示。電阻R作為電感電流的采樣電阻，其兩端電壓驗證了流過電感的交流電流滯后外加交流電壓（VJ相角n /2的基本關(guān)系。圖6.2 2電感兩端外加交流電壓與流過其電流的相位關(guān)系6.2.2電容電路分析在EW

7、B主界面內(nèi)，按圖 6.2 3搭接電路，與電感電路相同，將電流表M1和電壓表M2置于交流（AC）工作模式，選擇輸入交流電壓V1的頻率為50Hz,電壓有效值為10V。電容 C 的容抗 Xc=1/ (2 n fC) =1/ (2n X 50X 1X 106) Q =3.18k Q。因為容抗值 遠大于所串電阻 R的阻值，因此，該電路可視為純電容電路。MlVI10 VJ50 Hz/D Deg;10.00圖6.23電容電路將電路中輸入電壓 Vi接到示波器Va通道，電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道，閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標(biāo)得兩電壓波形如圖6.24所示。電阻R作為電容電流的采樣電阻，其兩端電壓驗證了流

8、過電容的交流電流超前外加交流電壓(Vi)相角n /2-OscilloscopeT145 4WE0sT245 E359T2-T1iE0.日B00 nsVA11 $ 1421VVA2-14I 421U-28.2942UjVEImVVB2602VE2VB117.Z04| it V/EivAg| OlfPC| mv1皿丫:Llinne A|也航日罰Kpositwn:B/AEd賈屯L艸時| W?ia| Aui Ik _fi Bit |尺駅33暑Reve*se的基本關(guān)系。圖6.2 4電容兩端外加交流電壓與流過其電流的相位關(guān)系6.2.3 L、C串聯(lián)諧振電路分析在EWB主界面內(nèi)，按圖6.25搭接電路，將電流表

9、Mi和電壓表M2置于交流(AC ) 工作模式。電感L與電容C串聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，電阻R作為諧振電流的采樣電阻。先選擇輸入交流電壓 Vi的頻率為50Hz，電壓有效值為10V。選擇EWB分析菜單中的 交流頻率分析項，在交流頻率分析參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置掃描起始和終止頻率分別為 1Hz和1GHz，掃描形式為十進制， 縱向尺度為線性，選擇節(jié)點4為輸出端。在交流頻率 分析參數(shù)設(shè)置完畢，點擊仿真開關(guān)，得L、C串聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)曲線如圖6.26所示。Ml1 mHgm “J甌空VILQ V/156 Hz JO DegI mF圖6.2 5L、C串聯(lián)諧振電路xl153,9927yi997 呂：31 召m865

10、9643K2103.7B93udx865苗K陽-997.64BOml/dx1-1550u.1/dy-1-0024min x1,0000max x1 匚1000Mmln y159.1549umax y997自3 ISrrii圖6.26 L、C串聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)曲線根據(jù)L、C串聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)曲線可判斷串聯(lián)諧振頻率在154 ( Xi) Hz左右。將輸入電壓Vi的頻率調(diào)整到串聯(lián)諧振頻率，將電路中輸入電壓Vi接到示波器Va通道,電阻R上的電壓接到示波器 Vb通道，閉合仿真電源后，雙擊示波器圖標(biāo)得兩電壓波形 如圖6.27所示。因為電阻R作為L、C串聯(lián)諧振電流的采樣電阻，其兩端電壓與外加 電壓Vi

11、之間的相為差為零，驗證了L、C串聯(lián)電路，在串聯(lián)諧振時等效阻抗的純電阻性質(zhì)。圖6.25中電流表Mi顯示交流電流有效值為10A，這表明L、C串聯(lián)電路在諧振時，等效阻抗為零，回路電流由電阻R限定。T11 1 .75163VA11 4. 1361VB114.10187211.76155T2TI9.S634 rsVA2-14.1361VVA2-VA1-23.2723yVB2：-14.1916UVB2-VB1-28.036Mk.UQ血聞ir XpgtiQTiiTnggei-LfM*lW腫目Chatmei 4|艸冒皿ir 甲拓訕fpOQChamml B|YT BfA| AJB|Ausea.x y1000 口

12、 mLysis Graphs呀田昌心射電G|堡何鄒F|Statistics Analog) | 0 sei III os cope AC Analysis |JLdT2VJk|VBIVB22 -450 5434 mVT2-T1VA2-V41 VK-VBI11.131 ms -14.5&E5 V24 54& kVTng卿匚6抑詢孔Edge 上更一 I恥討血 一Led Qg目 丫昨*血上|羽塑J妙型Eel;口1時輯耳財丿騎Ypoiiflim | o.uoAC| 1JMEtdyt*Epvers*Tl圖6.210 L、C并聯(lián)諧振電路的外加電壓與諧振電流之間的相位關(guān)系6.3三相交流電路仿真6.3.1三相

13、四線制Y形對稱負載工作方式在EWB主界面內(nèi)按圖6.3 1所示，搭建三相四線制 Y形對稱負載交流電路。其中 三相電壓有效值均為 220V，頻率為50Hz,相位互差120。所用電壓表和電流表均置于 交流（AC）工作模式。將示波器 VA和VB通道分別接入兩相電壓，便于觀察其相位關(guān) 系。電流表Mo專門用于觀測中線電流。圖6.3 1三相四線制Y形對稱負載連接方式當(dāng)按圖6.3 1將電路搭建完畢，閉合EWB仿真電源，系統(tǒng)自動進行仿真分析，分析結(jié)果通過儀表和示波器顯示。其中三塊電壓表分別指示三相線電壓的有效值均為381V，是相電壓有效值（220V）的.3倍。相電流有效值為（220V/1k Q） =220mA，

14、因 為三相負載完全對稱，所以電流表 M。指示中線電流為零。讀者還可將圖 6.3 1中三相 負載中點與“地”之間斷開，三相電流將不發(fā)生任何變化，這說明了在Y形負載完全對稱的情況下，三相四線制與三相三線制是等效的。雙擊示波器圖標(biāo)，觀察到上圖所選兩相電壓波形如圖6.3 2所示，兩相波形之間的相位差為120，改變所選相電壓可逐一觀察三相電壓之間互差120的相位關(guān)系。圖6.3 2三相四線制中的兩相電壓波形632三相四線制Y形非對稱負載工作方式圖6.33為三相四線制 Y形非對稱負載情況，其中一相負載電阻由1k Q降為0.5kQ,其相電流也由220mA增至440mA （由電流表 Ma指示）。電流表 M。指示

15、，此時， 中線電流為220mA。301.0VfiO Hz/240 Deg3酊.1ME】kQ1| 亞cijom 宵17405 kQMCikaMO右E五圖6.3 3三相四線制Y形非對稱負載連接方式通過三相電流矢量分析（圖6.3 4）可知，電流表 M0指示的中線電流I。值，是三相電流的矢量和，且與 A相電流（Ia）同相位。圖6.3 4三相四線制Y形非對稱負載矢量圖6.3.3三相三線制Y形非對稱負載情況在圖6.33中，若將Y形非對稱負載的中點與“地”斷開，則電路就成為圖6.3 5所示三相三線制Y形非對稱負載情況。因為在三相四線制 Y形非對稱負載情況下，由于 中線的作用，能使三相負載成為三個互不影響的獨

16、立回路，因此不論負載有無變動，每 相負載均承受對稱的電源相電壓，從而能保證負載正常工作。如果中線一旦斷開，這時 雖然線電壓仍然對稱，但各相負載所承受的對稱相電壓則遭到破壞。一般負載電阻較大 的一相所承受的電壓會超過額定相電壓，如果超過太多時會把負載燒毀；而電阻較小的 一相，則由于承受的電壓低于額定相電壓，而不能正常工作。在圖6.35所示三相三線制 Y形非對稱負載情況下，負載電阻最小（ 0.5k Q ）的一 相，相電壓為165V。而另外兩相負載電阻均為 1 k Q,其承受的相電壓均為 252V，已經(jīng) 超過了 220V的額定電壓。220 V/50 Hz皿 DigMA 0.5 eqIWv卜題juHTBF訶剜$ 可）| 3ST.22C